（电力电子与电力传动专业论文）虚拟示波器与信号发生器的设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a san e wt y p eo fa p p a r a t u s ，v i r t u a li n s t r u m e n t , w h i c hi sd e v e l o p e du p o nm i c r o - e l e c t r o n i c s t e c h n i q u e ，c o m p u t e rt e c h n i q u e ，s o f t w a r et e c h n i q u e ，m o d e mm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ea n de l e c t r o n i c i n s t r u m e n t a t i o nt e c h n i q u e ，h a sa d v a n t a g e so fh i g h - p e r f o r m a n c e ，s c a l a b l e ，a n dl e s sd e v e l o p m e n t t i m e ，s e a m l e s si n t e g r a t i o na n dm u l t i p l ep r o d u c t sf o rt h es e l e c t i o n d i t i g a lo s c i l l o g r a p ha n ds i g n a l g e n e r a t o rw h i c ha r eb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e di nt h e t h e s i s t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e s ： 1 1 1 1 et h e s i si n t r o d u c e sv i r t u a li n s t r u m e n ts t a t u s ，d e v e l o p m e n tp r o s p e c t s ，a n dv i r t u a l o s c i l l o g r a p ha n dd i t i g a lg e n e r a t o rs t a n d a r d s a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa n dd e m o n s t r a t i o no ft h e s y s t e mp r o j e c t , t h es c h e m eo f “p c + f p g a + u s b ”i sp u tf o r w a r d 2 a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no fi n s t r u m e n ta n dp e r f o r m a n c es t a n d a r d s ，t h em o d u l ef u n c t i o n s a n ds e l e c t i o np r i n c i p l eo ft h eh a r d w a r es y s t e ma r ed e t e r m i n e d i na d d i t i o n , f r o mt h ep o i n to f f u n c t i o na c h i e v e m e n t , t h et h e s i s d e s i g n s t h eh a r d w a r es y s t e m ，i n c l u d i n g a n a l o gc h a n n e l c o n d i t i o n i n g ，a dc o n v e r s i o n ，l o g i cc o n t r o l l ，u s bc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n ds oo n t h ev h d l i su s e dt od e s i g nl o g i ci nt h ef p g a ，a n dt h er e a l i z a t i o no fd a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y , u s b c o m m u n i c a t i o na r ea l s oa n a l y s e d 3 t h ep ca p p l i c a t i o ns o f t w a r eu s e sl a b v i e w 8 20 fn ic o m p a n ya st h ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t , t h ea p p l i c a t i o np r o g r a ma n dt h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o na r ep r o g r a m m e d ，a n d t h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nc a nd i s p l a yt h ew a v e f o r mi n f o r m a t i o na n da c c e p tu s e rc o m m a n d s a n da l s op r o v i d e sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sb e t w e e nt h eu p p e ra n dl o w e rs y s t e m k e y w o r d s v i r t u a li n s t r u m e n t , v i r t u a l o s c i l l o g r a p h , s i g n a lg e n e r a t o r , f p g a ，u s b ， l a b v i e w 8 2 u 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：牛翩签鸡岛日期：啦 目录 1 1 虚拟仪器技术 第一章绪论 虚拟仪器( 简称v 1 ) 是电子测量技术与计算机技术深层次结合，具有良好发展前景的新一 代电子仪器。在虚拟仪器中，“虚拟”的含义体现在两个方面：其一，虚拟仪器的面板是虚 拟的。传统仪器的控制面板是实物，由手动或触摸进行操作；而虚拟仪器的面板是通过在显 示器的屏幕上模拟传统仪器的控制面板，用外形与实物类似的图形表示，对应不同的软件程 序，用户可以通过鼠标进行操作。通常，虚拟仪器提供了不同的软件开发工具，比如 l a b v i e w ，l a b w i n d o w s c v i ，v e e 等。其二，虚拟仪器的测试功能由软件来完成。传统仪 器通过硬件实现测试功能；而虚拟仪器通过选取基本的测试硬件模块，利用软件构造出不针 对具体测试对象白争仪器。虚拟仪器实现了测量仪器的智能化、多样化、模块化，即在相同的 硬件平台下，虚拟仪器完全由用户自己定义，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的测 试仪器。 简单地说，虚拟仪器技术就是用户自定义的基于p c 技术的测试和测量解决方案。相对 于传统仪器，它有四大优势：性能高、扩展性强、开发时间少、完美的集成功能。 1 2 课题背景及意义 虚拟仪器的出现给新模式高校电类基础实验室的建设带来了契机。新模式实验室包含两 层含义：一是个人拥有个性化实验室的模式，二是最大限度发挥实验设备使用效率的模式。 对高校而言，实验对于培养学生的动手能力和解决问题的能力是至关重要的，这就需要 有相应的实验设备来满足学生的需求。由于仪器设备主要用于学生做实验，故对其技术指标 要求无需太高，同时还需要考虑仪器开发周期、仪器使用便捷度、仪器开放程度等因素，而 虚拟仪器的开发与利用在很大程度上可以满足上述要求。 ( 1 ) 虚拟仪器可以把不同的仪器集成在一个系统中，运用不同切换过程，实现同样的 教学目的。这样，一台计算机就是一个实验平台，软件就是仪器，一个机房就是一个多功能 实验型2 1 。 ( 2 ) 虚拟仪器的使用能够提高实验效率，降低教学成本，学生也不会因为反复调试、 校准仪器而浪费时间。同时，实验参数输入简便，结果显示明确，对仪器不会有任何损坏。 实验设备如有更新，只需更新一下软件即可。 ( 3 ) 虚拟仪器与网络的相互配合使用能够灵活地提供给学生不同的实验教学内容，允 许学生根据自己的情况确定学习的内容和安排学习进度，从而可以最大限度地满足学生的不 同需要。 由此可见，虚拟仪器在实验教学方面具有广阔的应用前景。 1 3 论文研究的内容 本系统有两大模块：信号发生器和数字示波器，分别实现波形的产生和显示功能。学生 通过信号发生器可以获取实验中需要的一些常规波形信号以及任意波形信号，同时利用数字 示波器对实验输出的波形信号进行测试和存储。设计中将信号发生器和数字示波器分别在两 5 东南大学硕二l ：学位论文 块硬件电路板上实现，p c 机上的用户操作界面也分别编写两套应用程序实现，从而将波形 的产生和显示分开。因本设计仪器功能复杂，设计任务繁多，限于篇幅，本文主要对数字示 波器的设计过程进行详细介绍，而信号发生器实现的整体方案与之类似，仅在第六章做简要 概述。