摘 要

虚拟示波器是一种常用的测量和显示波形的仪器，随着科学技术的发展，传统示波器难以满足需求，在这样的背景下，虚拟示波器诞生了。

虚拟示波器器是一种虚拟仪器，其中包括了信号采集系统、数据传输与存储系统、上位机显示和相应的软件这几个部分。本文主要研究的是虚拟示波器的高速信号采集系统。

虚拟示波器的信号采集系统主要的功能是完成模数转换，对模拟量进行采样和量化使其变为数字量用于传输和存储。在这部分的设计中用到了FPGA技术，用HDL设计方式进行硬件电路部分的描述，最后通过Quartus II 9.0进行设计和仿真。

论文在第一部分介绍了虚拟示波器的原理，并且对虚拟示波器的发展现状进行了分析；第二部分给出了虚拟示波器信号采集系统的设计方案，并在硬件选择、设计方法、HDL设计语言和设计工具四个方面进行了比较和选择，最后确定用HDL设计方式，运用VHDL语言设计虚拟示波器的信号采集系统，并在Quartus II 9.0上进行设计和仿真；第三部分主要介绍了用VHDL语言完成模数转换部分的设计，并通过仿真验证了其功能，另外还对其他的部分如时钟的设置、对转换后信号简单的处理等都一一进行了设计；最后在Quartus II 9.0上进行了编译以及综合后生成了RTL级的原理图，最后通过VHDL文本编辑方式产生正弦波并对其进行仿真。

在整个虚拟示波器信号采集系统的设计中，完成了各个模块的原理图并用VHDL硬件语言进行了描述，最后设计了顶层文件并进行了综合、功能验证和最后的仿真。

关键词：虚拟示波器；信号采集；Quartus II；VHDL

Abstract

Oscilloscope is a commonly used measurement and display waveform of the instrument, with the development of science and technology, the traditional oscilloscope is difficult to meet the needs, in this context, the virtual oscilloscope was born.

虚拟示波器是一种虚拟仪器，其中包括了信号采集系统、数据传输与存储系统、上位机显示和相应的软件这几个部分。本文主要研究的是虚拟示波器的高速信号采集系统。

Virtual oscilloscope is a kind of virtual instrument, which includes signal acquisition system, data transmission and storage system, PC display and the corresponding software. In this paper, we mainly study the high speed signal acquisition system of virtual oscilloscope.

虚拟示波器的信号采集系统主要的功能是完成模数转换，对模拟量进行采样和量化使其变为数字量用于传输和存储。在这部分的设计中用到了FPGA技术，用HDL设计方式进行硬件电路部分的描述，最后通过Quartus II 9.0进行设计和仿真。

The main function of the signal acquisition system of the virtual oscilloscope is to complete the analog digital conversion, sampling and quantization of the analog signal to the digital quantity to transfer and storage. In this part of the design used in the FPGA technology, using HDL design method for the description of the hardware circuit, and finally through the Quartus II 9.0 to design and simulation.

论文在第一部分介绍了虚拟示波器的原理，并且对虚拟示波器的发展现状进行了分析；第二部分给出了虚拟示波器信号采集系统的设计方案，并在硬件选择、设计方法、HDL设计语言和设计工具四个方面进行了比较和选择，最后确定用HDL设计方式，运用VHDL语言设计虚拟示波器的信号采集系统，并在Quartus II 9.0上进行设计和仿真；第三部分主要介绍了用VHDL语言完成模数转换部分的设计，并通过仿真验证了其功能，另外还对其他的部分如时钟的设置、对转换后信号简单的处理等都一一进行了设计；最后在Quartus II 9.0上进行了编译以及综合后生成了RTL级的原理图，最后通过VHDL文本编辑方式产生正弦波并对其进行仿真。

In the first part, introduces the principle of virtual oscilloscope, and the development status of the virtual oscilloscope is analyzed; the second part presents the design of virtual oscilloscope signal acquisition system, four aspects and hardware selection, design method and HDL design language and design tool for comparison and selection, finally determined by HDL design the signal acquisition system, using VHDL language to design the virtual oscilloscope, and in Quartus II 9.0 to design and simulation; the third part mainly introduces the design of analog digital conversion part with the VHDL language, and its function is verified by simulation, in addition to other parts such as clock setting, the converted signal of simple processing all one one are designed; finally in Quartus II 9.0 compiled and integrated after the formation of the principle diagram of the RTL level, at last Sine wave generated by VHDL text editing mode and its simulation.

在整个虚拟示波器信号采集系统的设计中，完成了各个模块的原理图并用VHDL硬件语言进行了描述，最后设计了顶层文件并进行了综合、功能验证和最后的仿真。

In the design of the virtual oscilloscope signal acquisition system, completed the schematic diagram of each module and VHDL hardware language are described, finally the design of the top level file and a comprehensive, functional verification and the final simulation.

