（测试计量技术及仪器专业论文）100mhz数字存储示波器型号样机研制.pdf

1 0 0 m h z 数字存储示波器型号样机研制 摘要 本次课题的具体目标是实现t 0 0 m h z 带宽的数字存储示波器正样 机的研制，具体主要性能指标达到最高实时采样率2 0 m s a s 、等效采 样率l o g s a s 、被观测信号3 d b 模拟带宽达1 0 0 m h z 、采样数字分辨 率8 b i t ；双通道，幅值灵敏度：5 m y 一5 v d i v ，扫速2 。5 n s 5 s d i v 。 该方案具有较高的性价比，较强的市场竞争力和广阔的应用前景。 随机采样原理相对于实时采样原理的优点在于不需要高精度的、 高性能的硬件支持，这对于器件的选用有很大的余地，难点在于随 机性的保证和内插技术的应用和时间放大倍数的可确定度。针对目 前国内元器件生产能力和进口器件状况，选用随机采样原理具有很 高的技术优势，随着器件成本的降低和高性能器件的出现，完全可 以做出更高性能的同类产品。 内插技术的应用使得随机采样理论能够得以实现，内插技术相当 于测量用的“尺子”，“尺子”最小分辨能力决定了最后采样点重新 在时间轴上位置排列的真实可靠程度，这里尺子的最小分辨能力是 由双斜率积分时间扩展器放大倍数决定的，所以说该模拟充放电放 大电路在整个方案中是个很关键的部分。 该方案的优点在于运用了大规模可编程逻辑器件c p l d 来实 现随机采样原理，可编程逻辑器件不但完全可以实现分离逻辑器件 的功能组合，而且能够实现其独特的功能，比如在采样数据存储地 址和读出地址方面的优点。选用一般的a d 转换器和u p 控制器即能 实现对高频率的重复信号进行测量，大大降低了成本和外围电路复 杂程度和设备体积，有利于制作便携式示波器。当然，所有这些优 点是以增加技术方案难度为代价的，比如可编程逻辑器件内部功能 单元实现要和其c p l d 所具有的主要功能、电磁兼容( e m c ) 能力、 速度等级相符，所有这些特性要进行综合的考虑。 关键词：随机采样变换，内插，双斜率积分时间扩展器 a b s t r a c t t h e p r o j e c t i st o d e v e l o p t h e1o o m h z d i g i t a l w i d e b a n d o s c i l l o s c o p e ，t y p i c a lp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r ：i n p u ts i g n a l 一3 d b b a n d w i d t hi s1o o m h z ，r e a lt i m e s a m p l i n gf r e q u e n c y i s 2 0 m s a s ， e q u i v a l e n ts a m p l i n gf r e q u e n c y i s1o g s a s ，r e s o l u t i o ni s 8 b i t s ，d u a l s i g n a lc h a n n e l ，a n dd e l i c a c yi s 5 m y 一5 v d i vp e rc h a n n e l ，t i m es w e e p v e l o c i t y i s2 5 n s 一5 s d i v 。s ot h ep r o j e c ti s p r o v i d e d w i t h h i g h e r p e r f o r m a n c e t o p r i c er a t i o ，s t r o n g e rc o m p e t i t i v ec a p a c i t yi nm a r k e t a n d w i d e s ta p p l i e df o r e g r o u n da tt h ea r e ao fw d s o t h ea d v a n t a g eo ft h er a n d o ms a m p l i n gt h e o r yr e l a t i v et ot h er e a l t i m e s a m p l i n gt h e o r y i st h a ti td o e sh a v en ou s ef o rh i g h p o w e r e d h a r d w a r et o s u p p o r t s o w ec a nc h o o s e c o m p o n e n t sf r e e l y t h e d i f f i c u l t y i st oe n s u r et h e r a n d o m i c i t y ，t oa p p l y t h e i n t e r p o l a t e t e c h n o l o g ya n dt o e n s u r et h em u l t i p l