基于FPGA简易逻辑分析仪的设计与实现

ｘ信 号 由 １ ０位 串行 输 入 的 Ｄ Ａ 转 换 芯 片 ／
Ｔ Ｃ ６ ５产 生 。通过控 制模 块控 制 Ｔ Ｃ ６ ５产 生 Ｌ５１ Ｌ５ １ 锯齿 波 ， 以提供 波形 显 示 所 需要 的周 期 性 扫 描 信
号， 同时 利用 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ的并 行能力 ， 输 出扫描 信 号 在
频 率设 计为 １２ ８８ ｚ ．２ ＭＨ 。
在 实 际应 用 中 ， 需要 采样 不 同频率 的信 号 ， 因 此 设计 了 １ 不 同 的采 样 频 率 （ ２ 。采 样 频 ６种 表 ）
率 可 以通 过按 键进 行选 择 。 表２ １ ６种采 集频 率表
３ ２ 合 成 Ｙ信 号 ．
显示 出对 应 的逻辑 值 。时钟频 率扫 描速 度足 够快 时， 由于 人 眼的视 觉暂 留现象 ， 在示 波器 上可 显示
参 考 文 献
［ ］ 王建 国 ， 新新 ． 于 Ｆ Ｇ 的简 易逻辑 分析 仪 的 １ 汪 基 ＰＡ
设计 ［ ］ 微 计 算 机 信 息 ，０ ８ ２ （８ ：１ ２ ６ Ｊ． ２０ ，４ ２ ）２ ４— １． ［ ］ 王 景 存 ， 炳 生 ， 国法 ． Ｆ Ｇ 实 现 数 字 逻 辑 分 ２ 李 赫 用 ＰＡ 析 仪 设 计 ［ ］ 武 汉 科 技 大 学 学 报 ，０ ０ ２ ３ ， Ｊ。 ２０ ，４（ ）
题， 以便 实验 室 应 用 ， 时采 用 纯 硬 件设 计 ， 而 同 因
逻辑分 析仪 硬 件 系统 （ ２ 由 ５部 分 构 成 ： 图 ）
电平 输入 接 Ｉ 、 键 、 ／ ＝按 １ Ｄ Ａ转 换 器 、 码显 示 电路 数 和 ＦＧ Ｐ Ａ最小 系 统 。其 中 Ｄ Ａ转换 器 为两 路 ， ／ 用
逻辑 分 析仪 是 常 用 的 电子 测量 仪 器 ， 于监 用
坐标 为 （ ， ） 图 １ ） 在 Ｘ通道 加 ３ 电压 ， ００ （ ａ ； Ｖ Ｙ通 道加 ０ 电压 ， 点坐标 为 （ ， ） 图 １ ） 在 ｘ通 Ｖ 光 ３０ （ ｂ； 道加 ０ 电压 ， Ｖ Ｙ通道加 １ Ｖ电压 ， 点坐 标 为 （ ， 光 ０
每个通 道信 号 的幅值 为 ０ ２ 通 道 与 通道 之 间 电 ． Ｖ，
压 差 为 ０ ３ 以方 便 地 从 示 波 器 上 区分 开各 通 ． Ｖ，
道 。根 据需 显示 的通道 信号 量选 通相应 的模 拟 开
关， 即可 得 到 Ｙ信 号 。通 道 选 择 地 址 Ａ、 、 、 Ｂ ｃＤ 及 相应 的输 出 电压 （ １ 。 表 ） 表 １ Ｙ轴 输 出 电压对 照表
时 ， 出相应地 址 Ｒ Ｍ 的 Ｙ数据 ， 取 Ａ 转换 为 对 应 的
ｙ轴 信号 。在 输 出整 周 期 的 锯 齿 波 扫 描 信 号 后 ，
