（测试计量技术及仪器专业论文）手持宽带数字存储示波器关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 本文以 某型号高性能手持宽带数字存储示波器的设计实现为背景，介绍了 示波器的 一般技术和理论，深入全面的阐述了设计手持式宽带数字存储示波器需要用到的各种先 进理论和关键技术，并应用这些理论和技术以 t ms 3 2 0 v c 5 5 1 0为核心实现了带宽 2 0 0 m h z ，等效采样率高达s g s p s的 某型号手持式数字存储示波器。该数字存储示波器 还设计了异步串 行通信接口与微机互连，编写了 计算机端应用程序使其与通用计算机共 同构成了一套具有强大数据处理能力的虚拟仪器。 高速采样理论及实现方法是设计宽带数字存储示波器的关键。本文结合实际应用分 析了几种先进的等效采样理论;对设计中无失真再现不同频率信号用到的多采样率变换 数字信号处理技术进行了研究。 本文阐述的d s o关键技术还包括: 宽带模拟前端的实现、 基于软件的 余辉显示技术、 虚拟仪器实现技术等。 另外，在具体的软硬件设计中采用了不少关键技术。例如:使用两片采样速率为 l 0 0 ms p s 的流水线式a d c 差拍并行采样实现了2 0 0 m s p s 的 超高速实时 采样; 有效管理 输入输出以使键盘命令得到及时响应， 波形等信息得到正确显示; 合理设计对f i f o数据 读写的流程以得到作为正确显示基础的原始采样数据;以 及软件实现的判触发、包络检 测、滚动显示、参数测且等技术。 关键字: 数字存储示波器 救字信号处理器 超高速数据采集 虚拟仪器 一_ 国防科学技术大学研究生院学位论文 abs t ract o n t h e b a c k g r o u n d o f a k i n d o f h i g h p e r f o r m a n c e h a n d h o l d b r o a d b a n d d s o , u n i v e r s a l t h e o ry a n d t e c h n o l o g y i s p r e s e n t e d a n d v a r i e t i e s o f a d v a n c e d t h e o r i e s a n d k e y t e c h n o l o g i e s t h a t a p p l i e d t o t h e d e s i g n o f h a n d h o l d b r o a d b a n d d s o a r e e x p o u n d e d i n t h i s t h e s i s . a l s o , a c e r ta i n m o d e l h a n d h o l d d s o i s a c c o m p l i s h e d w i t h t ms 3 2 0 v c 5 5 1 0 o f t i c o r p o r a t i o n a s t h e c e n t r a l p r o c e s s o r . t h e d s o a c h i e v e d t h e b a n d w i d t h o f 2 0 0 mh z a n d i t s e q u i v a l e n t s a m p l i n g r a t e c a n re a c h 5 g s p s . a s y n c h r o n o u s c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e i s d e s i g n e d t o in t e r c o n n e c t t h e d s o w i t h p c s a n d v i r t u a l i n s t r u m e n t a p p l i c a t i o n s a re p r o g r a m m e d t o g u a r a n t e e t h e v ir t u a l d s o g a i n p o w e r f u l c a p a b i l i t y o f d a t a p r o c e s s i n g . b e i n g t h e k e y p a r t o f b r o a d b a n d d s o , h i g h - s p e e d d a t a s a m p l i n g t h e o r i e s a r e s t u d i e d a n d e q u i v a l e n t d a t a s a m p l i n g t h e o r i e s a r e a n a l y s i s a n d c o m p a r e d . t h e m u l t i r a t e t r a n s f o r m t h e o ry i s s t u d i e d h e re b e c a u s e it i s u t i l i