eo ft i m ee x t e n d i n g t h er a n d o m s a m p l i n gt h e o r yp o s s e s so fm a n ya d v a n t a g e so nt e c h n o l o g y t h em o r e h i g h p o w e r e dw d s o c a nb em a n u f a c t u r e dw i t he l e c t r o n i cc o m p o n e n t s c o m i n g f o r t ha n di t sc o s tf a l l i n g t h ei n t e r p o l a t et e c h n o l o g yj u s tl i k ea “r u l e r ”，t h er e s o l v i n gp o w e r o ft h e r u l e r ”a f f e c tt h a tt h es a m p l i n gp o i n t sa r ea r r a y e dc o r r e c t l yo n t i m ea x i s ，a n di sd e t e r m i n e db yt h em u l t i p l eo f t h ed o u b l es l o p ei n t e g r a l a m p l i f i e r s oi t i sc o r ei nt h ew h o l ep r o j e c t t h ep r o j e c ta p p l yt h ec o m p l i c a t e dp r o g r a ml o g i c a ld e v i c e ( c p l d ) t h ec p l dc a no f f e ri t sp a r t i c u l a rf u n c t i o n s f o re x a m p l e ，r e d u c i n gt h e n u m b e ro f c o m p o n e n t s a n dd e v i c e s ，m a k i n g t h e l a y o u t b o a r d c o n v e n i e n c ea n d s i m p l e ，d e c r e a s i n g t h ed e v i c e sv o l u m e i t i s p r o p i t i o u st om a k ep o r t a b l eo s c i l l o s c o p e - k e y w o r d s ：r a n d o ms a m p l i n ga n dc o n v e r t i n g ，i n t e r p o l a t e ， d o u b l es l o p ei n t e g r a la m p l i f i e r - i i - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谓| 的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名= 巍坠重日期：a 带3 月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 褓鬈嚣譬箸3 燮矽签名：秘导师签名：笙婴 日期：口椰；年弓月 日 i o o m h z 数字存储示波器型号样机研制 第1 章引言 随着科学技术突飞猛进的发展，世界已迸入新的技术革命时代。 作为技术革命先导的电子测量技术己渗透到国民经济各个领域中 去。人类在认识自然和改造自然的过程中，必定要进行测量活动。 没有测量，就没有科学。电子测量技术是电子工业的基础和先行， 近年来发展极为迅速，已形成一门独立的学科。可以说，一个国家 的电子测量技术水平，在一定程度上反映了该国的电子技术水平。 示波器是以短暂扫迹的形式显示一个量的瞬时值的仪器，也是 一种测量、观察、记录的仪器。可以直观表示二维、三维及多维变 量之间的瞬态或稳态函数关系、逻辑关系，以及实现对某些物理量 的变换或存储。伴随数字技术的发展，数字示波器展现了更强大的 功能：智能捕获、参数分析。时频等变换处理，超大规模数据波形 存储，数据上网共享等功能。示波器作为一种直观、通用、精密的 测量工具，广泛地应用于工农业生产、科研、军事、教育各个领域 中，进行对电量和许多非电量的测试、分析、监视。 1 1 数字存储示波器的特点 数字存储示波器( d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l os c o p e 简称为d s o ) 是 将输入被测连续模拟信号用a d 转换器交换成离散数字信号，存绪 于存储器中。转换完成一批数据后由u p 读出，通过光栅扫描将数字 信息变换成模拟波形显示在示波管上，或者直接经过变换显示在 l c d 上。