（电路与系统专业论文）基于单片机及CPLD的数字存储示波器的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 摘要：示波器的发展在今天已经相当成熟，作为教师和工程师的好帮手，示 波器被广泛地应用于电子测量教学及科研领域。基于单片机和c p l d 的数字存储 示波器技术，是一种低成本的数字示波器技术，并且具有操作简单，集成度高， 灵活易用等优点，特别适合高校及科研院所的教学及工程测量应用。在传统示波 器已经非常普及的今天，它的低成本也非常符合对传统示波器进行数字化改造的 需求。基于此，我将通过学习和研究数字示波器的原理及构造，完成一台基于单 片机及c p l d 技术的数字示波器的软硬件部分的设计和实现，提供了一种低成本 的对传统示波器进行数字化改造的方案。 本文介绍了数字存储示波器的基本概念及原理，描述了设计和实现一台低成 本的基于单片机及c p l d 技术的数字存储示波器( d s o ) 的硬件和软件部分的过程。 此d s o 具有双通道模拟信号输入及存储功能，相对较高的采样速率，较大的观测 带宽，存储深度为2 k b i t s ，记录时间可达8 毫秒，模数转换分辨率为8 位。 其硬件部分主要由a d 转换器、逻辑缓冲区、存储器和控制逻辑组成。控制 逻辑是在复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 上设计实现的。采用c p l d 进行设计使硬件 系统更具灵活性和可改进性。此d s o 系统中具有高级的触发模式( 例如预触发) 以 及可选择的采样速率，使系统多样化、易用，且具有较好的实用性。 其单片机软件部分在k e i lu v i s i o n 的集成开发环境中用c 语言写成的，c p l d 软件部分在q u a r t u si i 开发环境中用v h d l 语言写成。它们相互结合起来，设计了 对采集的数据信号的读取和显示，用户并可以通过键盘来实现对d s o 的控制，整 体系统能够满足高校基础实验室的基本要求，为对传统示波器进行数字化改造提 供了一种良好的低成本解决方案。 本论文共有图5 4 幅，表8 幅，参考文献2 5 篇 关键词：数字存储示波器；单片机：c p l d ：存储器；触发；印制电路板p c b 分类号：t p 2 1 9 + 1 a b s t r a c t a b s t r a c t ：o s c i l l o s c o p e si nt h ed e v e l o p m e n to ft o d a ya r ea l r e a d yq u i t e m a t u r e a sag o o dh e l p e rf o rt h et e a c h e r sa n de n g i n e e r s ，t h eo s c i l l o s c o p ei sw i d e l yu s e d i nt h ea l e ao fe l e c t r o n i cm e a s u r i n gf o rt e a c h i n ga n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h t h ed i g i t a l s t o r a g eo s c i l l o s c o p eb a s e do ns c ma n dt h ec p l d ，i sal o w - c o s td i g i t a lo s c i l l o s c o p e t e c h n o l o g y , a n di ss i m p l e ，i n t e g r a t e d ，e a s y - t o u s ea d v a n t a g e so ff l e x i b i l i t y , e s p e c i a l l y f o ru n i v e r s i t i e s ，r e s e a r c hi n s t i t u t e sa n dt h et e a c h i n go fm e a s u r e m e n ta p p l i c a t i o n s t o d a y , t h et r a d i t i o n a lo s c i l l o s c o p e sh a sb e e nv e r yp o p u l a r ，i ti sa l s ov e r ym u c hi nl i n ew i t ht h e c o s to ft r a d i t i o n a lo s c i l l o s c o p et ot h en e e d so fd i g i t a lt r a n s f o r m a t i o n 。