z e d t o r e c o n s t r u c t t h e w a v e f o r m o f d i ff e re n t fr e q u e n c i e s s i g n a l s w i t h o u t d i s t o r t i o n . a s k e y t e c h n o l o g i e s o f d s o , t h e i m p l e m e n t o f b r o a d b a n d a n a l o g c o n d i t i o n e r , t h e p e r s i s t e n c e d i s p l a y t e c h n o l o g i e s b ase d s o ft w a r e a n d t h e r e a l i z a t i o n s o f v i r tu a l i n s t r u m e n t t e c h n o l o g i e s a r e d e s c r i b e d t o o . a t t h e s a m e t i m e , m a n y i n n o v a t i v e t e c h n o l o g i e s a r e u t i l i z e d t o t h e p r a c t i c a l d e s i g n o f h a r d w a r e a n d s o ft w a r e . f o r e x a m p le , t h e 2 0 0 ms p s r e a l - t i m e s a m p l i n g r a t e i s a c h i e v e d b y u t i l i z i n g t w o a / d s w it h o r t h o g o n a l s a m p l e , w h i c h h a v e 1 0 0 ms p s - s a m p l i n g r a t e . ma n a g i n g t h e i n p u t a n d o u t p u t e ff e c t i v e l y m a k e s t h e s y s t e m re s p o n s e t o t h e k e y b o a r d i n t i m e a n d d i s p l a y t h e w a v e f o r m s c o r r e c t l y . t h e t r i g g e r j u d g m e n t , e n v e l o p e d e t e c t i n g , r o l l i n g d i s p l a y , a n d t h e a u t o m a t i c m e as u r e m e n t o f a ll k i n d s o f p a r a m e t e r s a r e a c c o m p l i s h e d b y s o ft w a re . k e y wo r d s : d i g i t a l s t o r a g e o s c i l l o s c o p e , d i g i t a l s ig n a l p roc e s s o r , h i g h - s p e e d d a t a a c q u i s i t i o n , v i r t u a l i n s t r u me n t - 一 一 一x 11 t 一 一 一 一 - - 一 一 一 - 一 一 一 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章 绪论 肠 1 . 1课翅研究的背景及意义 互 1 . 1 . 1 科技的发展对示波器的性能提出 新的要求 科学技术的迅猛发展向测试领域提出 越来越高的要求。 2 0 世纪7 0 年代以 来， 计算机、 微电 子、通信等技术日 新月异的发展， 推动了 作为电 子工业基础的 测试技术及仪器的不 断进步， 相继诞生了智能仪器、 p c仪器、 v x i 仪器、 虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机 化仪器及其自 动测试系统，计算机与现代仪器设备间的界限日 渐模糊，测盘领域和范围 不断拓宽。 网 络技术的 发展又 促进了网 络化的 测盈技术与具备网 络功能的 新型仪 器的 产 生。 计算机和通信的会聚已奇迹般地重新定义了对极端数据带宽的要求，它需要测试和 测量仪器的 性能 具有新的 水平. 在当 今的电 子 和通信领域， 时 钟频率越来越高， 需要测 试的信号和测试环境越来越复杂， 信号的定时和抖动等不仅带来了高 速测试技术的发展 和各种高性能的专用通信测试设备和系统的出 现，也对传统和通用测试设备的基本性能 指标如示波器的采样率、带宽、 刷新率、 存储深度等提出了 更高的要求. 随着测试和测量领域中 计算机技禾的不断渗透，仪器系统中 将更多地采用目 前流行 的总线类型，未来的测试仪器将由测试硬件加上混合 v 0接口 组成。