数字存储示波器既适用于重复信号的裣测，也适用于单次 瞬态信号的测量；与记忆示波器相比，数字存储示波器具有存储时 间长，能捕捉触发点前的信号，可通过接口将数据共享等特点。正 是由于数字存储示渡器引入数字处理技术，并与计算机一起构成更 大的测控系统，使其对于复杂的单次瞬变信号的记录存储及分析研 究非常有效，在各行各业( 包括电子、机械、纺织、水力以及军事 应用领域等) 都有着广阔的发展天地。 引言 1 2 数字存储示波器的分类 数字示波器的核心内容是将模拟连续被测信号转换为数字信号， 即取样。从连续模拟被测信号中离散( 时间上) 地取样转换成数字 数据作为“样品”，用来表达原信号的部分特性或全部特性。保证转 换的数字数据与被测信号的关系是线性的；取样时可以一个被测信 号周期内取许多点或者多个被测信号周期内采集一个点；取样间隔 可以相等，也可以不等。取样方式大致有两种：实时取样、非实时 取样。 实时取样：取样脉冲频率高于信号频率，在信号的一个周期内 采集多次被测信号的瞬时值，用其包络反映原波形。为了比较真实 地再现被测信号原貌，实时取样时，一个被测信号周期内要求取样 点数n 大于或等于5 ，当n = 1 0 时，波形完全再现信号；当n = 5 时， 波形微显失真；当n = 3 时，波形呈明显失真。 非实时取样又分为顺序取样和随机取样。非实时顺序取样：一个 或多个被测信号周期内取样一次，取样信号每次延迟t + n t ( t 为 被测信号的周期，n 等于l ，2 ，3 ，) ，取样后的离散数字信号构成的 包络反映原信号的波形情况，但这个包络的周期与原信号的周期相 比低得多，相当于将被测信号在时间轴拉伸了。非实时随机取样： 一个或多个被测信号周期内取样一次，但每次取样相对于原信号不 是固定t + n t 时间，而具有一定的随机性( 相对于被测信号某一固 定相位一参考点) ，以取样时刻相对于参考点的t 时间段为“尺度” 在时间轴排序取样点，由此形成的包络再现了被测信号的信息。 根据取样的方法不同，数字示波器可以分为实时取样数字存储示 波器、随机取样数字存储示波器、顺序取样数字存储示波器。 以上三种示波器各有优缺点，实时取样示波器可以观测非周期信 号，非实时取样示波器可以比较容易地做到观测高频信号的能力。 数字存储示波器用实时取样方式观察重复信号时，由于触发信 号与取样时钟是不同步的，它们之间无固定的时间关系，故触发信 o o m h z 数字存储示波器型号样机研制 号与其后第一个取样时钟间的时间间隔是随机的，其值在0 到1 个 取样周期内变化。所以在观察重复信号时，波形晃动与一个被测信 号周期中的取样点数成反比，随着被测信号频率增高，晃动变大。 数字存储示波器中采用随机取样方式来观察重复信号。随机取样 原理图如1 1 ： 幽1 - 1 在随机取样方式工作时，每个捕获周期取得一组取样数据。第一 个捕获周期获得一组取样数据，第二个捕获周期又获得一组取样数 据，依次类推，第n 个获取周期又获得一组数据。每组数据内相邻 两个取样点的时间间隔是固定的( 采样周期) ，而各组数据头一个取 样点相对于触发信号是随机的。利用该随机时间间隔x t 依次在时间 轴上排序各组捕获数据，从而重现被测信号波形。 1 3 数字示波器的发展现状 数字存储示波器的发展依赖于新的数据采样技术的发展。实时 采样技术由一般数字电路构成的a d 变换器发展到使用c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 技术，变换速率大大提高。 与此同时，非实时采样技术也逐步得到发展，近来，有两种重 复取样技术一一顺序取样( s e q u e n t i a ls a m p l i n g ) 和随机取样( r a n d o m s a m p l i n g ) 获得广泛应用。非实时采样技术对观测和存储重复性的周 引言 期信号是极为有利的，可大大提高其频带宽度。美国t e k 公司的2 4 3 0 型数字存储示渡器，采用“实时取样”和“顺序取样”相结合的方 法，达到1 5 0 m h z 的带宽和1 0 0 m s a s 的采样速度。荷兰p h i l i p s 公 司研制出新型的p 4 c c d ( 电荷耦合器件) ，提高了变换速率，可存储 3 0 m h z 的单次瞬变信号( p m 3 3 1 1 型) 。h p 公司的5 4 1 0 0 型采用了“随 机取样”技术，使有效带宽达到1 g h z 。 上世纪9 0 年代以来，基于实时取样量化技术的高速瞬态存储 示波器的研制与生产得到飞速的发展。各大公司不断推出采样率高、 宽带的产品。例如：h p 公司推出的基于w i n d o w s 9 5 界面的i n f i n i i u m 数字示波器数字化速率高达8 g s a s ，带宽5 0 0 m 1 5 0 h z ；t e k 公 司推出的t d s 7 8 4 数字示波器能同时在4 个通道上实现数字化速率 1 0 g s a s ，带宽1 g h z 。 近年来，国内数字存储示波器技术研究取得了很大的成果。