对应 的逻 辑 电平 可显 示在 示波 器上 。 根据人 眼 的视 觉 暂 留现 象 ， 当示 波 器 的刷 新
３ ２ １ 存 储深 度 ．． 逻辑 分 析 仪 的通 道 数 为 ８ 以每 页 在 示 波 器 ， 上显示 ２ ６个 逻辑 数据 点 、 示 ４页计 算 ， 计 存 ５ 显 设
：
电 压／ ｖ
ｄ Ｘ＝３ ０ ｙ＝１０ ． ．． ．
图 ３ 固件 设 计 框 图
图 １ 模 拟 示 波 器 显 示 原 理
在 ｘ和 Ｙ通道加 ０ 电压时 ， Ｖ 光点 处于 原点 ，
收 稿 日期 ：０ １ ７１ （ 改 稿 ） ２ １ － ．１ 修 ０
第 ９期
张 俊 涛 等 ． 于 Ｆ Ｇ 简易 逻 辑 分 析 仪 的设 计 与 实 现 基 ＰＡ
—
０ ３ ３３５ ３８４Ｏ 、 ． 、 ． 、 ． 、． Ｖ。用 ０ ３ ． Ｖ和 ０ ５ ． Ｖ代表第 １ 通道 的逻辑 电平 ，． Ｖ和 １ Ｏ ０８ ． Ｖ代 表 第 ２通 道 的
逻辑 电 平 ， 下 的为 另 外 ６个 通 道 的 逻 辑 电平 。 余
Ｃ ）ｉｌ 输 入 时 钟 信 号 。测 试 仿 真 图如 图 ５ Ｓ ， ｋ为 Ｃ
块时， 即要考虑 到 消抖 ， 又要保 证单 次触 发 。 显示 模块 用 于 显 示 当 前 采 样 频 率 和 显 示 页
码。
图 ４ Ｙ 输 出 电 路 图
４ 仿真 与测试 ４ １ ｘ信 号 ．
以 Ｖ Ｃ ＝５ 计 算 ， 分 压 值 分 别 为 ０ ３ Ｃ Ｖ 各 ．、
压 ， 点坐标 为 （ ， ）（ １ ） 由此 可通 过控 制 光 ３１ 图 ｄ 。 ｘ、 Ｙ通道 的输入 电压 ， 达到 显示 波形 的 目的。
２ 系统 硬件 设计
拟 示波 器显 示信 号波 形 设计 逻辑 分 析 仪 ， 免 了 避 文 献 ［ ，］ １ ２ 中需 要 采 用计 算 机显 示 信 号波 形 的 问
１ 图 １ ） ห้องสมุดไป่ตู้ Ｘ通道 加 ３ 电压 ， ）（ Ｃ ； Ｖ Ｙ通道 加 １ 电 Ｖ
测 数字 系统 的逻 辑 电平 ， 图 形 方式 直 观 地 表 达 用 出来 ， 以便对 系统 进行 时序分 析 ， 查 系统设 计 中 排 错 误和 潜在 的竞争 冒险现象 。传 统 的逻 辑分 析仪
硬 件结 构复 杂且 价 格 昂贵 ， 以在 实 验 教 学 中普 难 及 和推 广 。因此 ， 笔者基 于 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ为 核心 ， 用模 采
接 口模 块 、 数码 显 示 模 块 、 锯齿 波 产 生 模 块 、 码 译 模 块 、 Ａ 时 钟 模 块 和 控 制 模 块 。时 钟 模 块 用 Ｒ Ｍ、 于给 系统 中其 它模 块 提 供 时 钟 ， 键 接 口模 块 将 按 消抖后 的按 键 信息 输 入 到 控 制模 块 ， 由控 制 模 块 做 出相 应 的 参 数 设 置 。 锯 齿 波 产 生 模 块 控 制 Ｔ Ｃ ６ ５Ｄ Ａ转换 器产 生锯 齿波 ， 率 由 Ｄ Ａ转 Ｌ ５ １ ／ 频 ／ 换 器时钟 决定 。 ３ １ ｘ信号 ．
