基于FPGA的数字示波器波形合成器研究

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。目前国内示波器的最高波形刷新率在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。

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×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×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×k×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