电 子科技大学进行的“八五”预研项目实时数字化速率可达1 g s a s ， 采集存储速率已达o 5 g s a s ( 4k b c h ) ，“九五”的研究与开发 使数字存储示波器数字化速率高达2 g s a s ，打破国外在高速数字化 存储示波器技术上的垄断，为我国电子仪器与测试的发展开创了新 的技术领域，为国防军用领域高新技术的研究与开发提供现代化的 检测、分析、处理的强有力工具。 1 4 课题的主要工作 本课题为“1 0 0 m h z t 2 0 m s a s 1 0 g s a s ”数字存储宽带示波器正 样机试制研究。硬件上总体可分为两大部分- 模拟通道电路部分和 数字程控电路部分。模拟电路部分主要是指双通道输入信号调理部 分和外触发通道完成信号的衰减放大、带宽要求，噪声抑制等指 标以及内插放大电路完成小脉冲扩展；数字电路部分包括u p 处理 单元、a d 采集单元、波形捕获控制逻辑单元、l c d 显示单元、键 盘单元。 本次设计中，我负责的主要任务是设计数字电路部分以及模拟 1 0 0 m h z 数字存储示波器型号样机研制 部分的内插放大器电路部分。主要集中在：波形捕获控制逻辑单元、 内插模拟电路单元和编写相关底层函数，阻及显示、键盘控制等一 部分工作。 本次设计的示波器样机主要的技术特性指标如下： 1 1 0 0m h z 重复信号带宽 2 每通道灵敏度：5 m v 一5 v d i v 3 扫速2 5 n s 一5 s d i v 4 实时采样率2 0 m s a s 5 时间等效分辨率1 0 0 p s 6 l c d 显示 触 1 0 0 m h z 数字存储示波器型号样机研制 第2 章粗细插内插器的设计 对高速重复被测信号用低速采样时钟的a d 采集变换存在的问题 是：无法一次采集足够的点重现被测信号，必须多批次采集，而各 批次的点怎样摆放才能重现被测信号原波形就是粗细插内插器设计 的根本出发点；也是随机采样的关键所在。 2 1 内插器原理 随机采样示波器的内插原理如下图所示，对于某一批采集数据， 触发点到来之后的第一个采样点距离触发脉冲的时间间隔是随机 的，这个随机时间间隔正是我们希望测量的，根据该时间间隔长短， 以触发点为参考原点，我们将各批次数据在同一条时间轴上重新排 队，从而再现波形。原理如图2 - 1 ： 图2 1 从图中可以看出该时间间隔y 的值与触发点到第一个采样时钟上 升沿间的主时钟个数有关，具体计算关系如下：设f 为8 0 m h z 时钟 一个周期长度，内插值y = ( c o a 一5 ) r + ( 用n r ) 。所以测量c o a 和f i n 是我们内插电路的核一t b 问题，根据脉冲计数1 误差理论公式 竺：望，为了减小该误差和鉴别电路稳定q - 作，应该增大n 的数值， nn 所以粗插值c o a 包含一个整采样周期，细插值y 包含了一个整b o m h z 粗细插内插器的设计 周精。粗插值c o a 的测量是直接测量8 0 m h z 脉冲个数，而细插值y 必须被放大m 。倍后计数8 0 m h z 脉冲个数，粗插值c o a 和细插值f i n 脉宽的形成需要特别的鉴别电路，这里设计了专门针对它们的鉴别 电路，称之为t 、t 鉴别电路。 粗细插内插器电路由t 、a t 鉴别电路；t 扩展电路：校准电 路和计数器数据处理几部分构成。粗插和细插电路配合使用可以获 得较大的放大倍数，在本设计中需要5 0 0 倍的放大，粗插最大为4 ， 细插最大为1 2 5 ，所以1 2 5 4 = 5 0 0 ，具体原理如图2 2 ： s p 图2 - 2 t 、t 鉴别电路的实现原理方案如下图：s y s t e m t r i 信号到来 后等待t + t 后被第二个触发器传递出去，最后形成由t 决定的脉宽。 - 图2 - 3 如果c 1 0 c k 是8 0 m h z 的主时钟，则鉴别出的是细插t ，该脉冲 送到时闽宽展电路，进行固定放大倍数后作为计数器的闸门信号， 如果c l o c k 接的是2 0 m h z 采样时钟，则鉴别出的是粗插t ，该脉冲 直接作为粗插计数器闸门信号。 t 1 0 0 m h z 数字存储示波器型号样机研制 2 2 时间扩展电路： t 扩展电路采用两个比率固定的恒流源对电容充放电形成形成 双斜率积分电路，从最高实时采样率2 0 m s a s 到等效最高采样率 1 0 g s a s ，即在5 0 n s 时间段上需要内插4 9 9 个采样点，从而等效分 辨率达到1 0 0 p s ，即放大了5 0 0 倍，由于租插最大值为4 ，所以双斜 率时间扩展电路放大倍数只需要掣：1 2 5 倍，细插鉴别电路形成两个 斗 反向的窄脉冲作为充电闸门，为了减小误差，这里放大倍数设计的 是2 5 0 ，在运用的时候进行除以2 ，原理如图2 - 4 ： 图2 4 上述电路图关键要保证快速的响应时间，为此用差分形式来开关 充放电电路，形成对管的两个晶体管1 3 值要有很好的一致性，即挑 选b 值相等的两个晶体管构成对管差分输入；充放电电容上的波形 如图2 - 5 ( c a d e n c e 仿真) ： 一 图2 - 5 夕 梦 卜一 斥 封 粗细插内插器的设计 电容充放电的交替区间放大特性曲线如图2 5 、图2 - 6 所示： ；l y i 图2 5 m t ， 兰土： 矛f 。 