b a s e do nt h i s ，1 w i l ls t u d ya n dr e s e a r c ho ft h ed i l g i t a lo s c i l l o s c o p ea n dt e c t o n i ct h e o r y , c o m p l e t et h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep a r to fad i g i t a lo s c i l l o s c o p eb a s e d o nt h ec o m p l e t i o no fam i c r o c o n 仃d l l e ra n dc p l dt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , t h eb a s i cc o n c e p t sa n dp r i n c i p l e so ft h ed i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p ei s i n t r o d u c e d ，a n dd e s c r i b e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fal o w - c o s td i g i t a ls t o r a g e o s c i l l o s c o p e ( d s o ) h a r d w a r ea n ds o f t w a r ep a r tb a s e do nm c u a n dc p l dt e c h n o l o g y t h ed s oh a sd u a l - c h a n n e la n a l o gi n p u ta n ds t o r a g e ，r e l a t i v e l yh i g hs a m p l i n gr a t e ， o b s e r v i n gt h el a r g e rb a n d w i d t h , s t o r a g ed e p t h o f3 k b i t s ，r e c o r d i n gt i m eu pt o8 m i l l i s e c o n d s ，a n da n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o nr e s o l u t i o no fe i g h t i t sm a j o rh a r d w a r ei n c l u d e ss o m eo ft h ea dc o n v e r t e r s ，b u f f e rl o g i c ，a n dm e m o r y a n dc o n t r o ll o g i cc o m p o n e n t s t h ec o n t r o ll o g i cd e v i c e si sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d o nc p l d c p l du s e dt od e s i g nt h eh a r d w a r es y s t e mm o r ef l e x i b l ea n dc o u l db e i m p r o v e d 。t h i sd s os y s t e mw i t ha d v a n c e dt r i g g e rm o d e ( s u c ha sp r e t r i g g e r ) ，a n d c h o o s et h es a m p l i n gr a t e ，a l l o w i n gt h es y s t e mt od i v e r s i t y , u s e r - f r i e n d l ya n dh a sb e t t e r p r a c t i c a l i t y t h es c ms o f t w a r ei ns o m eo fi t sk e i lu v i s i o ni n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t u s i n gt h ecl a n g u a g e ，c p l dp a r ti nt h eq u a r t u s i is o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t u s i n gv h d ll a n g u a g e t h e yc o m b i n e dw i t he a c ho t h e r , c o m p l e t e dt h ea c q u i s i t i o no f r e a d i n gt h ed a t as i g n a l sa n dd i s p l a y , k e y b o a r du s e r sa n dc a nb ea c h i e v e dt h r o u g ht h e c o n t r o lo ft h ed s 0 k e y w o r d s ：d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ，s c m ，c p l d ，m e m o r y , t r i g g e r , p r i n t e d c i r c u i tb o a r d sp c b c i a s s n 0 ：t p 2 1 9 + 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 雄、田径、 签字日期：刀可年口n i t 日 导师签名： 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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了谢意。 