化
工
自 动
化 及
仪
表
第３ ８卷
５ ４
基 于 Ｆ ＧＡ简 易 逻 辑 分 析 仪 的设 计 与 实 现 Ｐ
张俊 涛 马文博
（ 陕西 科 技 大 学 ， 安 ７ ０２ ） 西 １０ １
摘 要 设 计 了基 于 Ｆ Ｇ 和模 拟 示 波 器 的 多速 率 逻 辑 分 析 仪 系统 ， 点 阐 述 了硬 件 和 固件 的 设 计 思 ＰＡ 重
性价 比更 高 、 内部 资 源 更 满 足 设 计 要 求 的 Ｆ Ｇ ＰＡ
芯片 。在设 计硬 件 电路 时 ， 需要 注意 信 号 采 样 时 并行 导线 间会 产 生 电容 耦 合 效 应 。 因此 ， 议 每 建 两条输 入 信号 线之 间加 零 电 势线 ， 以减 小 串扰 的
发生 。
逻 辑 分 析 仪 采 用 Ａｔｒ ｌ ａ公 司 的 Ｆ Ｇ 芯 片 ｅ ＰＡ
Ｅ ３ ２ 核心 进行 设 计 。 由 于逻 辑 分 析 仪 的 固 Ｐ Ｃ ５为
件 电路 占用 的资 源不 多 ， 计 时 也 可 以选 择 其 他 设
４ ２ 合成 Ｙ信 号 ． 设 采 集 到 的 电平 信 号 ｉｏ ｅ为 ０ ０ １ １ （ Ｃｄ ０ ０ ０ １ 高
比传统 的软 硬 件 实 现 方 式 ¨ 具 有 更 高 的 捕 获 速度 ， 具有 成本 低 、 用方便 及便 于扩 充通 道数 等 使 特点 ， 可满 足 电子 测 量等 实 验 教 学 和基 本 科 研 要 求 ， 可嵌 入到 实验平 台 中使用 。 也
１ 模拟 示波 器显 示原理
位在 前 ） 如 图 ６所示 。输 出引 脚 ｏ ｉ 次 输 出 ， Ｐｎ依 １ ３ ４ ７ ８ １ 、２和 １ ｏ ｉ 接 与模 拟 开 关 的 、 、 、 、 、０ １ ４，Ｐｎ直 ＡＣ Ｂ Ｄ连 接 。由表 １可 知 ， 的 输 出 电压 分 别 为 Ｙ
０ ５ １０ １３ ２ ０ ２ ３ ２ ８ ３ ３ ３ ８ 因 此 可 以 ． 、 ． 、 ． 、． 、 ． 、 ． 、 ． 、 ． Ｖ，
…
＝： ＝
Ｔ ＬＧ５ ５ ６１
电压， Ｖ
（ 供ｘ 号） 提 信
—
坐ｌ
时 钟模 块 （ 提供 时钟） 采集 数 据
Ｒ Ｍ时 钟 Ａ
ＣＤ４ ５ｌ ０
译 码 时 钟
｝ 信 号 供Ｙ 输 出数 据
ｊ
电压， Ｖ
ｃ ＝ ． ＝１０ ． Ｏ ｙ ．
固件部分
Ｌ— Ｊ —一
的设计 方 案具有 更低 的设 计成 本 。
３ ２ ３ 按 键与显 示 ．．
逻 辑分 析仪设 计 了 ６个 功能键 ， 次为 复 位 、 依
Ｙ． Ｔ ｏＵ
上 翻页 、 翻页 、 样 、 样频 率增 和采样 频 率减 ， 下 采 采 同时又设 计 了 ８位 触发字 输入 开关 和触 发使 能 开 关， 以控 制波 形 采 集 的起 始 时 刻 。在 设计 按键 模