具体内容包括以下几个方面： 首先根据数字示波器的基本功能和技术指标，对系统的整体方案进行讨论，确定了其硬 件平台的组成部分，主要包括模拟通道调理、a d 转换、逻辑控制和u s b 接口通信等：其 次介绍使用v h d l 硬件描述语言对f p g a 内的数字电路进行代码编写，虽然f p g a 的设计 思路完全是硬件设计的思路，但因该设计是整个系统的核心，故将此部分内容做单独说明； 接着介绍了p c 机上虚拟仪器应用软件的开发，本设计是在n i 公司l a b v i e w 8 2 编程环境 下开发完成的，设计中主要介绍了数字示波器的前面板设计，软件功能程序编程以及底层 u s b 通信模块的驱动程序编写等；然后对信号发生器的设计进行简单说明，最后对论文成 果进行了总结，指出了系统存在的不足之处以及需要改进的地方，同时提出了建议。 6 第二章数字示波器整体方案的设计 第二章数字示波器整体方案的设计 2 1 数字示波器的基本功能和设计指标 数字示波器的基本功能： 数字示波器实现对模拟信号的采样、显示和存储。基于虚拟仪器的数字示波器可进行两 路模拟信号的测量，对波形显示的放大衰减倍数、耦合方式、量程等进行灵活选择，在p c 机上显示其波形以及幅值等信息。 数字示波器的设计指标： l 、通道数：2 2 、模拟通道带宽：3 0 m h z 3 、采样率：可调，最大为每通道1 0 0m s a s 4 、a d 转换精度：8 b i t s 5 、量程：10 m v - - , 2 5 0 m v v d i v 6 、时基范围：5 0 0 n s - - 一5 m s t d i v 7 、输入信号范围：5 0 v - - 一5 0 v 8 、输入阻抗：l m q 9 、每通道存储深度：4 k b i t s ( m a x ) 2 2 数字示波器整体方案设计 数字示波器的研究包括硬件部分设计和上位机软件编程，其硬件部分主要是一个高速数 据采集系统，它对输入的模拟信号进行高速采集，转化为数字信号，然后传给p c 机。该数 据采集系统主要包括模拟通道调理模块、模数转换模块、逻辑控制模块、数据存储模块和 u s b 通信模块等。上位机使用l a b v i e w 8 2 来编写示波器的人机交互界面和操作程序。底 层硬件平台与上位机之间采用u s b 通信接口。数字示波器的具体实现方式将在后面的章节 中详细介绍，其结构框图如图2 1 所示。 图2 - 1 数字示波器结构框图 7 东南大学硕士学位论文 2 3 数字示波器实现方案论证 2 3 1 逻辑控制电路实现方案制定 对于本设计而言，逻辑控制电路在数字示波器系统中的主要任务是负责u s b 芯片与a d 转换芯片之间的缓冲与控制，同时产生底层硬件电路中衰减放大倍数选择、通道切换、a d 转换等所需的全部控制信号，从而实现对a d c 的控制以及对传输数据的缓存、读，写控制信 号等功能。 通常设计中可以采用单片机、数字信号处理器( d s p ) 、复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 或者 现场可编程门阵列( f p g a ) 来实现上述功能。它们有各自的特点： ( 1 ) 普通单片机使用方便，设计简单，但处理数据的速度有限，而本设计是对高频信 号的实时采集，使用单片机容易造成数据处理以及传送瓶颈问题。 ( 2 ) d s p 擅长处理密集的乘加运算，而高速数据采集系统所要求的是高速进行的简单 读写操作。特别在数字示波器中，数据处理主要由计算机来完成，如果采用高速d s p 进行 数据采集，对于d s p 的运算能力而言，是一种浪费。 ( 3 ) 采用f p g a ，它不但可以完全实现分离逻辑器件的功能组合，而且还具有其独特 的功能，比如可以在其内部构造一个大容量的f i f o 作为缓存以及内部具有的锁相环逻辑单 元能够给本次设计带来了很大的方便。因此，设计中使用f p g a 作为逻辑控制芯片。 c y c l o n ei ie p 2 c 5 q r 2 0 8 c 8 是a l t e r a 公司生产的一款具有较高性价比的f p g a 芯片，它采 用s t r a t i x 架构，使用9 0 r i m 工艺生产，具有4 6 0 8 个l e ，2 6 个m 4 k 单元，2 个p l l 以及1 3 个乘法器【4 】。另外，其i o 管脚可以直接与系统中使用的其它芯片相连而不需要进行电平转 换。该款f p g a 的内部资源以及管脚数量能够完全满足设计需求，故选用该款f p g a 作为 控制逻辑芯片。 可编程逻辑器件e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 具有以下优点： ( 1 ) 逻辑资源丰富，f p g a 结构最为灵活，其内部结构均可编程，提供了强有力的组 合逻辑函数发生器，可实现多个变量的任意逻辑，从而满足数字电路系统的设计。 ( 2 ) 相较于c p l d 适合完成各种算法和组合逻辑，f p g a 更适合于完成时序逻辑。 ( 3 ) f p g a 提供了丰富的端数和触发器，其集成度远高于p a l 和g a l 器件。 ( 4 ) 工作时钟频率高， e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 含有两个锁相环，可以提供a d 转换所需要的 时钟，大大提高了仪器的精度。 ( 5 ) e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 内嵌1 1 9 ，8 0 8 b i t s 存储器，可以根据需要方便的设计成各种容量和 配置方式的双口或单口r o m ，r a m 和f i f o 缓冲器。