基于单片机的简易数字存储示波器-学士论文.doc

目录摘要IAbstractII1 绪论11.1示波器发展简史与现状11.2 示波器原理概述31.3 模拟示波器与数字示波器51.4 设计任务与目标92.数字示波器总体设计102.1数字示波器总体结构102.2数字示波器采样速率112.3数字示波器采样原理123 数字示波器硬件设计143.1信号调理电路143.1.1输入衰减电路153.1.2程控放大电路163.1.3电平移位电路183.1.4硬件触发电路193.1.5 AD转换电路213.2数字处理电路233.2.1 CPLD电路233.2.2 MCU电路244.数字示波器软件设计284.1同步触发294.2串行通信314.3 波形显示334.4峰峰值计算345 数字示波器的调试和测试365.1硬件安装调试和软件调试365.2测试方案365.3性能测试37参考文献38致谢40摘要本文对示波器的工作原理进行了介绍，提出一种基于单片机和CPLD的20M数字存储示波器设计方案。FPGA通过控制高速A/D转换器ADS831采样输入信号,信号输入频率低于4MHz时进行实时采样，高于4MHz时进行等效采样。等效采样是对多个信号周期连续采样来复现一个信号波形，采样系统能以扩展的方式复现频率大大超过奈奎斯特极限频率的信号波形。通过等效采样可以使用较低的采样频率获得较高信号的输入采集，从而降低了对A/D速度的要求，降低了示波器的硬件成本。本文所设计制作的示波器对于示波器的发展与制造具有一定的指导意义。本论文主要研究了等效采样在数字示波器发展中的应用，给出了20M数字示波器制作的方案。硬件上设计出了示波器模拟信号处理电路、CPLD采样控制电路和人机交互所需要的单片机控制电路。软件上根据不同的输入信号频率选择使用实时采样和等效采样采用等效，同时实现了良好的人机交互界面。研究结果表明使用等效采样技术，能够很好的解决高速周期信号测量所带来的需要高速采样的问题，减轻对于A/D转换速率的要求，降低示波器的硬件成本。本文的特色在于除了使用一般的等效采样来采集信号之外还采用了等效采样的技术来采集信号。实现了低速率A/D采集高速率信号的功能，验证了等效采样的可行性。摘要：单片机；CPLD；等效采样；数字示波器AbstractIn this paper, the working principle of the oscilloscope were introduced, the MCU and CPLD-based digital storage oscilloscope of the 20M design. FPGA through the control of high-speed A / D converter ADS831 samples the input signal, the signal input frequency in real time when less than 4MHz sampling, higher than the equivalent time sampling 4MHz. Equivalent Sampling is sampling for a number of signal cycles to rehabilitation is a signal waveform, the sampling system can be a way to extend the complex is much higher than the Nyquist frequency limit of the signal wave frequency. Through the use of low equivalent sampling can obtain a higher sampling frequency of the input signal collection, thereby reducing the speed of the AD to reduce the hardware cost oscilloscopes. In this paper, designed by the oscilloscope for the development and manufacture of oscilloscopes have a certain significance.This paper studied the equivalent in the digital sampling