同时，自 动测试接 口技术将进一步发展和扩大应用，并可能在技术上有新的突破。新型的示波器往往设计 有r s 2 3 2 . g p i b 或者先 进的u s b 接口 ，以 满 足与微机或其 他仪器通信的 需 要. 同时，伴随着科技 “ 以 人为本”的发展趋势，仪器的智能化、易用性、多功能、微 机化成为产品 研制开发中必须考虑的因素。 仪器通过各种接口 被计算机控制，并且利用 计算机的强大功能和内 存来扩展仪器的功能， 各种测试软件层出不穷，它们不但具有强 大的测试分析功能还拥有友好的人机界面， 使仪器易于控制使用且扩展了 仪器功能。 这 些应用软件和仪器的驱动程序以及仪器硬件共同构成了虚拟仪器。从某种意义上说，虚 拟仪器是现今仪器的发展趋势. 技术密集化和更加严格的标准是测试仪器面临的新课题，微控制器和存储器的小型 化，以 及新技术的不断商品化，为手持式测试仪器的发展注入了 新的动力，使手持式仪 表的发展日新月异。先进的电源技术、显示技术配合集成化低功耗芯片和电路的低功耗 设计为手持 及便携式仪 表设备的 研制 开发提供了 便利条件。 另外， 嵌入式技术的 发展使 得测试系统更加集约化. 采 用 稳定的能 够与 多 供 应商、 多 接口 和多 平台 系 统协同 工 作的 软 件构 架使 系 统 在 有 效寿命期间的软硬件投资得到保护。 - 一一 -一一份矿1 -一一曰一一一一甲一一 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 . 1 .2课题来源及研究意义 本课题来源于我单位与江苏绿扬电子仪器有限公司的外协项目 “ y b 4 4 8 5 手持式宽带 数字存储示波器，o 当 前， 数字存储示波器 ( d i g i t a l s t o r a g e o s c i l l o s c o p e ) 技术已 经成为示 波器设 计的 主 流。 d s o的基本思想是通过先进的数字化测试技术高速采样或高精度a i d变换， 将 信号波形数字化，然后对数字化后的结果进行存储、处理并显示。 d s o在波形的记录、 分析和比较方面，都比传统的模拟示波器有很大的改进。 手 持 数 字存 储示 波 器 ( h a n d h o l d d s o ) 是 应 工业 现 场 和野 外实 验等 情况 下 测 试 与设 备 检修的需要而产生的。它在要求完成测试任务的同时必须具有小体积低功耗的特点，在 不损失性能的前提下， 对系统的 集成化提出了要求。 同时该示波器设计要求达到2 0 0 m h z 的带宽，可以实现2 0 0 mh z 的实时采样率和5 g h z 的等效采样率，对硬件设计和软件算 法同时提出了高要求。 以生产手持式d s o著称的f l u k e 公司生产的1 9 0 系列手持式d s o 带宽也是 2 0 0 m h z ， 该课题设 计的 如此离性能的手持 式数字 存储示波器达到了 国际 先进 水平。配套开发的通信接口、驱动程序和虚拟仪器应用软件将充分满足现场测试和野外 试验的需求。 该系统采用通用芯片开发而成，系统的 设计充分体现了手持式仪表的高性 价比要求。 这种产品的优势非常明显， 需求旺盛，目 前国 外已 有此类产品，但价格较贵， 因此 研制 高 档 的 国 产 化 芋 持 式 数 字 化 测 试 仪己 迫 在 眉 睫。 该 示 波 器的 设 计 完 成 将 推 动 我国 手 持式高性能宽带测试仪器的 发展， 填补国内空白，为改变我国电 子技术总体相对落后于 国外的现状做出贡献，为我军武器装备的电子化、信息化做出贡献。 肠 1 . 2电 子仪器新筱念引导d s o的设计理念 当前仪器的发展趋势包括三大方面:一是仪器的先进性。首先从仪器本身的 硬件指 标来看，灵敏度和精度越来越高，动态范围 越来越大;其次，从仪器的功能 和测量能力 来说， 越来越多的仪器 更喜欢集多种功能于一身， 借以实现综合测试。二是仪器与计算 机技术的融合。 在仪器结构方面， 业界提出了w i n t e l 概念， 即win d o w s 的界面加上i n t e l 的c p u ，这就使得当二者的技术各自 发展的时候，仪器可分别随之更新，从而研发周期 短、 响应快。 采用wi n d o w s 菜单的界面更加友好， 可以像在普通电脑上那样用鼠 标控制， 同时，还可方便地借助w i n d o w s o ff i c e 的各种软件进行操作，比如把从示波器中 捕获的 图形抓到w o r d 中， 或用e x c e l 对测量的数据进行后处理。 过去仪器设备说明书的概念将 被抛 弃， 取 而 代 之 的 是 像w i n d o w s 那 样的h e lp 菜单， 用户即问 即 答、 一目 了 然， 为 语言 在本地的汉化也扫清了障碍.在未来的仪器中还要增加两项新的功能:触摸屏和语音控 制，更能与互联网相连，以便所有仪器的更新可以 直接上网寻求信息，进行软件的升级 和下载。比如尼高力公司的v i s i o n 频谱分析仪就具有良 好的类似w i n d o w s 的界面，可以 直接与鼠标和计算机键盘相连进行操作。