其最大工作频率为2 5 0 m h z ，性能大 大优于专用集成电路的r a m ，可以满足最高采样率为1 0 0 m s a j s 的设计要求。 ( 6 ) f p g a 器件的开发一般都是利用先进的e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 工具 进行电子系统设计和产品开发。开发工具的通用性、设计语言的标准化以及设计过程几乎与 所有器件硬件结构的无关联使得设计成功的各类逻辑功能块软件具有良好的兼容性和可移 植性，从而使产品的设计效率大幅度提高。 2 3 2 数据存储电路实现方案制定 高速数据采集系统的数据要送给计算机，一般都是把a d 转换芯片输出的数据先放入存 8 第二章数字示波器整体方案的设计 储区缓存，然后再通过控制信号从存储器中读出数据送给计算机。数据写入存储器是连续循 环的方式，可以根据采样速度和深度灵活应用不同的存储方案，通常有以下两种选择： ( 1 ) 采用双端口s r a m 静态随机存取存储器( s r a m ) 中所谓的静态是指存储器只要通电，里面存储的数据就可 以一直维持不变。随机存取是指存储器的内容可以以任何顺序存取，而不管前一次存取的是 哪一个位置。s r a m 用于需要有高速共享数据缓冲系统的场合，两个端口都可以独立进行 读写操作，其优点是数据写入与数据读出可各占用一个端口，可以同时对同一个芯片进行 读和写的操作。但这种方案在数据采样传输系统中，要求数据写入与数据读出的速度必须一 致，若两者速度不一致，会使读出的数据不连续，导致采样数据失真。 s r a m 的读写时序图如图2 2 所示。 r e a d c y c l en o 2 ：。国i c e1 1 ：讽10 ：1 们i _ e d ： 图2 - 2 ( a ) s r a m 读时序图 w r i t ec y c l en o 1 r zi 苎兰c m i f r l 州c 。誊；卜i 白h 竺r lo n i 图2 2 ( b ) s r a m 写时序图 ( 2 ) 采用f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) 存储器 用于高速通信系统、图形图像处理、d s p 和数据采集系统以及准周期性收发信号缓冲 系统的先进先出存储器( f i f o ) ，其特点是在同个芯片里的同一个存储单元配备有两个相对 独立的端口，一个是输入口，只负责数据的写入，另一个是输出口，只负责数据的输出。当 存储器为非满载状态时，输入端允许将数据经输入缓冲器存入存储器，直至存满为止，只要 9 东南大学硕士学位论文 存储器中有数据，就允许将最先写入的内容依次通过输出缓冲器输出。在对f i f o 存储器进 行读和写的操作时不需要地址线参与寻址，其数据是按照环形结构依次进行存放的【5 1 。f i f o 存储器一般可分为同步f i f o 存储器、异步f i f o 存储器和双向f i f o 存储器。 对本设计而言，由于选用的可编程逻辑器件e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 内嵌119 ，8 0 8 b i t s 存储器， 可以在其内部构造一个大容量的f i f o 作为缓存，从而满足了本设计需要。因此，数字示波 器的数据存储部分不再另外选择存储器芯片，而是直接使用e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 的内嵌存储器。 2 3 3 通信接口实现方案制定 数字示波器底层硬件平台完成数据采集功能，数据的处理与显示在上位p c 机实现，因 此在底层平台和上位机之间就需要有信号的交互。接口电路决定数字示波器使用什么端口进 行数据传输，并且应该满足数字示波器调试、采样、显示结果时的i o 要求。 根据数据传输的特点，可以将通信总线分为并行总线和串行总线。以下仅对常用的两种 总线p c i 、u s b 进行比较论证。 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线的概念是由i n t e l 公司联合i b m 、c o m p a q 、 a s t 、h p 、d e c 等多家公司提出的。制定p c i 总线的目标是建立一个工业标准的、低成本 的、允许灵活配置的、高性能局部总线结构。p c i 并行总线标准是当今p c 领域中最流行的 总线标准，几乎所有计算机主板都配有多个p c i 插槽。但p c i 总线协议比较复杂，而且p c i 模块必需安装在机箱内，数据采集时会受到较强的电磁干扰；另一方面，用户组装系统时， 需要打开机箱，使用不倒6 1 。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 且i 通用串行总线，是由c o m p a q 、h p 等7 公司联合推出的一种 标准接口总线，这种接口适合于多种设备，不仅具有快速、即插即用、支持热插拔等优点， 并且所有的配置过程由系统自动完成，无需用户手工操作。