。t o + 图2 6 电容放电的起始瞬间由饱和载流子形成相对较大的电流，使得这 段是非线性的，初始段必须错过，所以a t 包含一个8 0 m t t z 的一个整 周期t ，即a t = t + t ( 如图) 。从而t 在固定斜率的曲线上 获得放大。计数器读回来的值包含两部分r l l a t + t 。t o 为个8 0 】l l h z 整周期t 处在电容由充电过渡到放电非线性阶段时刻的放大值。该 值的获得是通过细插电路校准过程获得的( 图中虚线为理想电容充 放电特性曲线) 。 2 3 细插电路校准 由于温度的漂移，两个恒流源电流的比率将变化，造成放大倍数 的改变，即从t 到3 t 时间段内斜率发生变化( 见图2 7 ) ，但其 线性不会变。为此必须校正回固定的放太倍数和确定当前t 。值。我 们选用2 t 和3 t 作为校准的区间段。因为此区间t 2 和a t l 变化比 较明显，便于测量。2 t 放大值设为t ；3 t 放大值设为t 。理论上 t ：一t ，= m 。t ，实际上t ：一t 1 = i n ，t 。t o = 2 t 。t ：，由于充放电转换区间 的非线性，t 。肯定不等于t 。一t 。在一定的时间段内所获得的n 批数 据的各t 。值不会改变很大，这里变化可以忽略。所以我们认为内插 过程中的细插值t 。就是当前校准过程中的t 。将t 到3 t 这段线 性区间投影到最初校准曲线斜率上，从而使得内插值分布在预定的 区间。具体如图2 7 所示： 1 0 0 1 v i h z 数字存储示波嚣型号样机研制 1 2 jlj t 】，历豸。1 l t o = 谚孑一 “ 初校准曲线 校准曲线 移后曲线 想充放电特性曲线 图2 - 7 设最初校准曲线斜率即放大倍数为m 。( 线性区间) ，当前校准期 间读回的内插值为t 和t ：，e 1 。= ( t 。一t 。) t ，设校准系数为 r ，r = m 。m 。，当前t 。= 2 t 。一t ：，当工作在内插过程中时，设 读固的细内插值t a ，则内插位置为p = ( t a t 。) r 。之所以选择在 2 t 到3 t 段内校准而不选择在工作段内的t 到2 t 期问内，是 为了减小1 误差( 相对误差) 。本科研项目需要最高实时采样率是 2 0 m s a s ，等效采样率是1 0 g s a s ，即两个实时采样点5 0 a s 闯应该内 插4 9 9 个点，从而获得等效两个点间1 0 0 p s ，就是说内插扩展电路需 要放大5 0 0 倍，这样高倍率的恒流源充放电电路很难做，为此分成 租插和细插计数器，粗插分成4 段，所以细插只需要放大1 2 5 倍， 为了减小1 误差，这里的细插扩展电路放大2 5 0 倍，加上起始t 。， 细插最大值为5 0 0 ，对应的计数器为9 位宽，最低位舍掉。 理论上u p 送出一上升沿信号，产生标准2 5 n s 脉冲，放大2 5 0 倍后得 6 图2 8 - l0 粗细插内插器的设计 2 4 随机性的保证 随机采样示波器要比顺序采样示波器具有很多优点，比如顺序采 样示波器需要昂贵的同步头，阻保证前后两次采样点问要有精准的 n t + a t ，t 为被测信号周期，但是随机采样示波器具有各种优点的同 时也存在一个缺点一随机度很难做好。 每一待观测信号均有一定的频谱，当用随机采样示波器的某一扫 速观测的时候( 内插档级) ，a d 采样时钟也就此确定了，也就意味着 两种频率特性的关系是确定的，即相关了。如果不把这种相关性打 破，使得在观测区范围内插出来的波形不完整，即采样点不是均匀 的覆盖在整个区段内。随机性未保证的内插波形如图2 - 9 ： 一 、 、 ， ， ， ，：， 、， + ”、 j 、 j ，v 、h j ， 图2 9 从图可以看出，采样集中一个小的区域，而没有均匀分布在整个 区间上。 原因分析： 对于任何一被测信号都有一定频谱特性，为了简化分析，我们设 待测信号的频率为一固定值的正弦信号，频率为五，周期为疋；此时 示波器的采样速率为工，采样周期为正；u p 固定工作频率为厶，周 期为瓦( 为简化分析，u p 每个指令均为r o ) ； 设u p 处理显示一批数据耗时r ： 则采集并处理显示完一批数据的时间为：f = n o t , + a t ： n 为每批采集数据点数：这一段时间内： 经历了被测信号周期个数为m ：r = m t 2 + r ，r 。 疋； 经历了u p 工作频率周期个数为l ：r = 上瓦+ 丁”， t o ： 0 0 m h z 数字存储示波器型号样机研制 经历了采样周期的个数为p ：f = p 耳+ 丁，f 兀； 如果上兀 嵋： 则下一批盒盗墨塞鲍盟麴与前一批采集数据开始的等效时问间 隔为( 去掉被测信号的整数倍周期m t 2 ) ，关系如图2 1 0 ： t j = 瓦+ a t l a t ”。 