另外，现在的仪器更多使用的是采用标准软件 一一一 一 一 一， s 2 x一一 国防科学技术大学研究生院学位论文 接口的wi n d o w s 操作软件，来代替以前强调的固化软件，未来仪器和计算机的联系也将 会日 趋紧密， 业界认为设备上应当具备计算机的所有接口， 比如说u s b接口、 标准并口、 局域网接口等，测量的数据也应可以 存入软盘、光盘保存，这样的测最仪器使用起来似 乎更像一台简易电脑。齐备的接口 帮助将仪器的各个部分模块化，只须具备一台 主机， 其它的部分诸如信号发生器、 信号响应仪等通过插卡与主机相连，从而形成一个测试系 统。三是软硬件的界限更加模糊。这里已有了两种类型:a d 十 d s p 十 软件，以及仪器与 e d a的结合. 可以 预见采用w i n t e l 仪器结构开发， 成本必然很高、技术复杂得多，以目 前的技术 还不适用于高性价比的手持式仪器的开发。 所以 就我们研制的y b 4 4 8 5 来说， 采用wi n t e l 的仪器结构显然是不合适的。但是我们却可以应用虚拟仪器技术，利用计算机资源来实 现具有wi n t e l 结构的仪器所具有的功能. 互 1 .3国内 外商端示波器发雇现状 随着微电子技术、高速数字化技术和高速存储技术等客观条件的不断成熟，使数字 存储示波器的成本不断下降，带宽、取样速率、存储深度不断扩展。数字存储示波器现 己 成为示波器的主流产品. 另外， 泰克公司推出了新的 数字荧光示波器。 ; 1 .3 . 1高端台式机的先进性能 处于测试、测量和监测解决方案领导地位的制造商泰克公司于 2 0 0 2年初推出的 t d s 6 6 0 4 d s o ， 是 泰克 推出 的 第二 代 采用高 性能 硅 锗( 基 于 s ig e ) 技 术的 仪 器， 它的内 部 结构从以往的宽并行总线结构过渡到千兆位数据速率的窄点到点串行总线结构。它是一 种四 通道实时仪器，提供了6 g h z 带宽， 支持6 g h z 的单次采集， 在两条通道上同时实现了 2 0 g s / s 的采样速率。 t d s 6 6 0 4 的出 现， 重新界定了 示波器带宽标准， 解决了 信号完整性 的挑战。 泰克新品t d s / c s a 8 0 0 0 系列示波器带宽高达5 0 g h z . 8 0 0 0 b系列主机增强了经过 验 证的8 0 0 0 系 列 平台 的 性 能. c s a 8 0 0 0 b 提 供了 最多 八 条 通道 ( 最 多 两条 光 通 道和 八条电 通道的组合) ，它可以 配置成满足当前运行的1 5 5 m b / s 到4 0 g b / s 的任何常用光数据通信 和电信数据速率。t d s 8 0 0 0 b满足了微处理器总线系统毛电子互连和电信设备中使用的 高速电阻抗特点测试 包括时域反射计) 需求. 互 1 .3 .2手持数字存储示波朋发展现状 美国 f lu k e公司是国外手持数字存储示波器开发的较好的厂家，其出产的 f l u k e s c o p e m e t e r 1 9 0 系 列 数字 手 持 示 波器， 带宽2 0 0 m h z , , 隔 离的 输 入可 达 1 0 0 0 v， 实 时的 采样速度最大每个输入2 . 5 g s / s ， 即 触即 测 ( c o n n e c t - a n d - v i e w ) 触发方式， 双通道完全隔 离输入 1 0 0 0 v c a t 1 1 / 6 0 0 v c a t i i i ) ，非常好的纠错功能，自 动存贮与回放1 0 0 屏波 形及2 7 , 5 0 0 个点的示波器记录 模式等等。 除了 示波器本身外， 该设备还包括真正的r ms 一 一甲一份一一-一荡泞矿一一一一一一一甲 国防科学技术大学研究生院学位论文 数 字万 用表 和 无纸 记 录 器。 新的s c o p e m e t e r 1 9 0 c 系 列产品 全彩 色数 字余 辉示 波 器， 在 不减少电 池寿命的前提下， 提供了1 4 4 m m全彩色液晶显示、 数字保持和快速显示更新速 度的新特点，脉宽调制信号测试功能，另外还有许多查错的特点.它进一步满足了使用 者的特定要求。 1 .3 .3一种新的示波器平台 数字荧光示波器 1 . d p o的先进性 数 字 荧 光 示 波 器d p o ( d ig i t a l p h o s p h o r o s c i ll o s c o p e s ) 是t e k tr o n ix 公 司 新 推出 的 一 种示波器 平台， 它具有数字存 储示 波器d s o ( d i g i t a l s t o r a g e o s c i l l o s c o p e s ) 的 各 种传统 优点， 从数据存储到先进的触发功能， 样样俱全。同时， 它也具有模拟实时示波器a r t ( a n a l y z e d r e a l t u n e )的明 暗显示和实时特性，能以 数字形式产生显示效果优于 模拟示 波器c r t ( c a t h o d e r a y t u b e ) 的 亮度 渐次 变 化的 化学荧光效果。 新一代数字荧光示波器 ( d p o ) 有别于d s o的 信号存储与处理的串 联工作方式， 采 用并行工作方式，以接近于示波器触发速率来采集波形数据并送到存储阵列。 