oscilloscope in the development of applications, given the production of Digital Oscilloscope 20M program. Designed hardware oscilloscope analog signal processing circuit, CPLD sampling control circuit and the needs of human-computer interaction by single-chip control circuit. Software, depending on the frequency of the input signal the option of using real-time sampling and equivalent sample equivalent, at the same time to achieve a good human interface.The results show that the use of the equivalent sampling technique that can solve high-speed signal measurement cycle brought about by the issue of the need for high-speed sampling to reduce the conversion rate for the requirements of AD to reduce the hardware cost oscilloscopes.This article is in addition to the use of the general characteristics of the equivalent sampling to collect the signal in addition to the use of the equivalent sampling techniques to collect the signal. AD achieved a low rate of high-speed signal acquisition functions, verify the feasibility of the equivalent sampling.Abstract: Single-chip;FPGA; Equivalent Sampling ;Digital OscilloscopeII1 绪论随着科学技术突飞猛进的发展，世界已进入新的技术革命时代。作为技术革命先导的电子技术已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。测量，就是为确定被测对象的量值岁进行的实验过程。电子测量，从广义上来说是指利用电子技术进行的测量。电子测量仪器则是采用电子技术测量电量或非电量的测量仪器，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、记录用的仪器。他利用一个或多个电子束的偏转，得到表示某变量函数瞬时值的显示。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。示波器已成为一种直观、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，进行对电量或许多非电量的测试、分析、监视，示波器发展速度、销售额都远远超过其它电子测量仪器。1.1示波器发展简史与现状1878年，英国W.克鲁克斯发现阴极射线，并且用磁铁使真空管中的阴极射线产生了偏移。到了1897年，德国K.F.布劳恩研制成第一支冷阴极静电偏转电子射线示波管，同时用它制作了一台“可变电流观察仪”，这台原始的装置即是最早的“示波”仪器。1931年，美国通用无线电公司利用曼弗雷德.冯.阿德奈研制的示波管制成了示波器。这种示波器分成阴极射线管和装有聚焦旋钮的主机两部分，售价265美元，这在当时是十分昂贵的。美国艾伦.B.杜蒙对现代示波器的发展起了重要作用，他在1930年至1931年间研制成功多种示波管，并在1932年制成了他的第一台示波器。1933年杜蒙推出了一体化的示波器，1934年初又发表了137型示波器。这种新型的示波器带有测量坐标片，可利用前面板的旋钮连续调扫描和聚焦，堪称现代示波器的雏形。