学位论文作者签名：群词致签字日期：砂影年石月7 日 5 9 1 引言 数字存储示波器是2 0 世纪7 0 年代，发展起来的一种新型示波器。与模拟示 波器不同，数字存储示波器不是一种模拟信号的存储，也不是将波形存储在示波 管内的存储栅网上，而是将捕捉到的波形通过a d 转换进行数字化，而后存入示 波管外的数字存储器中。它可以方便的实现对模拟信号进行长期的存储并利用机 内微处理器系统对存储的信号作进一步处理。例如对波形的频率，幅值，前后沿 时间，平均值等参数的自动测量以及多种复杂的处理。数字存储示波器的出现使 传统示波器的功能发生了重大的变革，按目前数字示波器的发展，有数字示波器 和数字取样示波器。从发展趋势来看，数字示波器最终将取代模拟示波器。液晶 显示示波器和高分辨率彩色显示示波器将是示波器发展的两大主要趋势。 本文正是基于以上思路，采用单片机和c p l d 高速可编程逻辑器件，结合高 速d a 转换芯片，双口r a m 存储器和a d 芯片等，利用计算机软件辅助设计，构 建了一个功能全，体积小，模块化的数字存储示波器硬件平台，提供了一种低成 本的对传统示波器进行数字化改造的解决方案。 1 1 选题的背景和意义 1 1 1 数字存储示波器基本原理 l数字存储示波器的组成原理 一个典型的数字示波器原理框图如图所示，它又分实时和存储两种工作模式， 当处于实时工作模式时，其电路组成原理和一般模拟示波器是一样的。当处于存 储工作模式时，它的工作过程一般分为存储和显示两个阶段，在存储工作阶段， 模拟输入信号先经过适当的放大或衰减，然后经过取样和量化两个过程的数字化 处理，将模拟信号转化成数字化信号，最后，数字化信号在逻辑控制电路的控制 下一次写入到r a m 中。 触发 电鼹 a d 存储器 转换器 c r a m ) d j a 转换器 画 逻攀 挖制l 也路地上| l ：d a f 微处理器)计数器转换器 图i - i 数字示波器原理框图 f i g u r e1 - 1b l o c kd i a g r a mo f d i g i t a lo s c i l l o s c o p e 上述取样是获得模拟输入信号的离散值，而量化则是是每个取样的离散值经 a d 转换器转换成二进制数字，且取样。量化及写入过程都是在同一时钟频率下进 行的。在显示工作阶段，将数字信号从存储器中读出来，并经a d 转换器转换成 模拟信号，经垂直放大器放大加到c r t 的y 偏转版。与此同时，c p u 的读地址计 数脉冲加之d a 转换器，得到一个阶梯波的扫描电压，加到水平放大器放大，驱 动c r t 的x 偏转板，从而实现在c r t 上以稠密的光点包络重现模拟信号。 显示屏上显示的每个点都表示数字存储示波器捕获的一个数据字，点的垂直 屏幕位置由对应的存储单元的二进制数据给出，点的水平屏幕位置由对应的存储 单元二进制地址给出。若经d a 转换的模拟信号内插器的插值处理，还可以使点 显示变为连续显示。 数字存储示波器对模拟量进行实时取样。实时取样是对一个周期内的信号的 不同点取样，它与取样示波器的跨周期取样是不同的。n 个取样点得到的数字量 分别存储于地址号为o o h 0 n h 的n 个r a m 存储单元中，这样，采样点所存储的 地址信息即表示了采样点的时间信息。在显示时，依序取出采样离散化数据，经 d a 变换后的输出送到y 偏转板；同时存储单元地址号从0 0 h 0 n h 也经过d a 转 换，形成阶梯波，并送到x 偏转板。在共同作用下，荧光屏上将显示离散的亮点。 只要x 方向和y 方向的量化程度足够精细，这些离散的亮点就能准确代表被测波 形。 将数字存储示技术和微处理器用于取样示波器，可以构成存储取样示波器。 2 数字存储示波器的工作方式 ( 1 ) 数字存储示波器的功能数字存储示波器的随机存储器删按功能可分为 信号数据存储器，参考波形存储器，测量数据存储器和显示缓冲存储器四种。信 纣撇 张懒一 蒸藏一 警篱者，i转?。 时 以 戈 、一 卿者 6仃 蘩黔鬻鬻 入 渝 号数据存储器存放模拟信号取样数据；参考波形存储器存放参考波形的数据，它 采用电池供电，或采用非易失性存储器，故可以长期保存数据；测量数据存储器 存放测量量与计算的中间数据和计算的结果，和一般微机化仪器的随机存储器作 用基本相同；显示缓冲存储器存放现时代波形，荧光屏上显示的信息均有显示缓 冲存储器提供。 ( 2 ) 触发工作方式数字存储示波器的触发方式包括常态触发和预置触发两种方 式 1 ) 常态触发。