數字訊號採集回放系統電路設計探析論文
在數位電路測試技術中，基於電壓測量的檢測技術是多年來研究的重點。該方法透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模擬，隨著電路訊號數量不斷增多，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訊號採集和回放的系統電路。本電路以FPGA為核心，以NANDFLASH晶片為儲存載體，可實現72路數字訊號測試，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
整個系統包含儲存板、系統底板、USB2.0介面控制板、回放驅動板、採集轉接板等多個組成部分，能夠實現72路數字訊號的同步採集和回放。所有板卡均插裝在系統底板上，透過資料及控制匯流排相連。系統中的儲存板有9塊，每塊可儲存8路數字訊號，可實現72路訊號的資料儲存。每塊儲存板上有8片8GBFLASH晶片。系統總儲存容量為576GB，按照100M取樣率，可採集或回放10分鐘以上，資料存取速度達900MB/S。在採集過程中，被測數字訊號透過採集轉接板轉移到儲存板；在回放過程中，儲存板中的資料首先透過回放驅動板輸出到被測數位電路。
1.1FLASH儲存板設計
每塊儲存板上集成了8片NANDFLASH晶片，分別儲存8路數字訊號，並透過FPGA晶片實現介面控制和資料存取。器件選型方面，採用了K9HCG08U1M型號的NANDFLASH，該晶片支援最高40MB/S的瞬間資料存取速率，容量8GB。FPGA方面採用了ALTERA公司CYCLONE3系列晶片，型號為EP3C25Q240C8N.該晶片有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]。儲存板透過VME32插頭與底板資料匯流排連線，插頭內包含了採集、擦除、回放等控制線和8路數字訊號線。
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、插板介面、開關控制和指示、系統時鐘選擇等功能。電源轉換晶片組位於底板上側，便於散熱。提供系統電源。中間部分是9塊FLASH儲存卡的VME插座位，底端是資料匯流排介面，用於與USB控制板和回放驅動板等進行連線。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控制板的開關訊號進行處理，並透過指示燈加以顯示。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'取樣率和同等回放速率。
1.3USB介面控制板設計
USB介面控制板主要負責系統裝置與上位機之間的資料交換，包括控制命令和採集回放資料的讀寫操作。電路板的介面主要有USB2.0介面，資料及控制匯流排介面，回放引腳設定匯流排介面。本設計中，採用了CYPRESS公司的USB2.0晶片CY7C68013-128AC作為USB介面晶片。該晶片最高資料速率可達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，並對其引腳訊號加強驅動，以便本系統裝置進行採集。採集時，將轉介面連線到待測裝置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介面上，並使用排線與本系統面板的採集介面相連。此時啟動待測裝置，在其進入工作狀態時啟動採集。
1.5回放驅動板設計
由於FLASH儲存卡的驅動能力較弱且沒有訊號方向選擇，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，實現回放訊號引腳方向選擇和驅動。USBLocalBus透過FPGA進行命令的接收和譯碼，併產生三態門控制訊號。底板匯流排介面提供所有72路數字訊號，經過三態閘電路選擇後，產生相應的驅動訊號給被測數字電路板。
2上位機軟體設計
上位機軟體主要負責USB驅動程式的呼叫、通訊協議的實現。系統電路的各種操作均可透過上位機軟體完成。其通訊協議包括命令設定、資料幀的收發、返回狀態判斷等等。軟體透過協議控制進行採集和回放測試、資料的匯入匯出操作。“觸發採集”用於設定觸發採集模式下的引數。
3系統測試
為了驗證本系統裝置的各項效能，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路訊號除電源和地以外，均為數字訊號，且最高工作頻率為3MHz。在採集過程中，觀察被測裝置和電路板是否仍能正常工作。採集結果表明，被測裝置工作不受影響，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訊號進行了波形測試。測試結果表明，回放介面能夠完整再現採集到的數字訊號。各通道回放訊號之間的誤差不超過10ns。
4結論
目前市面上已有的數字訊號測量工具，受限於採集速度、儲存深度、可測通道數、現場易用性、訊號復現等諸多因素；另一方面，某些數位電路的維修不只是要做簡單的波形測量，還需要進行訊號激勵和驅動，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為核心，可以完成訊號記錄和回放的功能，能夠對數字訊號較多的電路板維修和故障定位發揮極大的輔助作用，也為數字訊號測試技術提供了一種新的方式方法。
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