d p o所提 供的波形信息比d s o高出 两个数量级。 d p o不仅与d s o一样具有数据存储功能，而且 同模拟示波器相类似，能实时显示连续信号。它们不仅可实时采集，而且还能在三维坐 标系 ( 幅 度、 时间 和幅 度随时 间的 分布 ) 中 进行信号分析， 支持对采样信号 包括瞬 变信号 作 动态插值。 测试人员 还能研究事件发生频率和完成信号的统计。 d p o不仅具有a r t示波器的实时明暗度无混叠显示能力，而且有d s o的自 动测量 及波形存储功能， 在避免二者不足方面， 还有很大的改进. 主要表现在: ( 1 ) 快速波形捕 获速率和超强显示能力. ( 2 ) 连续高 速采样能力. 通常 d s o因处理显示数据在显示两幅波形之间有 8 m s的停滞时间，即使采用了 in s t a v u tm采 样技 术的d s o 这 一时 间 也 只能 降 低到1 .7 u s , a r t 示 波器 在回 扫时 间内 也 不能捕捉波形信息而d p o能始终以最高采样率对几十万幅波形连续采样， 克服了 其它示 波器存在的 停滞时间问 题. d p o的采样率很高，因 此允许示波器有更大的带宽。 2 . d p o的工作原理 数字荧光示波器的核心部件是由专用集成电路 ( a s i c )构成的 d p x波形成像处理 器。 与d s o一样， 输入信号首先经放大和a / d变换后得到信号的 采样值， 采样值经过 d p x波形成像处理器的处理后形成一幅具有5 0 0 x 2 0 0 像素、 包含波形三维信息的完整波 形 图 ， 在 不 间 断 捕 获 过 程 的 情 况 下 ， d p x 成 像 处 理 器 每 秒 向 波 形 显 存 储 器 发 送3 0 幅 波 形 图， 在 微处 理器的 控制下， 根据显示 存储器的内 容， 在显示 屏上得到 采集到的 波形图. 实现 “ 信号数字化一图形化、显示” 这样一种波形显示方式。与此同时， 微处理器以 并 行方 式 执 行自 动 测 童 及 运 算功 能。 由于d p o的数据采集和显示体系分别独立运行， 使得示波器能够在处理显示所需数 据的同时， 保持最高波形捕获速率， 这意味着示波器能不间断地捕捉波形的 所有细节。 第 曦页 国防科学技术大学研究生院学位论文 d p o工作时以最大速率连续采样，利用采样之间的最小时间间隔生成一幅幅的波形 图， 像a r t示波 器一 样 ( 由 于d p o应用深 度三维数据库保存灰度信息， 过去的 波形 信 息并不丢失) ，可以观察到长时间内信号的变化情况。 与 1 . 4几种用于改进d s o性能的先进技术 尽管d s o的自 动测a和波形存储功能曾令许多工程师赞叹不己， 但是由于设计原理 导致了d s o的一些先天的 缺点。 例如: d s o在测盘具有低频调制的高频信号时， 由于其 无法克服的 混盈失真问 题， 会产生谬之千里的 显示结果， 此时就只能选用a r t ( a n a l y z e d r e a l t im e ) 示波器或先进的d p o示波器。 针对d s o设计中的的种种具体细节， 世界上各 著名仪器设计制造商绞尽脑汁，提出了各种用于改进行性能的方法和技术. 1 . 硅锗技术给测试测t仪器的实时高速带来新的 突破。 上世纪九十年代， i b m开发 了 一 种新型的s i g e i c技术来弥 补逐 渐增长的 市场需求 和逐渐达到极限的 双极性硅技术 能力之间的间隙. s i g e 能够在比 双极型硅速度高的 情况下提供精密的性能而没有明显的 缺点。 事实上， 在仪器应用方面，它能提供的潜在性能涉及微波带宽， 而且s i g e 还保持 了 在测试和测皿设备中 所据要的较高的集成度。与类似功率电平双极型硅相比， 在增加 速度的同时， s i g e 还能提供低噪声的 性能. 几年前， i b m和泰克公司的合作成功地利用 硅锗技术( s i g e ) 开发出 世界上最快速的实时示波器。 示波器内 部的s i g e 技术给设计工程 师在调试、 检验和鉴定时带来了 极大的便利，它也帮助设计工程师针对下一代设计中 会 遇到的较高的数据率保持步调一致， 特别是在全球通信、半导体、计算机和互联网技术 的 需求 领域中。 例如， 基于s i g e 技术的 强大的 采集能 力， 可以 获 得和分析高 速通信应用 中关键的、 至今最细微的抖动。 利用示波器的荃于s i g e 的 采集， 就有可能使用超级定时 精度，方便而有把握地观察到不是故意的调制以及这些晶体的周期稳定性。 2 . i n s t a v u tm采 样 技 术 。 泰 克 公 司 于1 9 9 4 年 提 出 该 技 术 ， 它 将 高 速 数 据 存 储 器 和 高 速扫描结合起来从 而获得了 来 集性能的 根本改 进.以 该方式从采集系统获得的 数据是许 多触发采集样本的完整的扫描图像.通常 d s o 因处理显示数据在显示两幅波形之间有 8 m s 的 停滞时间， 而采用i n s t a v u tm采样技术大 大减少了由 于 数据处理占 去的 死区时间 ( d e a d t i m e ) ， 有效的提高了 捕获偶发事件的概率， 使得显示两幅波形间的停滞时间可以 降 低到i 7 u “ . 