此后，杜蒙不断致力于示波器的改进，为使示波器成为一种重要的测量工具做了大量的工作。1946年美国Tektronix公司创立，成为示波器开发生产的主要厂商。从第一台商业示波器出现到今天，已有50余年的历史，其间的发展，大致可分为三个阶段。20世纪3050年代是电子管示波器阶段。到1958年示波器的带宽达到了100MHZ后便停滞不前。1957年美国休斯飞机制造研制成功了记忆示波器；1959年美国卢米特龙公司生产出由R.休格曼研制的取样示波器。20世纪60年代是晶体管示波器阶段。由于采用了晶体管器件，示波器的带宽在驻足9年之后终于突破额100MHz达到了150MHz，到了1969年又跃至300MHz。同年，取样示波器的带宽达到了18GHz的高峰。20世纪70年代是集成化示波器阶段。集成电路技术为示波器的小型化和向高性能、高可靠发展创造了条件。1971年问世的微处理器，更为示波器的智能化增添了双翅。1971年，示波器的带宽提高到500MHz，1979年达到了1GHz的高峰。1972年，第一台数字存储示波器诞生，它对示波器的发展产生了重大的影响。1973年，同时出现的逻辑状态分析仪和逻辑定时分析仪标志着“示波”测量已经跨入了数领域。1974年发表了带微处理器的示波器，从此示波器的发展进入了一个崭新阶段。80年代以来，示波器正朝着数字化、智能化方向飞速地发展，示波器面貌日新月异，新产品层出不穷。我国在1949年以前，示波器工业是一片空白，仅有少数厂商做一些进口示波器的维修工作。1950年，我国开始研制示波器，并于1951年初完成了实验样机。当时这台用于观察“生物电信息”的示波器成为我国自己研制的第一台示波器。1951年上海成立新建电议工业社，当时职工仅6人，从事示波器和其它电子测量仪器的开发和生产。从1951年开始先后研制生产了103型、105型、113型和125型示波器。1957年，新建电议工作室更名为新建电子仪器厂，1967年又改名为上海无线电二十一厂。示波器的“新建”牌商标一直沿用至今。目前，数字示波器市场上的主流产品仍然是国外产品。其中美国TEK公司的示波器一直处于领先地位，被世界公认为示波器的权威。近来TEK推出的TDS系列示波器具有独特的保证信号高保真度的获取结构，能够利用最先进的触发系统，提供快速瞬态信号或重复信号的多通道获取，显示和所有测量的有效修正。TDS2012示波器具有100MHZ的带宽，1GS/s等效采样率，记录长度可达2.5K，内部采取高保真读的获取技术，操作简单。力科公司在示波器方面世界排行第三，它也推出了各种型号的示波器，并具有独自的特点，能够自动测试32种参数。如：LC534A/LC574A数字示波器带宽为1GHz，采样速率4GS/s。由于该示波器采用了96MHz的POWER PC603e处理器、864Mbyte的系统ram，1Mbyte的视频存储器、32kbyte的高速缓存和智能化存储器管理系统，它能快速刷新波形、动态分配处理器、采集存储器和运算存储器的资源，保证示波器资源的最佳利用。该系列采用9英寸彩色显示器，能提供8个波形的画面，可方便、容易观察信号细节。8踪显示能与运算功能、放大缩小、参考存储器或通道组合，并能在屏幕上显示或不显示参数。该示波器在信号分析方面具有较强的处理功能，可同时完成4种处理功能：加、减、乘、除、取反、恒等、累加平均值和正弦值。还有FFT平均运算和5个窗功能的频谱分析功能。尽管在国际上数字示波器已经有了较为成熟的发展，我国目前在数字示波器生产领域内基本上处于起步阶段。国内示波器主要生产厂家有上海无线电二十一厂、西安红华无线电厂、辽宁无线电二厂、江苏绿扬集团、北京普源精电科技有限公司等。江苏绿扬电子仪器集团有限公司是我国电子仪器行业的骨干企业，1998年以来，电子测量仪器的产销总量连续居全国同行第一，约占国内市场销售量的1/3。但是他们的产品主要是模拟示波器类型的产品。北京普源精电科技有限公司是目前国内惟一以自主知识产权生产数字存储示波器的企业，主要产品是台式数字存储示波器和虚拟仪器系列。2004年2月18日，该公司宣布他们自主开发的DS5000系列数字存储示波器，打破了国外产品一统天下的局面，推动了国产仪器的数字化发展目前国内数字存储示波器市场上出现的产品最高带宽为100MHz，像普源精电公司的DS3102系列产品就是带宽为100MHz，等效采样率为10GS/S。由于受到高速取样技术的限制，国内100MHz带宽的数字示波器大都采用重复取样技术。1.2 示波器原理概述物理学理论可以证明：一端通过细绳固定的重物在作摆动时，与中心垂线的距离满足正弦波规律。