基于FPGA的数字示波器波形合成器研究

引言

波形刷新率是评判数字示波器性能优劣的重要指标之一，它直接体现了示波器抓取波形细节的能力，刷新率越高意味着捕获异常的能力越强。目前国内示波器的波形刷新率在200000wfms/s左右，而高于200000wfms/s的基本上依赖进口。国内示波器刷新率做不高的主要原因有2个：

①波形合成技术和国际先进水平相比，差距还比较大；

②波形存储采用外部存储器。

本文通过对示波器波形合成技术的深入研究，提出一种基于FPGA的高刷新率的波形合成器，刷新率可达到400000wfms/s，该波形合成器已经成功应用在高刷新率示波器中。

1、波形三维映射模型

波形数据的三维信息包括：时间，幅度和幅度命中次数。在现代DSO中，可将多次触发后采集到的多帧数据展现在屏幕上，并通过三维映射灰度图来体现时间，幅度以及波形数据在每一个幅度上的命中次数。例如进行10次采样每次采样700个样点，那么进行三维映射时，会将这10次采样的波形进行叠加，然后将叠加后的波形数据映射到三维数据库中。

如图1所示，三维波形数据库可以看作是一个m&mes;k的二维矩阵，m表示DSO屏幕的垂直分辨率（幅度），k表示DSO的水平分辨率（时间），而矩阵中元素amk表示幅度命中次数（概率），如图所示。

图1  三维波形数据库

为了将三维波形数据库中的信息转换为方便用户观察的显示画面，需要将幅度命中次数转换为波形灰度或颜色等级，所以波形三维映射模型实质上是一种三维波形成像技术。它直接将每次采集到得数据映射到三维数据库（灰度图），然后将灰度图以人眼可以接受的速率传送到屏幕上显示。对于图2这个m&mes;k矩阵，若其元素用c位存储，则灰度图需要的存储空间为：m&mes;k&mes;2c/8字节，国内示波器一般将这个三维数据库（灰度图）存放在外部存储器中例如SRAM，SSRAM。很明显，频繁的访问外部存储器将会大大的减小数据映射速度，降低了波形刷新率。

图2  三维数据库矩阵

2、高刷新率波形合成器

波形刷新率WRR（WaveformRefreshRate）定义为：

WRR=1/（Tacq+Tdead）       --公式（1-1）

Tacq为采集时间，即采集一幅完整波形所需的时间，它和存储深度，采样率等因素有关。Tdead为死区时间，主要由2部分组成：波形数据读取时间Tr和波形数据映射时间Tmap。系统架构决定后，Tacq和Tr也就基本上确定了，但不同的波形合成器会导致Tmap不同，而且Tmap一般远大于Tacq和Tr，所以刷新率可以近似等价于：

WRR=1/Tacq          --公式（1-2）

所以Tmap的大小直接影响波形刷新率。

图3  传统DSO结构框图

图3是传统DSO的内部结构框图，采样电路A从外部采集信号存入动态存储器DDR，波形合成器将新的采样数据和SRAM中旧的采样数据进行叠加操作，将叠加后的数据写回静态存储器SRAM。假设一幅波形有k个采样点，则有：

Tmap=k*（trd+tmd+twr）  --公式（1-3）

trd为静态存储器（三维数据库）的读取时间，tmd为修改时间，twr为写入时间，在同步设计中，trd=trd=twr，所以公式（1-3）可以简化为：

Tmap=3k*trd-         -公式（1-4）

由于传统DSO采用外部静态存储器SRAM存放三维数据库（灰度图），外部存储器一般只有一个读、写端口，就会带来下面2个问题：①每次只能映射一个波形数据，无法做到并行映射。②波形映射时，会以“读-修改-写”这样的存储操作模式，无法做到流水处理。这2个问题导致Tmap时间过长，也是国产示波器的刷新率做不到200000wfms/s以上的主要原因。

为了解决上面的瓶颈，本文提出了一种基于fpga的高刷新率波形合成器。高刷新率的DSO结构图如下图4所示，波形合成器B不再采用外部静态存储器SRAM存储三维数据库（灰度图），而是采用FPGA内部的BLOCKRAM进行替代。采样BLOCKRAM可以带来下面的好处：首先BLOCKRAM可以配置成双口模式有利于进行“读-修改-写”的流水处理，其次可以将BLOCKRAM配置成多个小存储块有利于波形并行映射。

图4 高刷新率DSO结构图

高刷新率波形合成器内部结构如图5所示，波形合成器由n个小波形合成器G1~Gn组成，波形三维数据库也拆分成由n个小的BRAM块BRAM1~BRAMn组成。

Tmap=（k/n）*trd     --公式（1-5）

采样数据通过DISPATCH模块并行的分发到各个小波形合成器中，这样波形合成器在某一个时刻可以完成n个采样点的并行映射。波形映射时，BRAM采用双口模式，“读-修改-写”这样的存储操作模式，就可以做到流水处理。这就克服了上文提到的采用外部存储器存放三维数据库带来的2个问题。

图5  高刷新率波形合成器结构图

由于高刷新率的波形合成器在某一个时刻可以完成n个采样点的并行映射，并可以完成“读-修改-写”的流水处理，假设一幅波形有k个采样点，则有：

对比公式（1-4）和公式（1-5）可以看出，和传统DSO相比，基于高刷新率波形合成器的DSO的Tmap减少为原先的1/3n，刷新率约提高3n倍。从公式（1-5）可以看出，Tmap和n成反比关系，从理论上分析n→∞时，Tmap→0，意味着刷新率可以做到很大。实际应用时，n受限于FPGA的逻辑资源和BLOCKRAM资源，目前采用本文的波形合成器，刷新率可达400000wfms/s。但随着这几年FPGA工艺和技术的飞速发展，FPGA的逻辑资源和BLOCKRAM会越来越大，本文提出的波形合成器将会广泛运用在高刷新率的示波器中。

3、结论

通过对波形合成技术的深入研究，提出一种高刷新率的波形合成器，示波器刷新率达到200000wfms/s以上，对高刷新率示波器以及高刷新率数据采集卡的开发有很大借鉴作用。