u s b i 1 的最大传输带宽为 1 2 m b p s ，u s b 2 0 的最大传输带宽为4 8 0 m b p s 。 考虑与其它接口方式相比较，u s b 接口具有传输速度快、操作简单、支持多个设备、 成本低以及热插拔等优点，因此本设计中数字示波器的接口通信采用u s b 2 0 方式。 2 3 4 系统供电实现方案制定 任何一个电子系统都是由不同的电子电路组成的，系统的直流稳压电源必须同时满足各 种不同电路的要求，这是系统安全、可靠、正常运行的基本保证。因本系统主要用于高校实 验室中，为了节约成本以及使用时快捷方便，故设计系统是由+ 5 v 的开关电源直接供电。该 电源具有噪声低、纹波系数小、稳定性高、线性度好等特点，有效地减少了电源本身的干扰。 由于电路中模拟电路和数字电路同时存在，为了避免数字电路在电源地线上产生的噪声 影响低电平模拟信号，因此，模拟电路和数字电路采用分别单独供电的方式。两种电源地线 和信号地线实现了单点相连互不干扰的格局。 而系统中所需要的一5 v ，+ 1 2 v ，+ 3 3 v 电压则是由电源芯片产生。该方案的实现过程 在第三章中做详细介绍。 2 3 5 软件开发平台实现方案制定 虚拟仪器系统的软件开发环境主要有两大类：一类是通用编程语言的开发环境，如 1 0 第二章数字示波器整体方案的设计 v i s u a lc + + 、j a v a 、d e l p h i 等。这些软件都为用户提供了图形化的开发环境，但大都缺少针 对虚拟仪器的专用类库；另一类是虚拟仪器专用软件开发平台，如l a b v i e w 、 l a b w i n d o w s c v i 、h pv e e 等。在这些平台中，几乎所有用于测量、控制和通信模块的代码 均已具备，供用户随时调用。 通用软件v i s u a lc + + 、j a v a 、d e l p h i 目前得到了广泛的使用，但对普通用户来说，使用 起来有一定难度。而且用通用软件开发虚拟仪器应用软件，开发周期长，软件工作量大， 在数字信号处理能力、对硬件的操作能力等方面无法和专业软件相媲美。 l a b w i n d o w s c v i 是n l 公司的一个优秀的虚拟仪器软件平台，是面向仪器的交互式c 语言开发平台。l a b w i n d o w s c v i 将功能强大、使用灵活的c 语言平台与用于数据采集分析 和显示的测控专业工具有机地结合起来，利用它的集成化开发环境、交互式编程方法、函 数面板和丰富的库函数大大增强了c 语言的功能，为熟悉c 语言的开发设计人员编写检测 系统、自动测试环境、数据采集系统、过程监控系统等应用软件提供了一个理想的软件开 发环境。 l a b v l e w 是m 公司强力推出的另一个优秀的虚拟仪器软件开发平台，是编译型图形 化编程语言，非常适合没有编程经验的用户。l a b v i e w 把复杂、费时的语言编程简化成用 菜单或图标提示的方法选择功能( 图形) ，并用线条把各种功能( 图形) 连接起来的简单图 形编程方式。所以，它非常适合熟悉专业知识的电子工程师和测试工程师学习和使用。由 于l a b v i e w 的广泛应用，大部分硬件厂商的产品都针对l a b v i e w 提供了专门的应用接口， 使得应用l a b v i e w 可以方便的同其它厂商的硬件产品进行交互。在本文设计中，p c 侧的 u s b 驱动模块就是采用f t d i 公司开发的支持l a b v i e w 语言的硬件模块，可以通过动态链 接库( d l l ) 与l a b v i e w 语言接口，从而弥补了在l a b v i e w 环境中对底层硬件操作不便 的缺陷。 从代码效率和执行速度来看，编译型语言v i s u a lc + + 速度最快，解释型语言v b 速度较 慢，l a b v i e w 属于编译型语言，经过代码优化的l a b v i e w 应用程序执行速度与c 语言相 当【7 j o 通过对以上几个虚拟仪器的软件开发平台的比较，本设计使用对仪器和硬件的控制效 率较高的l a b v l e w 作为虚拟仪器的开发平台。 2 4 本章小结 本章根据系统的功能和技术指标，对数字示波器设计的组成部分进行了方案论证，主要 包括系统供电方案、逻辑控制电路实现方案、通信接口方案以及软件开发平台的选择等，而 具体的实现方法将在以后的章节中详细介绍。 东南大学硕士学位论文 第三章数字示波器的硬件模块设计 3 1 数字示波器硬件结构框图 数字示波器的硬件部分实现的功能就是把要处理的信号变成数据流，并且将这些数据 传输到主机里。同时硬件部分要求能够接受上位机软件传送过来的命令，并且把这些命令解 释成系统中的硬件语言来实现用户要求的功能。该部分主要由模拟调理模块、a d 转换模块、 逻辑控制模块和u s b 通信模块等部分组成。其模块框图如图3 1 所示。 图3 1 数字示波器模块框图 由图3 - l 可知，模拟通道调理电路的任务是将两路模拟信号进行调理，为模数转换器 提供符合a d 转换范围的输入信号，以便对模拟信号进行精确采集，获取正确的数字信号。 