前次开始采集时刻 图2 1 0 k - - t h | 当前允许采集时刻 t i 可能太于t 2 ，设包含k 个t 2 ，使得0 t l k t 2 ( 上+ 1 ) 瓦： 则下一批麴堡五始苤塞盟刻相对于前一批采集开始等效时间间 隔为( 去掉被测信号的整数倍周期m t 2 ) ：疋。= 正+ 丁一r ” 前次开始采集时刻 圜， i 一1 。v a l u e 一一21 k 一个一， 图1 1 当前开始采集时刻 t 。，。l u c 可能大于t 2 ，设包含k 个t 2 ，使得0 t 。u c - c t 2 t 2 ，则下 一批丞塞珏始堕麴与前一批采集数据开始时刻等效被测信号的相位 差为：p h ：2 石掣 2 a t t 、p ，、c 、k 和正与被测信号、采样速率和每批点数有关， 由于在当前情况下，各种因数均已是确定因素。所以经过若干次后， 必将重复回到最初的开始采样时刻；从而导致被测信号某些区段总 是采集不到数据。其他情况同理可以导出相似关系。 粗细插内插器的设计 采取措旋： 从以上分析可知，为了使采样点能够均匀分布在被测信号的各个 区段上，就必须打破上述确定关系，即引入个不确定性因数，综 合权衡，随时调整采样时钟相位是一个比较可行和简单的。因为我 们的采集时钟是由8 0 m h z 四分频得到的，采集时钟是四个相位 2 0 m h z 时钟频率之一，为了引入变数，我们引入了菜一频率的时钟 作为扰相时钟，当然在一批采集数据之内这个扰相时钟是不能工作 的，只有在a d 停止采集的时候扰相时钟才能开始工作，具体工作 原理是：在a d 停止采集数据的时候，便四分频电路时断时续地工 作，即某一时刻关闭四分频电路。原理如图2 1 0 ： tn 口b e c mj d e e n 图2 1 2 扰相时钟n o i s e c l k 的周期选择在l u s 左右比较合适，图中相位零 和相位三是送到a d 的采集时钟。之所以称之为扰相，是参照8 0 m h z 的主时钟而言的，停止四分频电路一段时间内错过一定数目的主时 钟脉冲，这个数目由扰相时钟和采集使能信号共同确定。通过实际 观测，随机性大大得到改善，即采样点比较均匀分布，但当处于较 高扫速下( 较高倍内插时候) ，分布概率仍然不是完全的均匀分布概 率。为了更进一步改善随机性，我们在允许采集时问段引入一变量 d t ，即在t i 的基础上再延迟d t 后允许采集，d t 不是固定值，而是由 个与采集时钟相近的一个频率时钟和采集时钟构成“游标卡尺”， 两个时钟在一定时间内所走过的相位很相近但是是不同的，具体相 差时间大小d t 还与两时钟开始时刻有关，所以d t 是一个变量。从而 t 的基础上引入一个均匀分布的时间变量d t ，从而获得比较理想的随 机度，最后实际调试过程中得到的波形均匀性相当理想t 1 0 0 m h z 数字存储示波器型号样机研制 第3 章时基电路的设计 时基电路是数字存储示波器系统重要组成部分，数字示波器的 扫描时间概念与模拟示波器的扫描时间概念不同，它将模拟信号经 过a d 转化后存入存储器r a m ，然后再从存储器中读出，所以从存 储器中读取显示数据速度的快慢与扫描速度无关，而与数据写入存 储器r a m 的速度相对应，即与“t d i v ”的设置有关。数字示波器中 必须有一个准确度高，稳定性好的晶体震荡器，经过分频组合，产 生符合“t d i v ”开关要求的数据r a m 写时钟。本样机的时基电路由 时钟产生电路、分频电路组成。本章主要阐述与扫描时基相关的时 钟电路、时钟分频电路以及扫描档位的确定。 3 1 时钟分频电路设计的思想及要求 根据本正样机性能指标要求及性价比，a d 选用了工作模拟带宽 为4 7 5 m h z c h a n n e l 双通道的a d 9 2 8 8 芯片，其最大采样率为 4 0 m s a s ，最小采样率1 m s a s ，这里我们选用采样率为2 0 m s a s 。 由于显示时，每屏水平方向分1 0 格，每格为2 5 个点，所以每格对 应的时间分辨率为： r d v ：2 5 j 一 “ 当写时钟w c l k = 2 0 m h z ，对应的“t d i v ”实为1 ，2 5 u s 。由于示 波器常规档位关系是1 、2 、5 ，为此每格对应采集到的2 5 点进行丢 点显示，即每5 点丢一个点，而只显示4 点，5 0 n s x 2 0 = l u s 。当扫描 速度变慢的时候，要求写时钟也要降下来，分频电路将2 0 m h z 时钟 分频为多种频率，设定“t d i v ”档位分为多个，具体见表3 l 示： 时基电路的设计 额2 0】0525】5 0 02 5 0 l0 05 02 5】0 塞 m h zm h zm h zm h zm h zk h zk h zk h zk h zk h zk h z t ，】255102 55 001o2 505i25 d l vususu su s us ust f l smsmsm sms 频5 2 5i5 0 02 5 0 10 05 02 5 105 塞 k h zk h zk h zh zh zh zh zh zh zh z t 5 102 55 00102 5051255 d i vm sm sm sms ss ssss 表3 1 上述“档位”为实时取样变换方式，2 5 n s 5 0 0 n s d i v 为随机取 样变换方式，对应内插时间分辨率( 等效取样周期) 为1 0 0 p s 2 0 n s ， 或者说等效取样变换速率为1 0 g s a s 。