數字信號採集回放系統電路設計探析論文

在數字電路測試技術中，基於電壓測量的檢測技術是多年來研究的重點。該方法通過觀察正常電路和故障電路的輸出響應來檢測故障。它主要是針對固定型故障的，改進後的電壓測試方法也可以用於檢測延時故障。該方法的優點是測試速度快，識別高低電平的精度要求不高[1]。在電壓測量技術中，還有很多基於運算的測量方法[2]。但是，由於需要對電路做出較多的運算分析或仿真，隨着電路信號數量不斷增多，這種方法的便捷性和易用性往往會受到限制。本文基於電壓測量技術，設計了一種能夠進行數字信號採集和回放的系統電路。本電路以FPGA爲核心，以NANDFLASH芯片爲存儲載體，可實現72路數字信號測試，並且每通道達到100Msps的採集（回放）速度。

1系統電路結構和功能設計

整個系統包含存儲板、系統底板、USB2.0接口控制板、回放驅動板、採集轉接板等多個組成部分，能夠實現72路數字信號的同步採集和回放。所有板卡均插裝在系統底板上，通過數據及控制總線相連。系統中的存儲板有9塊，每塊可存儲8路數字信號，可實現72路信號的數據存儲。每塊存儲板上有8片8GBFLASH芯片。系統總存儲容量爲576GB，按照100M採樣率，可採集或回放10分鐘以上，數據存取速度達900MB/S。在採集過程中，被測數字信號通過採集轉接板轉移到存儲板；在回放過程中，存儲板中的數據首先通過回放驅動板輸出到被測數字電路。

1.1FLASH存儲板設計

每塊存儲板上集成了8片NANDFLASH芯片，分別存儲8路數字信號，並通過FPGA芯片實現接口控制和數據存取。器件選型方面，採用了K9HCG08U1M型號的NANDFLASH，該芯片支持最高40MB/S的瞬間數據存取速率，容量8GB。FPGA方面採用了ALTERA公司CYCLONE3系列芯片，型號爲EP3C25Q240C8N.該芯片有149個可分配IO引腳，內部RAM資源達608256bits，含4個鎖相環，完全滿足本設計需求[4]。存儲板通過VME32插頭與底板數據總線連接，插頭內包含了採集、擦除、回放等控制線和8路數字信號線。

1.2系統底板設計

系統底板是其它板卡互連的基礎，還提供電源轉換、插板接口、開關控制和指示、系統時鐘選擇等功能。電源轉換芯片組位於底板上側，便於散熱。提供系統電源。中間部分是9塊FLASH存儲卡的VME插座位，底端是數據總線接口，用於與USB控制板和回放驅動板等進行連接。右側是開關控制電路和晶振電路。開關控制電路主要負責對來自USB控制板的開關信號進行處理，並通過指示燈加以顯示。晶振電路則可提供25MHz和6.25MHz兩種時鐘，並在FPGA內部進行4倍頻處理。在高速採集回放過程中，使用25MHz時鐘，可達到100MSPS的採樣率和同等回放速率。

1.3USB接口控制板設計

USB接口控制板主要負責系統設備與上位機之間的數據交換，包括控制命令和採集回放數據的讀寫操作。電路板的接口主要有USB2.0接口，數據及控制總線接口，回放引腳設置總線接口。本設計中，採用了CYPRESS公司的USB2.0芯片CY7C68013-128AC作爲USB接口芯片。該芯片最高數據速率可達48MB/S。

1.4採集轉接板設計

它的功能是將被測數字電路板轉接出來，使之保持正常工作，並對其引腳信號加強驅動，以便本系統設備進行採集。採集時，將轉接口連接到待測設備的數字電路板所在位置，然後將數字電路板插在採集轉接板中間的接口上，並使用排線與本系統面板的採集接口相連。此時啓動待測設備，在其進入工作狀態時啓動採集。

1.5回放驅動板設計

由於FLASH存儲卡的驅動能力較弱且沒有信號方向選擇，所以在回放時，必須經過驅動增強和引腳輸入輸出的方向選擇，才能使被測數字電路板正常工作起來。本設計採用“FPGA+三態門”的方式，實現回放信號引腳方向選擇和驅動。USBLocalBus通過FPGA進行命令的接收和譯碼，併產生三態門控制信號。底板總線接口提供所有72路數字信號，經過三態門電路選擇後，產生相應的驅動信號給被測數字電路板。

2上位機軟件設計

上位機軟件主要負責USB驅動程序的調用、通信協議的實現。系統電路的各種操作均可通過上位機軟件完成。其通信協議包括命令設置、數據幀的.收發、返回狀態判斷等等。軟件通過協議控制進行採集和回放測試、數據的導入導出操作。“觸發採集”用於設置觸發採集模式下的參數。

3系統測試

爲了驗證本系統設備的各項性能，針對某型72腳數字電路板進行了現場採集。該型電路板的72路信號除電源和地以外，均爲數字信號，且最高工作頻率爲3MHz。在採集過程中，觀察被測設備和電路板是否仍能正常工作。採集結果表明，被測設備工作不受影響，本系統工作正常，故障燈未亮，可完成10分鐘的採集過程。在採集結束後，進行了回放測試，使用示波器對回放驅動板的信號進行了波形測試。測試結果表明，回放接口能夠完整再現採集到的數字信號。各通道回放信號之間的誤差不超過10ns。

4結論

目前市面上已有的數字信號測量工具，受限於採集速度、存儲深度、可測通道數、現場易用性、信號復現等諸多因素；另一方面，某些數字電路的維修不只是要做簡單的波形測量，還需要進行信號激勵和驅動，並觀察響應，以確認電路的工作是否正常。本文設計的系統電路以FPGA和FLASH爲核心，可以完成信號記錄和回放的功能，能夠對數字信號較多的電路板維修和故障定位發揮極大的輔助作用，也爲數字信號測試技術提供了一種新的方式方法。