a d 转换电路是整个硬件模块的重要组成部分，它的任务是将模拟信号转换为数字信号。数 据采集与传输的控制则是利用逻辑控制电路完成。底层硬件平台与p c 机之间由u s b 通信 模块实现数据高速通信。 逻辑控制模块是整个仪器的核心部分，它由硬件描述语言编程完成，此部分设计将在第 四章进行详细介绍。 下面将从硬件实现方面对各部分电路进行详细的介绍。 3 2 数字示波器硬件模块详细介绍 3 2 1 电源模块电路 本系统的供电方案在第二章中已做详细论证，在此不再累述。本节主要是针对方案提出 解决方法。 本系统是由开关电源供电，该开关电源产生+ 5 v 电压。而硬件平台上使用了5 v 、3 3 v 、 1 2 v 的电压，因此必须对电源电压进行变换得到所需电压等级。同时，设计中模拟电源和 数字电源也做分开处理，然后通过磁珠接在起，这样可以尽量阻隔二者之间的噪声干扰。 1 2 第三章数字示波器的硬件模块设计 + 3 3 v 和+ 1 2 v 电压则分别是由a m s l l l 7 3 3 v 和a m s i l l 7 - 1 2 v 产生。该模块框图如 图3 2 所示。 3 v a 图3 2 电源模块电路图 而5 v 电压经过两次电压变换产生产生，首先利用m c 3 4 0 6 3 a 产生1 2 v 电压，然后利 用m c 7 9 m 0 5 产生5 v 电压，具体实现过程在此做详细介绍。m c 3 4 0 6 3 a 是电压型d c i x ； 变换器，它的显著特点是体积小、集成度高、外围元件少、转换效率高、应用灵活方便，其 内部电路如图3 3 所示。此电路可连接成升压型电源、降压型电源或负电压输出电源，电路 的工作频率可达1 0 0 z 。 图3 3 电压型d c d c 变换器m c 3 4 0 6 3 a 该电路是由一个内部温度补偿的基准稳压器、比较器、带电流限制电路的占空比控制振 荡器、驱动器和大电流输出开关组成，输出电压通过电阻分压反馈到从5 脚输入的比较器反 相输入端，比较器的另一输入端为1 2 5 v 的基准电压，比较器的输出控制输出脉冲的占空比， 以稳定输出电压。通过7 脚输入的峰值电流检测信号控制振荡器输出脉冲的占空比以限制输 出电流。3 脚外接定时电容以确定振荡频率。o l 为功率输出开关管【8 】。 本设计使用m c 3 4 0 6 3 a 产生电压1 2 v ，具体电路图如图3 _ 4 所示。输出电压值通过改 变r 1 、r 2 的电阻值调整。输出电压符合公式： e 。：一( 1 + 竺竺) 1 2 5 v = 一1 2 v ( 3 - 1 ) 1 3 东南大学硕士学位论文 图3 - 4m c 3 4 0 6 3 a 产生负电压电路图 5 v 由1 2 v 经m c 7 9 m 0 5 产生，具体电路图如图3 5 所示。 = 图3 5 5 v 电源模块电路图 3 2 2 模拟通道调理模块电路 v 1 模拟通道调理电路的作用就是使输入信号满足a d 芯片的峰峰值要求，同时也扩大输 入信号的幅值范围。对于被测信号，如果幅值太小，则不满足系统测量的要求，而且采样恢 复后的信号幅值也会很小，以至于无法正确的观测信号，同时也无法充分利用a d 转换器 件的分辨率；如果幅值大于a d 芯片的电源电压，则会损坏芯片。因此必须将模拟信号的 电压范围调理到a d 芯片的可测范围内，这样才能正确、安全地进行a d 转换。另外，在 对电路的某个信号进行测量时，不能对被测电路的其他部分造成影响，这样就要求其输入阻 抗很大。 基于以上原因，在本系统中对输入的模拟信号进行了调理，保证在精确测量的同时保护 仪器本身和测量电路的安全，并且不对被测电路造成影响【9 1 。本系统的通道调理电路主要由 衰减控制，阻抗变换，主放大级，偏置调节等部分组成。其结构框图如图3 6 所示。 耦合切换可以选择输入信号的耦合方式为直流或交流方式，由a 1 c 0 信号控制继电器的 通断来实现。根据设计的要求，信号调理通道要求输入放大电路的信号的幅值为5 v + 5 v ， 可以使用两个箝位二极管来实现，从而达到过压保护的目的。 1 4 第三章数字示波器的硬件模块设计 单i 意目 6 8 2 0 p 弋7 z l = r 5 4 + 焘 ( 3 2 ) z 2 = r 4 4 + 赢 ( 3 3 ) z 2 2 = 心3 + ( 3 - 4 ) j w l 5 z ，= 麓= 彘 p 6 ， z o = 遘= 去 旦：土：墨：! ! ! 鉴上 1 5 ( 3 7 ) 因此该电路的衰减量 ( 3 8 ) 东南大学硕士学位论文 l l 以上是以衰减量为磊的电路图分析了设计原理，衰减量为i 的设计与之相似，在此不 u 二 在累述。 由于示波器的输入阻抗是l m q ，所以需要利用阻抗变换电路将高的输入阻抗变换成低 的输出阻抗，从而实现阻抗匹配，该功能设计由高带宽的o p a 3 5 5 实现同相电压跟随器功能。 信号放大电路是模拟通道调理电路的重要组成部分，它的作用是将输入的小信号放大， 使其满足a d 转换的幅值要求。该电路要求信号在电路中的失真尽量小，增益稳定。因此 选择了t i 公司的高带宽，低功耗的电流反馈型运算放大器o p a 6 9 5 。