此时摆点、内插值、内插批次、 有效点和扫速的对应关系如表3 2 扫速s内插值范围前后置计数器之和内插批扶m每批敬有效点p 2 5 n s d i ol 5 0 02 5 0 00 5 5 n s d i v】一2 504 2 5 0i 】o n s t d j v1 1 2 58 1 2 52 2 5 n s d i vl 一5 0 2 05 05 5 0 n s d i v1 2 54 0 2 51 0 10 0 n s d i 1 1 01 0 0 1o2 0 25 0 n s d j vl 52 0 0 55 0 5 0 0 n s d i l 一25 0 0 21 0 0 lu s d i v 11 0 0 0 l2 0 0 表3 2 从表可以看出，总点数固定为1 0 0 0 ，即为4 屏数据，由于内插 次数不可能有小数( 摆放位置) ，所以在1 0 0 n s d i v 、5 0 0 n s d i v 、l u s d i v 的时候是每屏摆放了2 0 0 点，相当于拉伸。即每4 个采样点对应屏 上的5 个显示位置。标中s 、m 、p 计算关系如下： 1 0 0 m h z 数字存储示波器型号样机研制 内插每点的等效时间为：1 5 0 f n s 每d i v 放置的采样点为：p 而x m 一； 内插扫速：s = 5 肘o n s 兰n s ，d i v 2 5 尸n s d i v ； 3 2 时钟分频电路的原理 3 1 3 2 3 3 时钟分频由三部分组成：四分频电路、计数器分频电路、时钟选 择电路。如图3 。1 示： 图3 1 分频电路 采集时钟、r a m 写时钟、地址计数器滚动时钟、自动定标的闸 门脉冲、粗细插计数器时钟、超前滞后计数器的时钟等所有采集控 制模块的相关时钟均由8 0 m h z 的时钟分频得到的。 3 2 1四分频电路 8 图3 - 2 这里之所以用到四分频电路，是因为在最高实时采样的时候， 采集时钟、地址计数时钟和写时钟同为2 0 m h z ，如果他们的相位相 时基电路的设计 同，数据就不能稳定的写入存储器r a m ，所以这里用到四分频电路 将8 0 m h z 的时钟产生具有四个相位关系的2 0 m h z ，采集时钟和拨地 址计数器同为相位0 的时钟，而写存储器r a m 用相位2 或者是相位 3 的时钟，视排版布线延时情况而定。这个问题是很关键的，在我们 正样机调试过程中将原来在块c p l d 里的时钟电路分为高速和慢 速分装到两块c p l d 里，就出现了很奇怪的现象。现象波形如图3 3 ： 一 。 2=高器 昌一蛊 高；旨导盘皇 名 图3 - 3 地址计数器时钟走8 次就出错一次，出错现象是有个数据与 它接下来的第三个数据相等，本来是不相等的，最后分析出来原因 是数据在转换的时候，写时钟就到了。四分频电路由两个d 触发器 组成，产生四相位的2 0 m h z 时钟信号，相位分别为2 0 m 0 、2 0 m 1 、 2 0 m 2 、2 0 m 3 。 3 2 2 分频计数器 分频计数器电路由分频系数锁存器、可预置减法计数器组成。 负责产生10 m h z 5 h z 的分频时钟，分别对应2 5 u s d i v - 5s d i v 的 扫描档位。 1 、分频系数锁存器 水平扫描档位发生变化的时候，c p u 查表得到其对应的分频系 数，向c p l d 里的命令寄存器写入分频系数锁存器的选通地址，接下 来写入分频系数，这样分频系数值就锁存到了分频系数锁存器中， 该锁存器的输出接到可预置减法计数器的预置端，加载信号t b l d 由 接口电路译码产生的，数据加载到锁存器后使能该信号，t b l d 使数 姗 抛 啪 m o o o m h z 数字存储示披器型号样机研制 据加载到该减法计数器并宿动，另方面是当减法计数器减到0 的 时候进位脉冲再次加载数据并启动。 2 、分频计数器 该计数器就是可预置减法计数器，由于示波器的扫描分辨率是按 1 、2 、5 分档的，该样机最慢扫速是5 s d i v ，每d i v 由2 5 个采样点构 成，所以该档对应的采样时钟为t = 尝= 0 2 s 而5 h z 对应的分频器分频系数为c = 2 0 5 m z h z = 4 0 0 0 0 0 c 1 0 0 l = 0 x 3 d 0 9 0 0 。6 ) 即2 的2 2 次方，故至少需要2 2 位计数器。计数器设计为具有同步 加载的同步计数器，这里设计2 3 ( q o q 2 2 ) 位，加载端q 2 2 固定接“0 ”， 当计数器减到0 时向高位借位，所以输出端q 2 2 位由低变高，这样 q 2 2 作为分频时钟输出端，同时q 2 2 送到该计数器的同步加载端，这 样就保证了减法计数器稳定可靠加载，因为q 2 2 保持高的时间为一 个2 0 m h z 时钟周期。