常态触发是在存储工作方式下自动形成的，同模拟示波器基本一 样，可通过面板设置触发电平的幅度和极性，触发点可处于复现波形的任何位置 及存储波形的末端，触发点位置通常用加亮的亮点来表示。 2 ) 预置触发预置触发即延迟触发，是人为设置触发点在复现波形上的位置， 它是在进行预置之后通过微处理器的控制和计算功能来实现的。由于触发点位置 的不同，可以观测到触发点前后不同区段上的波形，这是因为数字存储示波器的 触发点只是一个存储的参考点，而不一定是取样，存储的第一点。预置触发对显 示数据的选择带来了很大的灵活性。 ( 3 ) 测量和计算工作方式数字存储示波器对波形参数的测量分为自动测量和手 动测量两种。一般参数的测量为自动测量，及示波器自动完成测量工作，并将测 量结果以数字的形式显示在荧光屏上，特殊值的测量使用手动光标进行测量，即 光标测量。光标测量指的是在荧光屏上设置两条水平光标线和两条垂直光标线， 这四条光标线可在面板的控制下移动，光标和波形的交点，对应于信号存储器中 的相应的数据。测量时，示波器在测量程序控制下，根据光标的位置来完成测量， 并将测量结果以数字形式显示在荧光屏上。 ( 4 ) 面板按键操作方式数字存储示波器的面板按键分为执行键和菜单键两种， 按下执行键后，示波器立即执行该项操作。当按下菜单键时，屏幕下方显示一排 菜单，屏幕有方则显示对应菜单的子菜单，然后按子菜单下所对应的软键执行相 应的操作。 3 数字存储示波器的显示方式 由于数字存储示波器可以对被测信号存储，波形的采集和显示可以分开进行， 与宽带示波器相比，采集速度和显示速度可不相同，因此采集速度很高的数字存 储示波器对其显示的速度要求不高。 数字存储示波器的显示方式灵活多样，具有基本显示，抹迹显示，卷动显示， 放大显示和x y 显示等，可适应不同情况下波形观测的需要。 ( 1 ) 存储显示存储显示方式是数字示波器的基本显示方式，适用于一般信号的 观测，在一次触发形成并完成信号数据的存储后，经过显示前的缓冲存储，并控 制缓冲存储器的地址顺序，依次将欲显示的数据读出并进行d a 变换，然后将信 号稳定的显示在荧光屏上。 ( 2 ) 抹迹显示抹迹显示方式适用于观测一长窜波形中在一定条件才会发生的瞬 态信号。抹迹显示时，应先根据预期的瞬态信号，设置触发电平和极性；观测开 始后仪器工作在末端触发和预置触发相结合的方式下，当信号数据存储器被装满 单瞬态信号未出现时，实现末端触发，在荧光屏上显示一个画面，保持一段时间 后，被存入的数据更新。若瞬态信号仍未出现，在利用末端触发显示一个画面， 这样一个个画面显示下去，如同为了查找莫个内容，一页页的翻书一样，一旦出 现预期的瞬态信号则立即实现预置触发，将捕捉到的瞬态信号波形稳定的显示在 荧光屏上，并存入参考波形存储器中。 ( 3 ) 卷动显示卷动显示方式适于观测缓变信号中随机出现的突发信号，它包括 两种方式，一种是新波形逐渐代替旧波形，变换点自左向右移动；另一种是波形 从右端向左一定，在左端消失，当异常波形出现时，可按下存储键，将此波形存 储在荧光屏或存入参考波形存储器中，一边做更细致的观测与分析。 新波形到来 移出，消逝 输入波形放大显示波形 ( a ) 卷动显示 ( b ) 放大显示 图l - 2 两种显不方式 f i g u r e1 - 2s h o w st w ow a y s ( 4 ) 放大显示放大显示方式适于观测吸信号波形的细节，此方式是利用延迟扫 描的方法实现的，此时荧光屏一分为二，上半部分显示原波形，下半部分显示放 大了的部分，其放大位置可用光标控制，放大比例也可调节，还可以用光标测量 放大部分的参数。 ( 5 ) x y 显示与通用示波器的显示方法基本相同，一般用于显示丽萨如图形， 此处不做详述。 ( 6 ) 显示的内插数字存储示波器是将取样数据显示出来，由于取样点不能无限 增多，能够做到正确显示的前提是足够的点来重新构成信号波形。考虑到有效存 储带宽问题，一般要求每个信号显示2 0 2 5 个点。但是较少的采样点会造成视觉误 差，可能使人看不到正确的波形。数据点插入技术可以解决显示中视觉错误的问 题。数据点插入技术常常使用插入器将一些数据插在所有相邻的取样点之间，主 4 要有线性插入和曲线插入两种方式。 4 数字存储示波器的特点 与模拟示波器相比，数字存储示波器具有以下几个特点： ( 1 ) 波形的取样存储与波形的显示是独立的在存储工作阶段，对快速信号采用 较高的速率进行取样和存储，对慢速信号采用较低速率进行取样和存储，但在显 示工作阶段，其读出速度可以采用一个固定的速率，不受采样速率的限制，因而 可以清晰而稳定的获得波形，可以无闪烁的观测被测极慢变化信号，这是模拟示 波器无能为力的。对观测极快信号来说，数字存储示波器采用低速显示，可以使 用低带宽，高精度，高可靠性而低造价的光栅扫描示波管。 ( 2 ) 能长时间的保存信号由于数字存储示波器是把波形用数字方式存储起来， 其存储时间在理论上可以是无限长。这种特性是对观察单次出现的顺便信号极为 重要，如单次冲击波，放电现象。 ( 3 ) 先进的触发功能它不仅能显示触发后的信号，而且能显示触发前的信号， 并且可以任意选择超前或滞后的时间。除此以外，数字存储示波器还可以提供边 缘触发，组合触发，状态触发，延迟触发等多种方式，来实现多种触发功能。 ( 4 ) 测量准确度高数字存储示波器由于采用晶振做高稳定时钟，有很高的测时 准确度，采用高分辨率a d 转换器也能使幅度测量准确度大大提高。 ( 5 ) 很强的数据处理能力数字存储示波器由于内含微处理器因而能自动实现多 种波形参数的测量和显示，例如上升时间，下降时间，脉宽，峰峰值等参数的测 量与显示，能对波形实现取平均值，取上下限值，频谱分析以及对两波形进行加 减乘除等多种复杂的运算处理，还具有自检与自校等多种操作功能。 ( 6 ) 外部数据通信接口数字存储示波器可以很方便的将存储的数据送到计算机 或其他的外部设备，进行更复杂的数据运算和分析处理。还可以通过g p i b 接口与 计算机一起构成自动测试系统。 5 数字存储示波器的主要技术指标 数字存储示波器与波形显示有关技术指标与模拟示波器相似，下面仅讨论与 波形存储部分有关的主要技术指标。 ( 1 ) 最高取样速率最高取样速率指单位时间内的取样的次数，也称数字化速率， 用每秒钟完成的a d 转换的最高次数来衡量。常以频率来表示，取样速率越高， 反应仪器捕捉高频或快速信号的能力愈强。取样速率主要由a d 转换速率来决定。 数字存储示波器的测量时刻的实时取样速率可根据被测信号所设定的扫描时 间因数( 即扫描一格所用的时间) 来推算。其推算公式为 厂= 而n ( 1 - 1 ) 式中，n 为每格的取样点数，t 为扫描时间因数。 ( 2 ) 存储带宽( b ) 存储带宽与取样速率密切相关，根据取样定理，如果取样速 率大于或等于二倍的信号频率，便可重现原信号。实际上，为保证所显示波形的 分辨率，往往要求增加更多的取样点，一般取n = 4 _ 1 0 倍或更多，即存储带宽。 ( 3 ) 分辨率分辨率指示示波器能分辨的最小电压增量，即量化的最小单元。它 包括垂直分辨率( 电压分辨率) 和水平分辨率( 时间分辨率) 。垂直分辨率与a d 转换的分辨率相对应，常以屏幕每格的分级数( 级d i v ) 或百分数来表示。水平分 辨率由取样速率和存储器的容量决定，常以屏幕每格含多少个取样点或用百分数 来表示。取样速率决定了两个点之间的时间间隔，存储容量决定了一屏内包含的 点数。一般示波管屏幕上的坐标刻度为8 * 1 0 d i v ( 即屏幕垂直显示格为8 格，水平 显示格为1 0 格) ，如果采用8 位的a d 转换器( 2 5 6 级) ，则垂直分辨率表示为3 2 级d i v ，或用百分数来表示为1 2 5 6 = 0 3 9 ：如果采用容量为1 k 的r a m ，则水平 分辨率为1 0 2 4 1 0 = 1 0 0 点d i v 。 ( 4 ) 存储容量存储容量又称记录长度，它由采集存储器( 主存储器) 最大存储 容量来表示，常以字为单位。数字存储器常采用2 5 6 ，5 1 2 ，1 k 等容量的高速半导 体存储器。 ( 5 ) 读出速度读出速度是指将数据从存储器中读出的速度，常用“时间d i v 来表示，其中，时间为屏幕上每格内对应的存储容量宰读脉冲周期。使用中应根据 显示器，记录装置或打印机等对速度的要求进行选择。 1 1 2c p l d 技术概述 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 是c o m p l e xp l d 的简称，一种较 p l d 为复杂的逻辑元件。 c p l d 是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本 设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应 的目标文件，通过下载电缆( “在系统”编程) 将代码传送到目标芯片中，实现设 计的数字系统。 2 0 世纪7 0 年代，最早的可编程逻辑器件一p l d 诞生了。其输出结构是可编程 的逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成( 相当于房子盖好后人工设 计局部室内结构) ，因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过 于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为弥补p l d 只能设计小规模电 路这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代中期，推出了复杂可编程逻辑器件c p l d 。目前应 用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。 6 它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、 设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、 价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型 设计和产品生产( 一般在1 0 ，0 0 0 件以下) 之中。几乎所有应用中小规模通用数字集成 电路的场合均可应用c p l d 器件。c p l d 器件已成为电子产品不可缺少的组成部 分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。 