3 .泰克公司应用于数字荧光示波器的d p x技术。数字荧光示波器的核心部件是由 专 用集 成电 路 ( a s i c ) 构成的d p x波形 成像处理 器。 d p x由 数据采集器和 称为数 字荧 光 器 的 动 态 三 维 数 据 库 组 成 ， 它 将 光 栅 化 功 能 与 快 速 波 形 捕 获 速 率 有 机 地 结 合 在 一 起 ， 以5 0 0 x 2 0 0 整数阵列累积信号信息， 阵列中的每一个整数都代表d p o显示中的一个像 素，其数值的不同导致显示像点的亮度或色彩不同。 随着信号不断地采样，这一阵列也 不断得以 更新。 但与d s o 不同，一个显示周期 ( 一幅波形图) 完成后， 新显示周期的采 样值并 不冲掉上次显示周期的 数据。 如果两次 采样值 具有相同 的显示点， 则只改 变对应 第 5页 国防科学技术大学研究生院学位论文 阵列点的值，这样多幅波形图就可累积显示.当多幅波形图导致的显示点不同时，阵列 中各点的数据就不同，因此波形显示亮度最高，偶尔出现的其它波形信息会以较低亮度 得到显示。 4 . 力 科公司的x - s tr e a m技术 使得 快速分析长而复杂的 波形成为可能. x - s tr e a m技 术是一种极快速的数据流结构，它特别适合数字示波器处理和分析数据，即使数字示波 器 正 在 进 行 复 杂 的 波 形 测 量， 它 也 能 保 证 大 量 数 据的 传 输， 使工 程 师 工 作 更 快 捷， 更 有 信心精确地测量出信号的特性，并诊断出 细微的问题。x - s tr e a m 结构的前端是由s i g e 放大器及模数转换器开始， 它能处理输入的信号及在4 个通道上以1 0 g s / s 的采样率把信 号数字化， 并将数据传向高速c mo s 储存芯片， 该芯片能以i o g b / s 的速度接收并处理高 达4 8 m b的被采数据。高速采集储存器是力科公司拥有专利权的独家设计，可完成多种 工 作，以 实时 的 数据 流 模式 将该 数 据 传 输 至c p u ， 以 奔 腾处 理 器的s tr e a m i n g 技 术 处 理 数据。 指令及运算在c p u c a c h e 内 部取出 和执行的 速度比 在r a m中高出1 0 - 1 0 0 倍。当 第一包数据到达c p u后， 大量的显示、 测量和分析程序可被调用。 有了x - s tr e a m技术，, c p u 在分析长而复杂波形的最初部分时， 信号的其余部分仍然可通过x - s tr e a m结构传输。 虽 然 x - s t r e a m结构以支持数据流传输模式并能处理长而复杂信号的硬件为基础， 但 x - s t r e a m的强大功能及速度更多来自 于软件的算法。该算法允许数据包及分析程序能同 时驻留 在微处理器上的高速缓冲存储器内。 这样就能克服长储存及高速运算的矛盾， 力 科 公 司 的w a v e m a s t e r 系 列 示 波 器 就 是 以 此 技 术 保 证 了 分 析 波 形 的 速 度 比 以 往 的 示 波 器 快 1 0 - 1 0 0 倍。 5 . 低电 压 差 分 信号l v d s ( l o w v o lt a g e d i ff e r e n t ia l s ig n a li n g ) 技 术 是9 0 年 代 初由 美国 国 家半 导体 率 先推出 的. 这 种技 术 充 分 利 用 新一 代的 低功 率c m o s工艺 技 术，以 便为不同市场的不同 应用方案提供一个速度高、功率低的差分接口。 l v d s是一种小振 幅差分信号技术， 使用非常低的幅度信号( 约3 5 0 m v ) 通过一对差分p c b走线或平衡电 缆传输数据。它允许单个信道传输速率达到每秒数百兆比 特，其特有的 低振幅及恒流源 模 式 驱 动 只 产 生 极 低 的 噪 声， 消 耗 非 常 小 的 功 率 。 同 时 ， l v d s 也 是 对 高 速 / 低 功 耗 数 据 传输的一个多任务接口 标准，在a n s i/ t i a / e i a - 6 4 4 - 1 9 9 5 标准中被标准化。 d s o技术涉及微电子制造技术、 数据采集原理、 显示技术及原理等非常广泛的 领域。 不 断 发 展 的 应 用 于d s o的 新 技 术 还 有 很 多 ， 例 如a d公 司 应 用 于 高 速a / d的 专 利 技 术 m a g a m p 技 术; 安 捷 伦公旬 和h p 公司 用 来 解决 深 存 储的响 应 性问 题的m e g a z o o m技术 等， 它们都试图 在提高d s o信号捕获和数据处理方面的 优势的同时获得与a r t相媲美 甚至更好的实时显示和刷新. 奋 1 .5本文的 研究内 容 数字存储示波器技术涉及很多方面，例如:模/ 数变换技术、超高速数据采集技术、 显 示 技 术 等 。 本 文 将 结 合 具 体 的 手 持 式 宽 带 数 字 存 储 示 波 器 的 设 计 实 现 研 究 以 下 几 项 与 一一 z 6 a 户，份一一一一一-一一 国防科学技术大学研究生院学位论文 提高示波器性能密切相关的关键技术: 1 、手持宽带数字存储示波器的总体设计 本文在第二章首先对系统研制工作的需求关系、关键技术点和难点做了分析，并提 出了该手持宽带 d s o的总体方案设计. 