而计数器的标准借位端保持的时间仅为2 5 n s 。 对应示渡器扫速变化时，u p 查表该扫速所对应的分频系数，并下 载到分频锁存器中，紧接着给一个加载脉冲，分频器就开始了工作。 3 2 3时钟输出选择电路 经过前面的电路产生的采样存储的时钟分为2 0 m h z 时钟和分频 后产生的1 0 m h z 5 h z 各种频率的时钟，如何将2 0 m h z 时钟和分 频后的时钟信号用一根信号线输出呢? 这里设计时钟输出选择电路 产生a d 转换器的采集时钟和存储器r a m 的写时钟以及自动定标的 闸门。前两个信号是时钟电路中十分重要的信号。如图3 - 4 所示： 时基电路的设计 图3 4 其中s t b q 时钟选择控制位，当扫速大于1 u s 时候，u p 将s t b q 置高，a e q c l k 时钟信号来自经8 0 m h z 整形的低频分频信号，a t s t w ( 自动定标用的闸门信号) 和r a m w ( 采集r a m 写信号) 选通的是相 位二的2 0 m h z 时钟与低频信号相与出来的信号，扫速小于1 u s 时， a c q c l k 、a t s t w 和r a m w 选通分别是相位零2 0 m h z 、相位三和低 频信号的相与，为什么a t s t w 和r a m w 在高低扫速下选择不同的相 位昵? 这里的出发点是地址建立稳定后，再给r a m 写数据的沿 r a m w ，最初的设计是高低扫速都选m c i k p h 2 ( 2 0 m h z 相位2 ) ，但 是在高扫速的时候问题就出现了，现象就是每8 个采样点就有一个 错误，最后发现是延迟不够，但是如果都改为m c i k p h 3 ，在低频时 候通过示波器发现r a m 在同一个采集样点有两次有效，当然这对自 动定标的计数闸门期间无影响渡形如图3 5 ： 厂 厂 厂 n 厂 厂 r 厂 r 厂 厂 厂 r 厂 几厂一 图3 5 所以在低频的时候用m c i k p h 2 ，保证2 0 m h z 为高韵的时间段不 要出现在分频信号为低的5 0 n s 中间。 3 3 地址产生电路 该电路主要为采集r a m 形成读写地址，采集的过程中由a c q c l k 1 0 0 m h z 数字存储示坡器型号样机研制 时钟蒗动地址计数器，形成采集数据的写地址。当u p 从r a m 读数 据显示波形的时候，由u p 读固定i o 地址，该地址在主接口电路经 过译码形成u p r a m r d 信号，每读一次数据，对应的u p r a m r d 信号线 变高一次，所融该信号绂就作为地址计数器的时钟。具体电路如图 3 - 6 所示： 图3 6 本电路的特点在于不但髓实现加法地址偏移跳交，两虽能够设置 每次步径的大小。通常贯的做法是把计数器设计成可加可减计数 器，即采集的过程中计数器按减法计数器计数，而读数据的时候按 加法计数器计数：这样设计的优点是地址计数器可连续变换，对于 仅做数据采集和显示一对应的关系来说是很简洁的( 时间关系倒 序的，显示时需要左右翻转) ，但是对于双时基来说，它就是个缺点 了，因为此对需要跳跃读数据，就是所谓的抽点显示。为此逶常改 进的做法是加一个空转计数器( 减法) ，当地址需要跳变的时候，空 转计数器预先加载要跳变的地址量，用一个较高的时钟同时作为两 个计数器的计数时锌，当空转计数器减为零寄备对候关闭该时钟，地 址就跳到了预期的地址，缺点是：当对一批数据抽点量较多的时候， 大量的时间都浪费在空转拨动地址偏移量上，这就形成了个显示 刷新速度韵瓶颈；为此我们采用了新的设讦方法：用一个地址偏移 跳交加法器，采集开始前将当前批次数据量的负数加载道锁存器中， 采集完成后加载一次回到采集开始的地方( 时间先后关系一对 时基电路的设计 应) ，当需要抽点显示的时候，在采集完成时将前后两次摘点相隔点 数加载到同一锁存器，此时的读信号即相当于计数器地加载信号又 充当计数器时钟，读脉冲的上升沿将预置在锁存器中的数据和当前 地址相加结果“打”出去，而该脉冲的高电平实现地址计数器的加 载。其优点还有：不仅可以以增量的方式跳变地址，而且可以以减 量的方式跳变地址，为此不用设置地址计数器是可加可减双向的， 只需对跳变地址加载量用补码的形式加载即可。这对于空转计数器 来说是不可能的，因为如果空转计数器预置量为负数时，它的补码 是一个很大的数，这无疑又增加了读数据的耗费时间，如果设为可 加可减双向的时候，无疑又增加了控制寄存器的控制位。相比较可 见该设计方案有很多优点。仿真波形如图3 - 6 和图3 - 7 ： j 酶 f 托五j h t 一 t h l 酗a c q c i k 酗u 眯 l r 口 。，_ 。 酗i a c q e n 0 1： 。l 。 斗u p r e n 。+ 。 ： ? 。 ：? 争m c i k l d 门厂 厂 i 门in ，厂 ，门n 门：门r 广 ；厂 自_ a i o a d 0 ： ： ：。 瞪a d d l l 50 】 h 勰b f【