c p l d 是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本 设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应 的目标文件，通过下载电缆( “在系统编程) 将代码传送到目标芯片中，实现设 计的数字系统。 1 1 3 采样方式 实时采样是在信号存在期间对其采样，如图1 3 所示。采样频率必须满足采样 定理，对于周期性的正弦信号，一个周期内应该大于两个采样点，通常考虑实际 因素的的影响，按照所采用信号的恢复方式选取相应的采样点数。实时采样中， a d c 必须高于最高采样频率才能正确的工作，因此，a d c 的转换速率决定最高采 样频率。 输入信号 v i ( t ) 取样脉冲 p ( t ) 取样信号 v 。( t ) il | 醐将趟技主，i 亍一1 | 一寸1 卜、十上皇皇k 图l 3 实时采样方式 f i g u r e1 - 3r e a l t i m es a m p l i n gm e t h o d s 等效时间采样 受a d c 转换速率的限制，实现高频信号的实时采样比较困难，如果采用采 样频率高的a d c 器件，则价格难以接受。对于周期信号可以采用等效时间采样 方法。 7 输入信号 取样脉冲 雩篓童翼蒌亨l l _ _ 一 电路后的信号 !l ，1 ( 显示波形 i l 一一一一一一= 二二= ：= j i i 一- 图1 4 非实时采样方式 f i g u r e14n o n - r e a l - t i m es a m p l i n gm e t h o d s 等效时间采样分为两种：顺序采样和随机重复采样。 顺序采样是对每一个信号周期仅采样一个点，用步进延迟的方法，对每周期 信号波形的不同点进行采样，从而获得整个波形的采样数据。所谓步进延迟是每 一次采样比上一次采样点的位置延迟，一般以触发信号作为基准，每触发一次， 往后延迟一定的时间。只要精确控制从触发获得采样的时间延迟，就能够准确的 恢复出原始信号，如图所示。对于高频信号可以借助分频的方法，每隔几个甚 至几百个信号周期对波形采样一次，用这样的方法可以恢复原始信号。 由于顺序采样的所有采样都是在触发信号之后发生的，因此不能够提供触发 前的信息，随机重复采样可以克服这一局限。随机重复采样可以在触发信号之前 采样，也可以在出发后采样。采样频率与a d c 的转换速率无关，只与相对触发 信号如何精确布置采样点有关。 1 1 4 论文的选题和意义 数字存储示波器是随着数字集成电路技术的发展而出现的新型智能化示波 器，己经成为电子测量领域的基础测试仪器。随着新技术、新器件的发展，它正 在向宽带化、模块化、多功能和网络化的方向发展。数字存储示波器的优势是可 以实现高带宽及强大的分析功能。现在高端数字存储示波器的实时带宽已达到 2 0 g h z ，可以广泛应用于各种千兆以太网、光通讯等测试领域。而低端数字存储示 波器几乎可以应用于国民经济各个领域的通用测试，同时可广泛应用于高校及职 业学校的教学，为社会培养众多的后备人才。数字存储示波器的技术基础是数据 采集，其设计技术可以应用于更广泛的数据采集产品中，具有深远的意义。 为了适应大规模集成数字电路、单片机、可编程逻辑器件的实验教学，需增 加逻辑分析仪即数字示波器) 目前数字示波器是模拟示波器价格的2 - 3 倍，要投入 新设备需要大量的资金，在资金不足的情况下可采用就地取材的方法，将实验室 的模拟示波器改进成具有数字化存储功能的简易数字存储示波器，满足了对实验 设备的要求) 而且开发设计的费用比新购一台数字存储示波器的价格低1 0 倍左 右。 模拟示波器数字化存储功能设计的具体做法，是单独设计一个具有数据采集、 数据存储、数据测量的逻辑电路模块( 简称采集存储模块) ) 这个采集存储模块与 模拟示波器互相独立，如果把采集存储模块与模拟示波器组合既是简易数字存储 示波器) 如果把采集存储模块与模拟示波器分开，模拟示波器还是保持原来的使用 功能) 这样，经过对模拟示波器的改进既可作为模拟示波器用，又可作为数字存储 示波器用，既满足了教学的需要又节约了经费，算是一举两得。 1 2 国内外研究现状 自从1 9 7 2 年世界上第一台数字存储示波器( d s o ，又称数字示波器) l h - 世以来， 经历了三个发展阶段。1 9 8 6 年以前为d s o 发展的初期阶段，当时的取样率较低， 一般不超过5 0 m s a s ，带宽在2 0 m h z 以下，结构形式以数字存储加传统模拟示波 器二合一的组合式为主，功能少，性能低。主要代表性产品有美国哥德( g o u l d ) 公 司生产的4 0 3 5 ，h p 公司生产的h p 5 4 2 0 0 。1 9 8 6 年1 9 9 4 年，伴随高速a d c 和高速r a m 的迅速发展，d s o 的发展也进入了快车道，取样率达到了4 g s a s ， 记录长度超过3 2 k 。每年各示波器生产厂商都推出新的型号，技术上开始走向成 熟。1 9 8 9 年，h p 公司率先停止了模拟示波器的生产，专心培育数字示波器市场。 到1 9 9 3 年，d s o 的销售额就超过了传统模拟示波器，使持续将近半个世纪的模拟 示波器市场发生动摇。