FPGA数字示波器复刻：器件选型与电路优化实践

1. LogicPi双通道FPGA数字示波器复刻指南

作为一名电子工程师，我最近复刻了LogicPi双通道FPGA数字示波器项目。这个项目基于FPGA和高速ADC构建，能够实现双通道100MHz采样率的数字示波器功能。在复刻过程中，我遇到了不少坑，也积累了一些经验，现在分享给大家。

这个项目最大的特点是采用了国产FPGA（高云半导体）和GD32 MCU的组合，成本相对较低但性能不错。示波器支持从5mV/div到5V/div的多档位电压测量，采样深度为1K points，对于日常电子调试和教学实验来说已经足够使用。

2. 器件选型与焊接注意事项

2.1 不需要焊接的NC部分

在PCB上有几个明确标注为NC(Not Connected)的部分，这些元件千万不要焊接：

• R23, R37电阻
• K2继电器
• Q2三极管
• R35电阻

特别是继电器部分，如果误焊会导致两个AD8065运放异常发热。这是因为继电器电路设计用于另一个版本的示波器功能，在这个版本中并不需要。

重要提示：焊接前务必对照BOM表仔细检查，所有标有NC的元件位置都要留空。

2.2 负电压生成电路改进

原设计使用TPS5430作为-4.5V电源芯片，但实测发现它需要输入电压大于5.8V才能正常工作，这对于USB 5V供电来说显然不够。作者后来改用SCT2433，同时需要做以下修改：

1. 将R75电阻从3.74kΩ改为2.2kΩ
2. 电感L7从15uH改为4.7uH
3. 电容C121从10nF改为100nF
4. 移除续流二极管D3(SS34)

修改前的小电压量程会出现明显底噪（约20mVpp），修改后底噪降低到5mVpp以内，达到了可用水平。

2.3 关键运放选型

原设计中的TPH2501运放耐压只有5.5V，而实际电路中的压差达到9V，这会导致运放损坏或性能下降。推荐替代型号：

1. AD8065ARTZ：带宽145MHz，压摆率180V/μs
2. OPA820IDBVR：带宽300MHz，压摆率150V/μs

这两种运放都能满足电路需求，且耐压足够。实际测试中，AD8065的温度表现更稳定一些。

2.4 编码器优化

原设计的编码器存在识别困难和回滚问题，这是因为固件中的去抖算法不够完善。虽然无法通过硬件完全解决，但可以通过以下修改改善：

将编码器相关的滤波电容全部从10nF增大到47nF：

• C108, C109 (通道A滤波)
• C110, C111 (通道B滤波)
• C112, C113 (按键滤波)

修改后，编码器的操作会顺畅很多，但快速旋转时仍可能出现少量丢步，这是固件限制导致的。

3. 其他关键器件处理

3.1 NE5532周边电路

NE5532运放附近的C100和C101电容如果使用原值会导致运放异常发热。有两种解决方案：

1. 将这两个电容改为100pF
2. 直接拆除这两个电容（推荐）

实测拆除后电路工作正常，且运放温度保持在合理范围内。

3.2 TL431基准电压

原设计的R52电阻(2kΩ)值过大，导致TL431在带载时输出电压只有1V左右，无法提供稳定的2.5V基准。需要将其改为100Ω，这样在各种负载条件下都能保持2.5V稳定输出。