当增益较高( g = + 8 ) 时， o p a 6 9 5 可提供大于4 5 0 m h z 的带宽，当增益较低( g = + 2 ) 时，o p a 6 9 5 提供1 4 g h z 的带 宽，完全能够满足设计要求。在运放的电路设计中，通过继电器通断来选择不同的反馈电阻 ，从而得到放大倍数2 ，1 0 或者2 0 ，继电器由a i c 2 和a 1 c 3 信号来控制。 由以上分析可知，经过衰减放大电路后，每通道模拟信号的衰减放大倍数共有以下几 1 种数值：x 7 - 、1 、x 2 、1 0 ，各由a 1 c 0 a 1 c 3 ，a 2 c 0 - a 2 c 3 控制。 差分放大电路可将单端信号转换成差分信号，它的选型和设计原则都是依据模数转换器 的使用而确定，因此，此部分设计将放在下一节与模数转换器一起作详细介绍。 3 2 3a d 转换模块电路 a d 转换电路是数字示波器系统的核心，它的性能直接关系到整个系统的指标。该电路 完成由模拟信号到数字信号的转换，即经过调理后的模拟信号进入a d c ，转换成数字信号。 1 、信号采样理论介绍 对于模数转换芯片来说，采样频率的大小决定了被测信号的范围，两者之间的关系可以 用采样定理来确定。 香农( s h a n n o n ) 采样定理：对于数字信号处理来说，当一个信号中包含有多个频率成分 时，为了避免混叠产生，采样频率必须高于信号频率成分中中最高频率f 。的2 倍， 即f 2 f m 。 奈奎斯特( n y q u i s t ) 采样定理：设有一个频率带限信号x ( t ) ，其频带限制在( 0 ，毛) 范围内， 如果以不小于f s - - 2 f a 的采样速率对t ) 进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号 x ( n ) = x ( n t ) ( 其中t = i f , 称为采样间隔) ，则原信号x ( t ) 将唯一地被所得到的采样样本x ( n t ) 完全确剧1 0 j 。为了避免混叠，一般在模数变换前加入一个保护性的前置低通滤波器，其截 止频率为让，以便滤除高于f j 2 的频率分量。本设计是在a d 8 3 1 8 的输出端连接r c 滤波 电路，如图3 8 所示。 2 、采样方式 采样定理为我们确定采样频率提供了理论依据，但在具体实现由连续信号到离散信号的 转换过程中，又涉及到采样方式问题。设计采样方式的总的原则是：以保证采样精度为前提， 以被测信号的具体特性为依据，尽量以较低的速率实现采样，从而减少数据量，降低对传输、 变换系统的要求，提高数据处理的效率。 由于被测信号的种类多种多样，相应的采样方式也千差万别。基本采样方式可分为两大 类：实时采样( r e a l - t i m es a m p l i n g ) 和等效时间采样( e q u i v a l e n t t i m es a m p l i n g ) 。对于实时采 样，当数字化开始，信号波形的第一个采样点就被采样并数字化，经过一个采样间隔，再采 入第二个子样，这样一直将整个信号波形数字化后存入波形示波器。实时采样的优点在于信 1 6 第三章数字示波器的硬件模块设计 号波形一到就采入，因此适用于任何形式的信号，重复的或不重复的，单次的或连续的。又 由于所有的采样点都是以时间为顺序，因而易于实现波形显示功能【l l 】。当通过实时采集模 式时，由于示波器工作在单次触发模式，连续实时采集所有信号，所以它不受示波器多次触 发带来的触发抖动影响。 等效时间采样与实时采样的不同之处在于等效时间采样示波器的每次触发只对输入信 号采样一次。等效时间采样过程对于输入信号进行跨周期采样，每个取样点相当于前一个取 样点时间延迟一段时间，经过多次取样，最后将被测信号的波形展宽显示出来。这样，通过 若干个周期对波形的不同点的采样，就实现了用较低的采样频率对较高频率的信号进行离散 化。缺点是由于它采用的是多次触发，多次采样，累计显示的工作方式，对于电路设计和调 试而言受到较多的限制，容易造成多次触发带来的触发抖动影响。 本系统主要是在高校实验室使用，被测模拟信号的带宽一般不会很高，因此实时采样方式足 以满足本设计要求。 3 、差分放大器a d 8 3 1 8 驱动模数转换 差分信号比单端信号拥有更强的抗噪声能力，在同样的供电电压情况下，差分运放可以 使输入范围增加一倍，而且差分放大器的输出级在消除电流尖峰的同时也能为精确采样提供 低阻抗源，所以进入a d 转换的输入信号采用了差分信号。 本电路中利用a d i 公司的差分运放a d 8 1 3 8 将单端信号转成差分信号，它是一种高速 差分放大器，- 3 d b 带宽3 2 0 m h z ，采用5 v 的电源供电，可以调整差分输出的共模电压及 增益。它的输入阻抗高达6 mq ，可以直接与输入信号相连从而省略隔离放大器。与普通运 放不同的是它多了一个v o c u 端，加电压在v o c u 端可以设置共模输出电压，比率为l ：l 。 比如在v o c m 端) ) f l + l v 的直流电压，输出端+ o u t 和o u t 的直流偏置被设置为l v ，差分运 放电路如图3 8 所示1 1 2 j 。 图3 8 的电路中，两个7 5q 的电阻用来隔离a d c 的容性负载和放大器从而确保稳定。 