1 9 9 5 年以后，d s o 在技术上己经成熟，带宽在1 0 0 m h z 以 上，d s o 已经完全取代了模拟示波器。2 0 0 4 年1 0 月，a g i l e n t 公司推出了具震 撼性的d s 0 8 1 3 0 4 a 数字存储示波器，带宽3 g h z ，上升时间2 3 p s ，最高采样率 4 0 g h z 。这时，除了继续提高取样率( 最高达4 0 g s a s ) 、带宽( 达2 0 g h z ) 和增加记 录长度( 达1 6 m b ) j b ，d s o 制造商开始向1 0 0 m h z 以下带宽的通用d s o 方向发展， 并且性价比迅速提高。1 9 9 6 年，a g i l e n t 公司面向通用d s o 市场推出了1 0 0 m h z 带宽的数字存储示波器5 4 6 4 5 a 及首款混合信号示波器5 4 6 4 5 d 。a g i l e n t 公司在 后续推出的5 4 6 2 0 4 0 a d 系列混合信号示波器中提供了强大的串行触发能力，包 括s p i 、u s b 、i z e 、l i n 、和e a n 等。通用d s o 的单台价格己接近同档次的模拟 示波器水平。目前，1 0 0 m h z 以下的d s o ，将与模拟示波器同时并存发展。虽然 模拟示波器本身也在不断的数字化，增加数字显示和光标测量的功能，但是，模 拟示波器无法具备d s o 所特有的预触发、存储和数据处理等测量功能。可以预计， 9 通用d s o 全面取代模拟示波器的日子不会很远了。 目前，1 0 0 m h z 数字存储示波器的代表性产品，国外的主要有a g i l e n t 公司的 5 0 0 0 系列，t e k t r o n i x 公司的t d s l 0 0 0 、t d s 2 0 0 0 系列。国内d s o 的研制工作起 步较晚，第一台d s o 于1 9 9 3 年在电子部4 1 研究所研制成功，但是起步水平较高， 最先推出的是取样率为4 0 m s a s ，带宽分别为7 5 0 m h z 和8 0 0 m h z 的两个型号产品。 到9 6 年就把带宽提高到了1 g h z 。9 8 年把取样率提高到1 g s a s 。研制中的1 0 0 m h z 带宽的深存储型d s o 已经取得了阶段性成果。目前主要的生产厂家是美国安捷伦 公司、泰克公司、力科公司、台湾的固纬公司、国内的中国电子科技集团第4 1 研 究所和北京普源精电公司等。 1 3 论文的主要工作 本课题将综合研究c p l d 技术，单片机技术，电源技术，模拟集成电路技术， s o p c 技术，显示技术等一系列较为先进的方法和技术，以c p l d 为硬件核心电路， 基于s o p c 技术和单片机技术设计和实现数字存储示波器，论文工作具有一定的 创新性和挑战性。 论文的主要工作如下： ( 1 ) 对电源，c p l d ，f p g a ，s o p c ，d s p 和单片机等方面的相关理论知识及其新技 术和新方法进行深入的学习和研究。 ( 2 ) 根据系统的功能的定义与描述进行系统的总体方案设计。 ( 3 ) 数字存储示波器系统硬件电路的设计与实现。 ( 4 ) 进行系统功能的软件设计，仿真与调试。 ( 5 ) 数字存储示波器信号调理电路、信号采集电路、波形重组电路、显示处理电 路及触发控制电路的设计研究。 ( 6 ) 数字存储示波器性能指标的测试方法及测试结果分析。 ( 7 ) 通过对扫速波形更新率关系的测试与分析，明确提高波形更新率的方法。 论文工作的难点是 ( 1 ) 高稳定度，高精度，高分辨率，高速转换速率的实现。 ( 2 ) 全数字化的控制技术的实现方法。 ( 3 ) 将各种功能模块以软件的形式构建，并在一块c p l d 芯片及两块单片机上实 现。 ( 4 ) 硬件电路的搭接，制作与调试。 ( 5 ) 整合各模块总体上实现系统的功能。 1 0 2 系统的总体设计任务和方案分析 2 1 系统功能的定义和描述 数字存储示波器是通过模数转换和数据取样进行工作的数字化示波器。 键盘 if 指标指示屏f 1。一1。j 图2 - 1 数字存储示波器示意图 f i g u r e2 - 1s k e t c ho fd i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e 设计要求： 示波器是时域波形测量仪器，带宽、上升时间、垂直灵敏度、垂直灵敏度误 差、扫描时间因数、扫描时间因数误差、触发灵敏度、触发抖动等是其基本指标。， 数字存储示波器是采用模数转换技术的新型数字化、智能化示波器，最高采样率、 垂直分辨率、存储深度、重复带宽、实时带宽、单次带宽和预触发时间等是其特 色指标，而自动刻度、自动测量、自动存储、自动校准、程序控制、波形运算等 是其智能功能。 1具有单次触发存储显示方式，即每按动一次单次触发键，在满足触发条件时， 能对被测周期信号或单次非周期信号进行一次采样与存储，然后连续显示。 2 输入阻抗大于1 m ，垂直分辨率为3 2 级d i v ，水平分辨率为2 0 点d i v ，设示 波器显示屏水平刻度为l o d i v ，垂直刻度为8 d i v 。 