沙漏实验可以清晰地显示这个随时间变化的波形：用沙漏充当重物，并且在沙漏底下的桌面上平铺一张纸，当沙漏开始摆动时，让纸匀速移动。这样，沙漏中流出的细沙，就在纸上留下了一个正弦波痕迹，如图1.1所示。利用这种设计思想，可以完成波形在平面上（对应于时间的流动）的展开。这种设计思想在波形记录、显示中被广泛采用，比如心电图机，就是用原地摆动的电热针，在匀速移动的记录纸带上描记出心电波形。图1.1 沙漏摆动留下的正弦波利用心电图机的结构，已经可以记录电压信号，但是，示波器在大量的应用中，并不需要通过消耗纸张来记录波形，而仅仅是观察波形。因此，可以重复使用的CRT示波管和LCD显示屏，被应用到示波器的设计中。示波器的基本原理框图如图1.2，Y轴输入 垂直偏转系统示波器水平偏转系统Y输出放大器Y输入放大器X输出放大器扫描发生器触发电路图1.2 示波器基本原理框图当被测信号通过Y轴输入放大器送至Y偏转板，由时基电路产生的电压扫描信号经X轴放大器送至X偏转板时，在触发电路的控制下，能够在示波器的屏幕上稳定地显示出被测信号的波形。1.3 模拟示波器与数字示波器模拟示波器体积大、重量重、成本高、价格贵，并且不太适合用于对非周期的、单次信号的测量。数字示波器首先对模拟信号进行高速采样获得相应的数字数据并存储。用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算，从而获得所需的各种信号参数。根据得到的信号参数绘制信号波形，并可对被测信号进行实时的、瞬态的分析，以方便使用者了解信号质量，快速准确地进行故障的诊断。测量开始时，操作者可通过操作界面选定测量类型、测量参数及测量范围（可选自动设置，由仪器自动设置最佳范围）；微处理器自动将测量设置解释到采样电路，并启动数据采集；采集完成后，由微处理器对采样数据按测量设置进行处理，提取所需要的测量参数，并将结果送显示部件。 使用模拟示波器和数字示波器通常都能很好地观察简单重复性信号。但是两者都有其优点和局限性。对于模拟示波器来说，由于CRT的余辉时间很短，因而难于显示频率很低的信号。由于示波管上的扫描轨迹亮度和扫描速度成反比，所以具有快速上升、下降时间的低重复速率信号就很难看到。而数字示波器的扫描轨迹亮度和扫描速度与信号重复速率无关。故可以很好地反映出来。对于显示具有较高重复速率的重复性信号的快速上升、下降沿来说，数字存储示波器和模拟示波器的性能几乎没有什么区别。用两种示波器都能很好的观察信号波形。当要进行信号参量的测量时，数字存储示波器的优点在于具有自动测量各种参数的能力。而使用模拟示波器时，则必须自己设置光标、分析理解显示的波形才能得到测量的结果。但是如果要进行调整工作，那么一般最好使用模拟示波器。这是因为模拟示波器的实时显示能力使它在每时每刻都能显示出输入的电压。其波形更新速率（每秒钟在屏幕上描画扫描轨迹的次数）很高，所以信号的任何变化都会立即显示出来。与模拟示波器相反，数字示波器所显示的是用采集的波形数据重建的波形。所以其波形更新率远低于模拟示波器，结果在信号发生变化和变化了的信号在屏幕上显示出来之间就有了一定的时间延迟。这是数字示波器的重大缺点。但是综合起来数字示波器还是有很大优势的： （1）模拟示波器需要与带宽相适应的CRT示波管，随着频率的提高，对CRT示波管的工艺要求严格，成本增加，存在技术瓶颈。所以在电子市场上不好买，性能好的大多数是进口品牌，其价格昂贵且需要处理的问题也多，比如要产生阳极高压、扫描锯齿波还要对示波管进行电磁屏蔽等等，而且做出来体积很大，便携就更谈不上了。而数字示波器只要与带宽相适应的高速A/D转换器，其它存储器和D/A转换器以及显示器都是较低速的部件，显示器可用LCD显示模块做显示器，在电子市场很容易买到，价格也不贵而且应用简单，只需考虑与微处理器的接口，体积小且功耗远小于CRT示波管。使用LCD显示模块做示波器做成便携的很容易，做成示波表都没问题！当然LCD显示模块也有其不足之处，比如亮度和对比度不如CRT示波管，但综合考虑LCD显示模块的优势还是比较明显的。（2）模拟示波器是一个完全的硬件结构，做好之后很难进行功能升级，而数字示波器不同，它的控制以及其他功能的实现在保证基本硬件后都是由软件来实现的。存储示波器是在传统示波器设计方法的基础上发展起来的，是传统示波器功能的扩展和补充。按照存储方法和原理，存储示波器可分为两类：第一类是CRT（阴极射线管）模拟存储示波器（也称记忆示波器）；第二类是数字存储示波器。这一类示波器从广义上说，亦可称为数字示波器。