3.3 继电器替代型号

如果找不到原型号继电器，可以使用HFD4/5-S替代。这两种继电器的引脚定义和电气参数基本相同，可以直接替换使用。

3.4 保护二极管调整

原设计的TVS二极管SMBJ14CA击穿电压过高(14V)，起不到保护作用。建议改为SMBJ5.0CA(5V)，这样可以在过压时有效保护后端电路。

3.5 AD9288选购要点

ADC芯片AD9288BSTZ-100的选购有讲究：

1. 优先选择"镜面坑"标记的芯片
2. 避免激光打标的产品（问题率高）
3. 不同价格的产品质量差异明显（建议选择中等价位）

劣质AD9288会导致波形拉伸、坐标回滚、画面偏移等问题。我测试过9元和12元的芯片都有问题，后来换了25元的镜面坑版本才解决。

3.6 地平面处理

原设计使用120Ω@100MHz磁珠(L4,L6)连接数字地和模拟地，但实测效果不好。建议：

1. 将磁珠改为0Ω电阻
2. 或者直接用焊锡短路这两个位置

此外，保持完整的地平面很重要：

• 顶层和底层都做铺铜处理
• 多打过孔保证良好接地
• 信号走线尽量被地铜包裹

4. 烧录与调试

4.1 软件准备

需要安装两个开发环境：

1. Keil MDK（用于GD32 MCU）

   • 版本要求：V5.06 update 6 build 750
   • 安装后需要设置CMSIS-DAP调试器

2. Gowin IDE（用于FPGA）

   • 注意安装对应的器件支持包

编译器版本不匹配会导致各种奇怪问题，比如坐标锁定无法调整。如果遇到这类问题，可以尝试重新安装指定版本的编译器。

4.2 GD32固件烧录

1. 打开Keil工程文件
2. 连接CMSIS-DAP调试器（切换到ARM模式）
3. 直接点击LOAD按钮烧录
   • 不需要重新编译（除非修改了代码）
   • 烧录过程约10秒

4.3 FPGA配置烧录

1. 打开Gowin工程文件
2. 点击Programmer按钮
3. 选择"External Flash Mode"
4. 点击Program按钮开始烧录
   • 烧录过程约30秒
   • 完成后FPGA会自动加载配置

5. 测试与校准

5.1 电压测试

上电后首先检查各测试点的电压是否正常：

1. 3.3V（数字电源）
2. 3.3V（模拟电源）
3. -4.5V（运放负电源）
4. 4.5V（运放正电源）
5. 2.5V（ADC基准）
6. 0.625V（偏置电压）

任何一路电压异常都需要检查相应电路的焊接和元件选择。

5.2 波形坐标校准

校准需要修改GD32工程中的platform.c文件，调整以下参数：

// 通道1校准参数 {1.0f, 120, 0}, // 1V/div {0.5f, 120, 0}, // 500mV/div {0.2f, 120, 0}, // 200mV/div {0.1f, 120, 0}, // 100mV/div {0.05f, 120, 0}, // 50mV/div {0.02f, 120, 0}, // 20mV/div {0.01f, 120, 0}, // 10mV/div {0.005f, 120, 0} // 5mV/div // 通道2校准参数（格式相同）

每行三个参数分别是：

1. 电压增益（缩放系数）
2. 0V位置（垂直偏移）
3. 继电器状态（通常为0）

校准步骤：

1. 将输入通道短路到地
2. 调整第二个参数使波形位于屏幕中央
3. 输入已知电压信号（如1Vpp）
4. 调整第一个参数使波形幅度正确
5. 重复各档位

对于没有专业示波器的开发者，可以用可调电源产生校准信号。注意探头要设置在1X档位，10X档位时需要相应调整输入信号幅度。

6. 常见问题解决

6.1 运放自激振荡

在某些特定位置（各档位可能不同）会出现波形抖动，这是运放自激振荡导致的。虽然可以通过调整C100/C101的值改变振荡点位置，但无法完全消除。建议解决方案：

1. 记录各档位的振荡点位置
2. 使用时避开这些位置
3. 必要时轻微调整时间基准避开敏感区域

6.2 波形异常问题

如果出现以下现象，很可能是AD9288芯片质量问题：

1. 波形拉伸变形
2. 坐标回滚
3. 画面整体偏移
4. 一个通道正常另一个通道异常

解决方法只有更换质量好的AD9288芯片，优先选择镜面坑标记的产品。

6.3 编译器版本问题

如果遇到坐标锁定无法调整的问题，很可能是Keil编译器版本不匹配。解决方法：

1. 确认使用的是V5.06 update 6 build 750版本
2. 如果不是，下载对应版本
3. 覆盖ARMCC文件夹
4. 重新编译烧录

7. 优化建议

通过多次测试，我发现以下优化可以显著提高性能：

1. 不分割数字地和模拟地（保持完整地平面）
2. 删除NC的示波器部分电路
3. 缩短通道2的信号走线长度
4. 顶层和底层都做铺铜处理
5. 信号路径用地铜良好包裹

优化后，通道2的采样质量甚至优于通道1，底噪更低，波形更清晰。这对于需要双通道高精度测量的应用非常有用。

复刻这个项目让我深刻体会到硬件设计中的细节重要性。从电源设计到信号路径，从器件选型到PCB布局，每个环节都可能影响最终性能。希望这些经验能帮助其他复刻者少走弯路。