Key Words: virtual oscilloscope；signal acquisition；Quartus II；VHDL

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

第2章 方案选择 3

2.1 硬件比较和选择 3

2.1.1 标准逻辑器件 3

2.1.2 微处理器 3

2.1.3 可编程逻辑器件 3

2.2 设计方法比较与选择 4

2.2.1 HDL设计方法 4

2.2.2 DSP Builder 5

2.2.3 设计方案的选择 6

2.3 HDL语言比较与选择 6

2.3.1 VHDL语言 6

2.3.2Verilog HDL语言 6

2.3.3语言选择 6

2.4 设计工具比较与选择 6

2.4.1 Quartus II 6

2.4.2 ISE 7

2.4.3设计工具比较 7

2.4小结 7

第3章 虚拟示波器的高速信号采集系统设计 8

3.1信号采集原理 8

3.1.1采样 8

3.1.2量化 8

3.2模数转换模块 8

3.4虚拟示波器信号采集系统的设计 10

3.4.1系统总体原理图 10

3.4.2 ADC输出信号的幅度调节模块 11

3.4.3系统的时钟信号设置 13

3.4.4 正弦信号发生器 14

3.4.5顶层文件设计 15

3.5小结 16

第4章 虚拟示波器信号采集系统的实现与仿真 17

4.1 设计工具 17

4.1.1 Quartus II 17

4.1.2ModelSim 17

4.2虚拟示波器信号采集系统建模 17

4.2.1HDL设计 17

4.2.2虚拟示波器的信号采集系统的仿真 19

4.2.3 小结 22

第5章 结论 23

附录 A 25

附录 B 29

附录 C 32

致 谢 34

第1章 绪论

随着电子信息技术快速发展，电子设备的应用变得更加广泛，各个领域对它们的要求也变得更高，现有的设备难以满足这些要求，急需寻求一种高效的代替原有设备的方案。在这种背景下，虚拟仪器诞生了。

虚拟仪器技术（Virtual Instrument）就是一个软件和硬件的结合体，用不同的软件结合有特定逻辑功能的集成硬件系统上，就能满足不同的需求。虚拟仪器技术首先由美国国家仪器公司（NI)提出，到今天已经在各个领域都得到了很大的发展，对传统设备造成了深远的影响。

测量一直是虚拟仪器技术成熟应用的领域，而示波器在电子信号测量领域中是最常用，最适用的仪器之一，使用者能够通过示波器得到需要测量的波形，参数等信息。传统示波器有两种：模拟示波器采用的工作方式是直接测量信号电压，并且通过从左到右的穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压；数字示波器采用的工作方式是通过模拟转换器（ADC）把被测电压转换为数字信息，并对数字信息进行存储，累积到足够的数字量后重构波形。这两种传统示波器在电子信号测量领域的发展过程中都起到了很大的作用，但随着科技的发展，对测量仪器的功能和性能的要求越来越高，虚拟示波器的出现满足了这些要求。虚拟示波器不仅具有传统示波器的功能，而且不受传统示波器笨重的硬件系统的限制，相比于传统示波器，它具有更强大的显示系统以及更简便的操作方式。

目前，从世界范围内虚拟示波器的技术研发、市场份额来看，泰安、立科等在这个领域具有较强的科研能力公司占据着大部分市场。在国内，1993年银河电子技术公司将美国国家仪器公司的虚拟仪器技术引入我国，并且开使进行研究，这是国内首次在虚拟仪器技术方面进行系统的研究。

现在，我国市场上使用的虚拟示波器大都是从国外进口而来，这些高性能的测量显示仪器在科学研究方面有很大的应用空间，但是国内生产的虚拟示波器相比于国外还有一定差距。

鉴于虚拟示波器的总多优点，同时国内这方面的技术水平的限制，加快虚拟示波器的研发刻不容缓，本文设计的是虚拟示波器的信号采集系统。

虚拟示波器是由高速数据采集系统完成对数据的采集和处理，经过信号传输技术经采集到的信号传输到计算机，计算机上利用软件代码编写设计操作界面，由计算机软件完成对信号的测量和显示等操作。

信号采集系统是虚拟示波器的的核心模块，主要功能是完成对信号的采集工作。包括了A/D转换和信号调理两个模块：模数转换模块在ADC驱动程序和特定时钟信号下工作，将采集到的模拟量转化为数字量；信号处理模块对转换得到的信号进行处理，使其幅值便于传输、存储和操作。

本文设计的是虚拟示波器信号采集系统，在现有的设计工具的基础上设计一款可用于虚拟示波器的信号采集系统。并且在完成设计的前提下尽可能地提高系统的整体性能。