数字示波器之DMA高速数据采集方案设计

　　本刊前两期给出了数字示波器DIY制作方案，第一篇集中介绍了LCD绘图显示，第二篇介绍了模拟信号调理，完成这些内容学习之后，读者可能会发现一个致命的问题，那就是高速数据采集，前面给出的方案是基于MCU控制的ADC，这种方案致命的缺陷是数据采集的速度慢，对频率稍高的信号无法有效采样，本篇将介绍一种MCU加CPLD控制的DMA高速数据采样方案。

　　一、传统低速数据采集

　　传统MCU控制的ADC数据采集原理框图如图1所示，MCU运行驱动程序控制ADC循环转换，每次转换通常由启动、查询等待、读取数据、写入RAM几个过程，每一个过程都需要CPU执行若干指令来实现，这样的数据采集不仅受ADC速度，尤其是受到MCU运行速度影响，通常只能做低速数据采集。

　　二、DMA数据采集

　　DMA也就是DirectMemoryAccess简称，是直接内存存取的意思，DMA的主要优势是可在无CPU干涉的情况下进行数据的交换，可以将ADC的速度发挥到极致。基于MCU加CPLD控制的DMA原理框图如图2所示。MCU通过对CPLD的控制，实现让出数据总线，由CPLD时序逻辑电路控制AD循环转换并将结果直接存储到RAM中，这个循环过程是纯硬件电路实现的，因此速度快，不受MCU速度影响。MCU查询到一帧数据采集完成后，再夺回数据总线，从RAM中读取数据，处理数据并显示波形。

　　下面我们结合具体的器件来介绍这种DMA方案，ADC器件选择TLC5510，RAM选择UT62256，32KSRAM。

　　TLC5510是美国德州仪器公司生产的８位半闪速结构模数转换器，它采用CMOS工艺制造，可提供最小20Msps的采样率。

　　TLC5510的工作时序图如图3所示，时钟信号CLK在每一个下降沿采集模拟输入信号。第Ｎ次采集的数据经过2.5个时钟周期的延迟之后，在时钟上升沿将转换得到的结果送到内部数据总线上，在时钟其他时间段数据保持不变。可以看到，该器件可以在20MHz时钟信号驱动下以20MHz的采样率采集数据，平均获得一个数据只要0.05μs。

　　综合TLC5510的工作时序和RAM的写入时序，提出如图5所示的驱动过程。基于同一个时钟信号驱动，在时钟下降沿①、低电平②、上升沿③、高电平④4个节拍中，同步实现AD转换和数据写入RAM。