超高速实时数据采集系统的硬件设计是整个系统高性能设计的基础。本文以两片最 高转换速率为 l 0 0 ms p s 的流水线型a d c差拍并行采样实现了2 0 0 ms p s 的转换速度。 基 于处理器运算速度、处理能力以及功耗的综合考虑， 选用 t ms 3 2 0 v c 5 5 1 0 作为处理器来 完成整个系统的控制。 本文对超高速等效时间采样方法进行了研究。 y b 4 4 8 5 手持式宽带数字存储示波器要 求2 0 0 m s p s 的实时 采样速率、5 g s p s 的 超高 速等效时间采样速率， 如此高的 采样速度， 在选择可实现的等效时间采样方法上有难度， 对等效时间采样理论的研究提出了要求。 本文对几种等效采样方法进行了分析讨论，并提出了适用于该示波器的可行方案。 主 d s p与显示模块高速数据传输的接口设计是使信号波形得到及时再现的重要保 证。该示波器选用了同是t i 公司的t ms 3 2 0 v c 5 4 0 9 作为显示模块处理器， 采用主d s p ( t ms 3 2 0 v c 5 5 1 0 )和显示模块 d s p ( t ms 3 2 0 v c 5 4 0 9 )同步串口互联，并合理设计主 d s p与l c d显示模块的接口 协议及流程，实 现了 数据采集d s p与l c d显示模块d s p 之间的高速数据传输。 2 、系统软件设计 软件是系统能正常工作的核心，该系统软件除了 控制协调硬件资源外，还要实现键 盘与显示的管理、实时触发的判定、参数测量、包络检测、余辉显示等功能。本文将阐 述系统软件的总体设计流程，对基于软件的余辉显示原理作出了讨论。出于简化硬件电 路设计的目的，该示波器用软件来实现多采样率的变换，配合硬件来实现一个时基对应 一个采样率。 因此， 本文还论述了多采样率数字信号处理方法及在该系统设计中的应用。 3 , 虚拟仪器技术 顺应电子仪器的发展趋势，该示波器设计了r s - 2 3 2 c接口用于与计算机进行通信， 以借助计算机的强大资源实现仪器功能的扩展。相应的开发了仪器的驱动程序以及模块 化、开放性的虚拟仪器应用软件，用户通过友好的界面可方便的实现强大的数据处理功 育 旨 。 第 7页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章 手持宽带d s o总体设计与关键技术分析 2 . 1需求分析 我们设计的手持数字化测试仪是一种新型仪器系列的开端，首期研制的仪器功能以 数字存储示波器为主。根据合同要求，仪器的指标和功能应不低于国际同 类仪器的主要 指标， 而且应具有较高的性价比，这对研制工作提出了 较高的要求。 1 . 系统需要研制的目 标 我们研制的 y b 4 4 8 5 2 0 0 m h z数字存储示波器以 t i的低功耗数字信号处理器 t ms 3 2 0 v c 5 5 1 0 为测量、控制和信号处理核心，能以 最高实时2 0 0 m h z 的速度对两通道 输入信号并行采样，而且有对2 0 0 m h z 的宽带重复周期信号进行5 g h z的等效采样的功 能。 示波器以l c d 3 2 0 * 2 4 0 为显示屏，分三个显示区:主显示区、菜单显示区和动态显 示区， 可以以图形模式实时显示采样波形， 或事后处理、 显示，我们的仪器中选用t i 的 t ms 3 2 0 v c 5 4 0 9 为显示处理器，由 它接收主处理器的 命令和数据，并把数据转换成相应 的图形模式进行显示。仪器选用一个3 4 键的键盘为输入接口，设计一个键盘控制电路， 接收键盘输入并传送给主d s p 。与计算机的通信接口为r s - 2 3 2 ，通过它可以与计算机或 其它仪器进行信息交互。 通过购买t i 公司的硬件仿真器进行程序下载和系统调试。系统 框图如图2 . 1 所示。 图2 . 1系统框图 一 一一一一一一一98 x一一一一一一 国防科学技术大学研究生院学位论文 2要达到的主要技术指标 . 带宽:2 0 0 mh z 双踪 . 输入灵敏度:5 m v -5 v / d i v( 开路噪声不低于f l u k e l 9 9 样机指标) 1 m v 2 m v / d i v ( 到2 0 m h z ) 辨率 、8 b i t . 最大输入电 压: 4 0 0 v d c 十 a c p e a k ( - 1 k h z ) . 采样率:实时采样每通道2 0 0 ms p s ，等效采样:每通道5 g s p s . 时基范围:2 n s / d iv -5 0 s l d i v , 1 - 2 - 5 步进分3 2 个量程 . 记录方式:事件，连续 . 最大记录长度: 2 k / c h( 事件) 、 3 2 k / c h ( 连续) . 单次脉冲捕获:2 0 n s . 触发系统自 动设定 . 触发方式:自动，单次，边沿，预先，延迟视频场、视频行 县 2 . 2系统研制工作的难点与技术关健点分析 由图2 . 