3 设置0 2 s d i v , o 2 m s d i v , 2 0 n s d i v 三档扫描速度，仪器的频率范围为d c 一1 0 m h z ， 误差5 。 4 设置o 1 v d i v , l v d i v 两档垂直灵敏度，误差5 。 5 触发电路采用内触发方式的触发电路，要求上升沿触发，触发电平可调。 6 观测波形无明显失真。 7 具有连续触发存储显示方式，在这种方式下，仪器能连续对信号进行采集，存 储并实时显示，并具有锁存功能。 8 增加水平移动扩展显示功能，要求存储深度增加一倍，并且能通过操作移动键 显示被存储信号波形的任一部分。 2 2 主要功能和技术指标分析 由于待测信号为模拟信号，存储过程为数字方式，故应将模拟信号进行量化 处理，然后存储到存储器中，当需要显示的时候，从存储器读出数据并恢复为模 拟信号，并送往普通示波器的y 输入端，在x 输入端加入相应的扫描信号，采 用x y 方式观察信号的波形，因此，设计的重点是模拟信号的处理与采样，数字 信号的存储，普通示波器的显示控制，系统的控制4 个方面。 2 2 1 输入模拟信号的处理 信号调理主要是对被测输入信号在幅度与偏移方面进行线性处理，使信号在 垂直方向上处于a d 转换器的输入范围内。 待测模拟信号输入到数字示波器时首先要经过相关的处理才能够送给a d c ， 因为a d c 对输入电压的幅度有一定的要求，一般为0 - 5 v ，或者0 2 v 等。对于 输入的模拟信号，要根据不同的垂直灵敏度做出调整，具体说就是把小电压信号 放大，将大电压信号衰减使之符合a d c 的输入电压范围。因此，需要对电压大 小不同的信号进行增益调整。通常可以使用增益可调的放大电路，设计要求的示 波器的输入信号频率范围为d c - - 1 0 m h z ，因此，在信号送到a d c 之前要对信号 进行抗混叠低通滤波处理，防止高频分量信号被采样，产生频谱混叠，而不能够 准确的恢复出原始信号。需要注意的是放大电路的增益系数和频带的关系。同 时，为防止a d c 因输入大的电压信号而烧毁，可以加入限幅电路。 模数转换电路在给定采样时钟的节拍下把输入模拟信号转换为离散的数据 值；在数字存储示波器中，a d 转换器始终以最高取样率进行工作。处理过的模拟 信号需要经过a d c 进行量化编码。通常在进行a d 转换之前要加上采样保持电 路，防止转换期间信号电压发生变化。a d c 参数的选取需要考虑多方面的因素； a d c 的取样频率取决于待测信号的频率范围，或者示波器对扫描速度的要求；而 a d c 的编码位数与垂直分辨率相关。根据这两个条件选择合适的a d c 芯片。 1 2 2 2 2 数字信号的存储 波形重组电路根据示波器水平设置及触发点与采集时刻的时间差把采集存 储器中的信号点在水平方向上重定位( 与显示屏幕上的像素列对应) ，存储到波形 存储器中。 数字信号保存到存储器中，r a m 的位数须根据a d c 的位数来选择，如果 a d c 为8 位输出，那么r a m 也应该为8 位，超过8 位则可以选用1 6 位的r a m 。 r a m 的容量取决于每次采样的采样点数，这和水平分辨率相关，同时要考虑扩 展功能中关于双踪示波，波形水平移动等要求，恰当选取存储器的容量。写入 r a m 的数据来自于a d c ，读出到d a c 中，两套总线应当隔离，因此，r a m 的 选择可以分两种：一种是采用普通的静态r a m ，通过逻辑电路切换两套不同的 数据总线。另外一种是使用双口r a m ，两套总线相互独立，操作方便。 2 2 3 信号的还原 波形显示电路以波形存储器中信号点数据值为y 轴坐标，以信号点所在像素 列为x 轴坐标，在显示缓冲存储器中画出波形( 波形光栅化) ，并通过显示扫描电 路把波形显示到屏幕。 采集到波形可通过工作在x y 方式下的普通示波器进行回放，通过一路d a c 将数字信号还原成原始波形，送入普通示波器的y 通道，然后用一路d a c 产生 锯齿波同步扫描信号，送入普通示波器的x 通道，将原始波形在x 轴上展开。 首先通过d a c 将数字信号转换成模拟信号，输送到普通示波器的y 通道， 同时向普通示波器提供相应的扫描电压，使还原的模拟信号能够按照原来的时间 关系进行显示；能够实现水平移动扩展要求，显示被测信号波形的任一部分。在 双踪示波时，能够将两路信号分别显示到屏幕的上半部和下半部。数字信号的还 原通过d a c 得到，当采样数据恢复为模拟信号时，可以采用一个适合人们观察 的速率，既不会引起示波器在显示时发生闪烁就可以了，尤其是对于高速信号， 不必追求昂贵的高速d a c 得到，因为被测信号的特征已经表达在存储的数据当 中了，因此后向通道d a c 的转换速率可以通过选取一个合适的扫描速率来实现。 当恢复的被测信号经过普通示波器y 通道时，应该是稳定的波形，这就要求 普通示波器的x 通道的扫描电压和y 通道的信号是同步的，通常为阶梯波电压， 为了实现这种同步，可以将存储输出数据的地址线做d a 转换获得。由于锯齿波 和被测信号同步，因此，d a c 的速率应该和信号还原所用的d a c 速率相同。 双踪示波实现的方法有两种：一种是每个通道都有一套独立的a d c 和存储 器，双踪显示时，只需轮流选择不同的通道的波形数据，就可以实现两路波形的 同时显示。另一种方法是只使用一片a d c ，一片存储器和一片d a