引言

波形刷新率是評判數字示波器性能優劣的重要指標之一，它直接體現了示波器抓取波形細節的能力，刷新率越高意味著捕獲異常的能力越強。目前國內示波器的最高波形刷新率在200000wfms/s左右，而高于200000wfms/s的基本上依賴進口。國內示波器刷新率做不高的主要原因有2個：

①波形合成技術和國際先進水平相比，差距還比較大；

②波形存儲采用外部存儲器。

本文通過對示波器波形合成技術的深入研究，提出一種基于FPGA的高刷新率的波形合成器，刷新率可達到400000wfms/s，該波形合成器已經成功應用在高刷新率示波器中。

1、波形三維映射模型

波形數據的三維信息包括：時間，幅度和幅度命中次數。在現代DSO中，可將多次觸發后采集到的多幀數據展現在屏幕上，并通過三維映射灰度圖來體現時間，幅度以及波形數據在每一個幅度上的命中次數。例如進行10次采樣每次采樣700個樣點，那么進行三維映射時，會將這10次采樣的波形進行疊加，然后將疊加后的波形數據映射到三維數據庫中。

如圖1所示，三維波形數據庫可以看作是一個m×k的二維矩陣，m表示DSO屏幕的垂直分辨率（幅度），k表示DSO的水平分辨率（時間），而矩陣中元素amk表示幅度命中次數（概率），如圖所示。

圖1 ?三維波形數據庫

為了將三維波形數據庫中的信息轉換為方便用戶觀察的顯示畫面，需要將幅度命中次數轉換為波形灰度或顏色等級，所以波形三維映射模型實質上是一種三維波形成像技術。它直接將每次采集到得數據映射到三維數據庫（灰度圖），然后將灰度圖以人眼可以接受的速率傳送到屏幕上顯示。對于圖2這個m×k矩陣，若其元素用c位存儲，則灰度圖需要的存儲空間為：m×k×2c/8字節，國內示波器一般將這個三維數據庫（灰度圖）存放在外部存儲器中例如SRAM，SSRAM。很明顯，頻繁的訪問外部存儲器將會大大的減小數據映射速度，降低了波形刷新率。

圖2 ?三維數據庫矩陣

2、高刷新率波形合成器

波形刷新率WRR（WaveformRefreshRate）定義為：

WRR=1/（Tacq+Tdead） ? ? ? --公式（1-1）

Tacq為采集時間，即采集一幅完整波形所需的時間，它和存儲深度，采樣率等因素有關。Tdead為死區時間，主要由2部分組成：波形數據讀取時間Tr和波形數據映射時間Tmap。系統架構決定后，Tacq和Tr也就基本上確定了，但不同的波形合成器會導致Tmap不同，而且Tmap一般遠大于Tacq和Tr，所以刷新率可以近似等價于：

WRR=1/Tacq ? ? ? ? ?--公式（1-2）

所以Tmap的大小直接影響波形刷新率。

圖3 ?傳統DSO結構框圖

圖3是傳統DSO的內部結構框圖，采樣電路A從外部采集信號存入動態存儲器DDR，波形合成器將新的采樣數據和SRAM中舊的采樣數據進行疊加操作，最后將疊加后的數據寫回靜態存儲器SRAM。假設一幅波形有k個采樣點，則有：

Tmap=k*（trd+tmd+twr） ?--公式（1-3）

trd為靜態存儲器（三維數據庫）的讀取時間，tmd為修改時間，twr為寫入時間，在同步設計中，trd=trd=twr，所以公式（1-3）可以簡化為：

Tmap=3k*trd- ? ? ? ? -公式（1-4）

由于傳統DSO采用外部靜態存儲器SRAM存放三維數據庫（灰度圖），外部存儲器一般只有一個讀、寫端口，就會帶來下面2個問題：①每次只能映射一個波形數據，無法做到并行映射。②波形映射時，會以“讀-修改-寫”這樣的存儲操作模式，無法做到流水處理。這2個問題導致Tmap時間過長，也是國產示波器的刷新率做不到200000wfms/s以上的主要原因。

為了解決上面的瓶頸，本文提出了一種基于fpga的高刷新率波形合成器。高刷新率的DSO結構圖如下圖4所示，波形合成器B不再采用外部靜態存儲器SRAM存儲三維數據庫（灰度圖），而是采用FPGA內部的BLOCKRAM進行替代。采樣BLOCKRAM可以帶來下面的好處：首先BLOCKRAM可以配置成雙口模式有利于進行“讀-修改-寫”的流水處理，其次可以將BLOCKRAM配置成多個小存儲塊有利于波形并行映射。

圖4 高刷新率DSO結構圖

高刷新率波形合成器內部結構如圖5所示，波形合成器由n個小波形合成器G1~Gn組成，波形三維數據庫也拆分成由n個小的BRAM塊BRAM1~BRAMn組成。

Tmap=（k/n）*trd ? ? --公式（1-5）

采樣數據通過DISPATCH模塊并行的分發到各個小波形合成器中，這樣波形合成器在某一個時刻可以完成n個采樣點的并行映射。波形映射時，BRAM采用雙口模式，“讀-修改-寫”這樣的存儲操作模式，就可以做到流水處理。這就克服了上文提到的采用外部存儲器存放三維數據庫帶來的2個問題。

圖5 ?高刷新率波形合成器結構圖

由于高刷新率的波形合成器在某一個時刻可以完成n個采樣點的并行映射，并可以完成“讀-修改-寫”的流水處理，假設一幅波形有k個采樣點，則有：

對比公式（1-4）和公式（1-5）可以看出，和傳統DSO相比，基于高刷新率波形合成器的DSO的Tmap減少為原先的1/3n，刷新率約提高3n倍。從公式（1-5）可以看出，Tmap和n成反比關系，從理論上分析n→∞時，Tmap→0，意味著刷新率可以做到很大。實際應用時，n受限于FPGA的邏輯資源和BLOCKRAM資源，目前采用本文的波形合成器，最高刷新率可達400000wfms/s。但隨著這幾年FPGA工藝和技術的飛速發展，FPGA的邏輯資源和BLOCKRAM會越來越大，本文提出的波形合成器將會廣泛運用在高刷新率的示波器中。

3、結論

通過對波形合成技術的深入研究，提出一種高刷新率的波形合成器，示波器刷新率達到200000wfms/s以上，對高刷新率示波器以及高刷新率數據采集卡的開發有很大借鑒作用。