1 的y b 4 4 8 5 d s o的系统框图可以 清楚的 看到，该系统由以 下几部分构成: 高速采集模块、由控制器和微处理器配合系统软件构成的测量与分析模块、显示模块; 此外，仪器硬件、仪器通信接口和p c机共同构成了该系统的虚拟仪器部分。 1 . 技术关键点分析 示波器的所有相关技术都归结为尽可能无失真的再现所有性质的信号波形，为测试 者最大限度的提供所需要的信号波形的真实信息。 1 、超高速采样理论及应用。 我们知道， 数据采集系统的采样率越高， 就越能准确的再 现信号波形，我们所获得的波形信息就越多. 无失真再现信号波形的最本质技术是提高 示波器的有效带宽，满足对各种频率尤其高频信号测试的需要。示波器的有效带宽取决 于其最高数字化速率和显示恢复技术。 从本质上提高采样速率有赖于先进的硬件设计和 超高速采样理论的应用和实现。 2 、宽带模拟前端设计和合适的探头选取. 要完成对被测信号的测量， 必须使用探头将 信号安全、可靠、 无衰减、无干扰地引入到示波器。探头的带宽必须比示波器的带宽宽 得多以 保证足够的系统带宽。探头尖端的接地线必须和被测电路连接从而保证很好的屏 蔽。 宽带模拟前端的设计是整个系统设计的基础， 如果系统模拟前端的带宽达不到要求， 信号通过模拟前端后已 经产生失真， 即使系统的采样速率相对于信号的最高频率足够高， 示波器也是无法完成测量任务的。 3 超高速实时采集系统设计。 这是整个系统设计的核心， 涉及到到模数变换技术、 高 速缓存的管理、智能 触发以 及采集模块与显示模块的高速数据传输等技术。 4 、数字信号处理技术: 多采样率变换 抽取和内 插。 采用多采样率变换数字信号处 理方法是由该手持式示波器硬件设计的特点所决定的。该示波器采用了基于软件的多采 - 一一 -一 %9 3 一一一一一一一一一一一一一一一 国防科学技术大学研究生院学位论文 样率变换方法配合硬件的方案来实现一个时基对应一个采样率。 5 、随着p c机功能的日 益强大和普及， 利用p c机资源来增强仪器功能成为一种仪器 发展趋势。设计基于该示波器的虚拟 d s o ,需要开发仪器与 p c机的通信接口，编写仪 器驱动程序、设计虚拟示波器应用软件。 数字存储示波器的技术涉及很多方面，本文将重点讨论该示波器设计中实际应用到 的几种与提高示波器性能密切相关的理论或技术。首先将在本章阐述超高速数据采集理 论和超高速数据采集系统的设计及相关技术;第三章将论述软件设计技术和几种用软件 实现的相关技术，包括多采样率变换数字信号处理方法和基于软件的余辉显示技术等。 第四 章将对基于异步串口 的y b 4 4 8 5 d s o的虚拟仪器的 仪器通信接口 设计、仪器驱动程 序设计和p c机虚拟仪器应用软件设计详加论述。 2 . 系统硬件研制工作的难点 1 , 2 0 0 m s p s 实时采样、 5 g h z 超高速等效采样: 随 着v l s i 技术与工艺的发展，单片 a d c的采样速率已 达到2 g s p s ，但价格昂贵且对中国市场有限制，在我们的系统中，小 体积、 低功耗、 低成本等要求综合限制了器件和电路板的设计， 在此条件下要实现2 0 0 mh z 实时、 5 g h z 等效采样，如此高的采样速度必然会带来器件选择、结构设计、精确的时序 控制等系列难题。 2 ,高速电路的干扰问题: 在印刷电路板上实现工作频率高于2 0 0 mh z 的高速数字模拟 电路时， 如果电路元件和走线布局不合理， 就会产生电 磁干扰和反射; 尤其电路中模数混 合，设计不当会严重降低系统性能。 3 、小体积、 低功耗、 低成本: 体积小、 器件多， 速度高， 布局和走线都有相当的难度。 低功耗: 手持式仪器由电 池供电， 要求选用低功耗的器件， 而大多数的高速器件都是很耗 电的， 在众多的a d c器件中， 低功耗的器件选择的余地相当小。 价成本格限制器件选型。 4 ,高速实时触发: 2 0 0 m h : 的实时触发， 无论用数字还是用模拟电路来实现都有相当 难度。 5 、先进性: 为了保持系统的先进性和独特性， 我们选用了性能极佳、 在国外的便携式 仪器和通信设备中倍受青睐的处理器 t ms 3 2 0 v c 5 5 1 0 ，但由于应用它需要很高的工艺和 技术水平，国内仅有 1 2家通信公司使用，这样我们设计的手持式示波器在国内的先进 性己不言而喻了，但这样系统设计要求的技术难度也很高。 2 .3手持宽带d s o的总体方案设计 本系统设计的基本指导思想是，实用、可靠、经济、先进原则，不仅要保证系统能 满足应用需要，而且方便系统扩充与升级。根据本系统功能多、体积小、性能复杂的特 点 ， 尽 量 采 用 多 功 能 器 件 ， 能 合 并 的 尽 量 合 并 ， 能 集 成 的 尽 量 集 成， 能 用 软 件 实 现 的 就 不用硬件方案。 系统的总体方案原理框图如图2 . 2 所示: 一 一，一蓄不i t 一，一一一一一一一一-一一一一 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) ( 1 0 ) ( 1 1 ) 圈2 .2系统总体原理框图 系统采用t i 公司最新的极低功耗器件t ms 3 2 0 v c 5 5 1 0 ( 0 . 0 5 m w/ n ii p s ) ，该 芯片继承了t i 公司的较成功