同时，这些电阻也是低通滤波器的一部分，用来实现抗混叠滤波和削弱噪声的功能。两个 3 9 p f 的电容用来消除由于a d c 内部开关电路引起的电流尖峰，同时也是a d c 输入的低通 滤波器的关键部分。 r 8 5 c h l 、i v a o 3 v a a dv r e fr 7 7 一 - - - v c v - i k ( m 1 0 f f 甄丌 4 9 9v c x b v a v 日巳a r 8 4 图3 - 8 差分运放电路图 图3 8 中滤波器的截止频率 z2 丽面砸l 面丽硼 1 7 c h l 0 u r c 3 3 3 9 p f c h l 0 i 叶 ( 3 - 9 ) 蘧 聊忡巧 勉忡；。 聊一 一 一脚仍 嚼 东南大学硕士学位论文 注：a d c 的输入电容在计算滤波器频率响应的时候必须要考虑。设计中是差分输入， 故计算中a d 9 2 8 8 有效输入电容2 p f 的值要加倍。 4 、a d 转换电路设计 在选择a d c 芯片时，最重要的时候明确使用目的，在满足性能要求的情况下，尽量选 取价格便宜的a d c ，即要选取性价比高的芯片。因此本设计选择a d 公司8 位字长的a d c 芯片a d 9 2 8 8 。 a d 9 2 8 8 是一种高速、低功耗，双通道8 位转换精度，输入模拟带宽可达4 7 5 m h z ，最 高采样率为i o o m s p s 的a d 转换器【1 3 i 。图3 - 9 为其功能结构图。 v d d v o g n d v d d d 7 s e l e i c t s e l e c t 2 d t f o r m t s e l e c t d 7 - - - 图3 - 9a d 9 2 8 8 功能结构框图 a d 9 2 8 8 要求有信号输入时输入电平范围为( 1 0 5 ) v ，即在+ o 5 v 斗1 5 v 之内，设计 中采用差分模拟输入方式，利用差分运放a d 8 1 3 8 作为a d c 的驱动芯片，它能够完成极性 变换和电平变换功能。具体使用方法在上- - d , 节中已经介绍，下面将详细介绍a d 9 2 8 8 在系 统中的配置以及与外围电路的连接。 ( 1 ) 电源 为了防止高速的数字输出变化将开关电流耦合进模拟电源，a d 9 2 8 8 的模拟电源v d 和 数字电源v d d 分别使用v c c 3 3 v a 和v c c 3 3 v d 进行供电。同时尽可能地在靠近电源的位 置放置0 1 u f 的陶瓷电容进行高频滤波，并联放置1 0 u f 的钽电容滤除低频噪声。 ( 2 ) 时钟电路 在应用高速a d 转换器时，转换时钟的稳定性将影响到转换结果的稳定性。在本设计 中a d 时钟由有源晶振产生，再由f p g a 中的分频电路，输出上位机所选时基下对应的采 样时钟，最后将时钟输入到a d 9 2 8 8 两个通道的时钟输入端e n c a 、e n c b ，两个通道使用 同一个时钟。 ( 3 ) 基准电压源 基准电压源的主要用途是为系统提供一个精确的参考电压。a d 转换器件是将模拟输入 电压与基准电压源相比较，得到数字信号。在本设计中利用了a d 9 2 8 8 的内部的1 2 5 v 基准 电压源作为参考电压，也就是将参考电压的输出端r e f o t r r 直接和两个通道的参考电压输入 端r e f r s a 、r e f t n b 直接相连，并接入o 1 u f 的电容去耦，以减少高频噪声的影响，这样使 a d 转换基准电压源电路设计简单、可靠。 1 8 小万 一m 徊 雨胡 耵 耶 第三章数字示波器的硬件模块设计 ( 4 ) 工作方式 a d 9 2 8 8 有2 个工作方式配置引脚：s 1 ，s 2 。本设计中采用了s i = i ，s 2 = 0 方式，即a 通道和b 通道都接同一个时钟，两个通道同时输出数据，这样就可以简化a d 时钟电路和 a d 采样结果保存电路。两通道转换时序图如图3 1 0 所示。 f i g u r e1 n o r m a lo p e r a t i o n , s a m ec l o c kt s1i1 s 2io jc h a n n e lt i m i n g 图3 1 0a d 转换时序图 ( 5 ) 数字采样输出方式 a d 9 2 8 8 输出数据为t t l c m o s 兼容电平，数字采样输出可以为偏移二进制码或二进 制补码格式，由d f s 引脚的电平选择。本设计中令d f s = 0 ，即以偏移二进制码输出。当输 入电压在0 5 v 1 0 v 范围内时，数字量输出为0 x o o 0 x 7 f ，输入电压在1 0 v1 5 v 范围 内时，数字量输出为0 x s 0 - - 0 x f f 。 ( 6 ) 量化误差 在一个包含a d 转换器的数字采集系统中，当输入噪声电平较低时，可以看作是理想 情况，此时系统噪声主要是量化噪声。 理想a d c 采用均匀量化，其转换交流信号的误差仅仅是量化误差。量化误差是由a d c 的有限分辨率而引起的误差。理想a d c 产生的最大量化误差是1 2 v q ( v q 为量化电压) 。 当a d c 的满量