逻 辑分析 仪设 计 为 ８通 道 ， 个 通 道 需 要 两 每 个模 拟 电压来 表示 ０和 １ 所 以 ｙ轴 显示 需 要 １ ， ６
个模 拟 电压 。 １ ６种 不 同 电压 值 由 电 阻 串联 分压
和两 个 多路 选 择 器 Ｃ ４ ５ Ｄ ０ １组 成 的 １ ６选 一 的模
拟开关 输 出 ， 设计 电路如 图 ４所 示 ， 比文献 ［ ］ ５ 中
３ Ｆ ＧＡ 固件 设计 Ｐ
固件设计 （ 图３ 分 为 ７ 模 块 ， 别 为 按 键 ） 个 分
言
脚
０ ０ ｌ０ ． ． ． ５０ ． ｜ ２０ ３０ ４０ ．
数 码 管
按键接口 按键信息 Ｉ ； Ｉ ！
ｔ ～ ￣…）Ｊ ——。 。’— Ｉ ／ — 。。 一 ’ —。。’ — —
想 。仿 真 和 测 试 表 明 ， 系统 具 有 结 构 简单 、 本 低 、 获 速 度 快 及 扩 充 通 道 方 便 等 特 点 。 成 捕
关 键 词 多速 率 中图 分 类 号 逻辑分析仪 示波器 设 计 文 章编 号 １０ — ３ （０ １ ０ —１８ ０ ０３ ２ ２ １ ）９１２ ￣３ ９ Ｔ３３ Ｐ９ 文 献标 识 码 Ａ
储 深度 为 １０ ４位 。 ２ ３ ２ ２ 采 样频率 ．。
率大 于 ２ Ｈ 时 可显 示 清 晰 的 信 号 波形 。测 试 表 ０ｚ 明， 刷新 率 为 ５ Ｈｚ 效 果 最 佳 。以 设 计 轴 的 ０ 时
输 出点 数 为 ２ ６点 、 道 计算 ， 于每 输 出一 个 ５ ８通 由 点 需要 １ 时 钟 周 期 ， ２个 因此 Ｄ Ａ 转 换 器 的 时 钟 ／
０． ０． １ ０、 ． １ ５、 ８、 ０、 ３、 ５、 ８、 ５、 ８、 ． １ ３、 ． １． ２． ２． ２． ２． ３
．
Ｔ Ｃ ６ ５Ｄ Ａ转换 器 每 １ 脉冲转 换一 次 ， Ｌ ５ １ ／ ２个 在 ｃ Ｓ的上 升沿 输 出对 应 的 地 址 。输入 控 制 管 脚
有 Ｄ Ｎ（ Ｄ — ａ ） Ｓ Ｌ ｏ Ａ Ｃｋ 及 Ｃ （ Ｄ Ｉ ｏ Ａ Ｄ ｔ 、 Ｃ Ｋ（ Ｄ — ｌ） ａ Ｓ ｏＡ
化
工
自 动
化 及
仪
表
第３ ８卷
跃示 ｃ
辑 分析 仪 的采 样 频 率 设 置 为 ５ ｚ ＭＨ 。测 试 中只 使 用 了 ５个 通 道 ， 下 至 上 依 次 为计 数 器 的 进 位 信 从
号 Ｃ、 。 Ｑ 、 和 Ｑ 。 Ｑ 、 。Ｑ ， ５ 结束语 图 ５ Ｘ输 出仿真 时序 图
于合 成 Ｘ Ｙ轴信 号 。 ／
将 模拟 示波 器 设 置 到 Ｘ Ｙ 档 ， Ｃ （ 应 ／ 在 Ｈ１ 对
Ｘ） Ｃ ２ 对 应 Ｙ） 道 加 上 不 同 的模 拟 电压 ， 、Ｈ （ 通 即
可确定 光点 在屏 幕上 的位 置 ， 图 １ 示 。 如 所
图 ２ 系统 硬 件 设 计 框 图