它具有微处理器控制，在屏幕显示波形的同时能够用数字显示各种设定值和测量结果，对波形数据还能进行各种运算处理和分析。并具有程控和遥控能力，通过GB-1B接口还可将数据传输到计算机等外部设备进行分析处理。数字存储示波器有以下优点：1使用简单数字存储示波器的操作几乎同传统示波器一样。若要转为存储方式，只要按一按钮，如果用CRT模拟存储示波器，则因为存储介质是在示波器显示屏幕后的充电栅网上或直接在荧光屏，要获得清晰的光迹就必须调整记忆电平、控制辉度等，操作繁琐。与此相比数字存储示波器就简单的多。而且存储波形还可以扩张、压缩和移动。2信号处理与显示分离模拟示波器的设计示波管直接影响着示波器的主要指标，而数字存储示波器的示波管只起显示作用，其性能的好坏（包括速度和精度）完全取决于进行信号处理的模/数（A/D）变换器和半导体存储器。在这种示波器中，由于信号的处理与显示是分开的；可以高速捕获，低速显示。采用大屏幕显示光迹明亮清晰；采用彩色显示，可以很好地分辨各种信息；也可用液晶、发光二极管等各种平面显示器件显示，大大减小了仪器的体积。3具有多种触发功能有预触发、后触发、窗口触发和数字组合触发。尤其是预触发，这是数字存储示波器的一个重要特点，因为传统示波器只能观测触发点以后的波形，因此利用数字存储示波器的预置触发功能（见图3），可以方便地显示触发点以前不同时刻的波形。这种预触发特性，特别有利于分析故障产生的原因。另外，窗口触发和数字组合触发在数字电路、计算机的调试中十分有用。图1.3 数字存储示波器的预置触发功能4观察慢速信号时无闪烁现象慢速信号使用传统示波器观测时光迹存在闪烁现象。在数字存储示波器中，由于存储器的写入和读出是不相关的，写入存储器的时间可以很慢，而从存储器中读出信号是以固定频率进行的，所以显示时，光迹无闪烁现象。5存储时间无限长数字存储示波器是将模拟信号经模/数变换器转换成数字信号存储于半导体存储器中，只要仪器不停电存储信号就可长期保持，需要时可随时取出进行显示且质量不会变差。若采用CMOS存储器，则耗电很小，在机内装一电池，即可实现关机后仍能存储信号的功能。CRT模拟存储示波器是利用特殊的示波管作为存储器件，以电荷的形式存储记录波形，它的存储波形在较短时间内出现模糊和变暗现象，所以波形存储时间和显示时间是有限的。它的存储时间因存储技术不同而异，一般从几十秒至几十分钟，最长也不过数天。另外，数字存储示波器与CRT模拟存储示波器或传统示波器相比较，它的模拟输出还可以用标准笔记录仪做廉价的永久性存储数据硬拷贝。而后者只能使用昂贵的胶片照相作长期保存。6多波形比较分析数字存储示波器能够存储多个波形，并能够在屏幕上同时显示不同时间或相同时间发生的几个波形，因而能够方便地将已存储下来的波形与更新波形进行比较分析。对于实时/存储示波器，还可将存储波形同实时波形进行对比。7多种灵活的显示方式由于被测信号是多种多样和复杂的，因此需要有多种灵活的显示方式。（1） 存储显示它可稳定、不闪烁地显示所存储的瞬变信号，同时显示的波形还可以扩展和移动，便于对瞬变波形进行仔细分析和研究。（2） 滚动显示 这好似数字存储示波器特有的工作方式，主要用于连续观察低速变化信号和低重复频率信号，并可检测数据中随机出现的偶发信号。（3） 自动抹迹当一个触发脉冲到来，触发存储该瞬变并进行显示，其显示观察时间可以控制在给定范围，当观察时间过后再有触发脉冲到来，则又能重新存储新的信号。8测量精度高传统示波器的扫描速度有锯齿波扫描信号决定，而数字存储示波器的扫描速度由取样的时间间隔和扫线上单位长度所具有的取样点数来决定。由于使用晶振时钟，所以具有很高的测量精度。采用高分辨率的A/D变换器也使幅度测量精度大大提高。另外，现代数字存储示波器普遍采用电压时间光标数字测量，能够减少输入放大器和示波管的线性精度的影响，可使精度做的比较高。当移动被测波形上光标点（或线）位置时，可迅速精确地测量出电压时间等波形参数，并可用数字显示。9便于波形数据分析处理由于数字存储示波器是以模拟输入信号数字化和数字存储为基础的，所以便于波形数据进行各种数字处理分析。特别是以微处理器为基础的数字存储示波器，可以编程自动程控操作。同时对存储信号还可进行信息处理，如平均迭加、信号的相关处理、频谱分析、能谱分析和FFT分析等。亦可方便的通过标准的GP-1B接口，将存储信号传送至计算机或其他外部设备，进行更复杂的数据运算和分析处理。亦可构成自动测试系统，成为强有力的系统单元。上述两种不同存储方式的示波器，各有其优缺点和应用特点，但由于数字存储示波器比CRT模拟存储示波器有更多优点和高的性能价格比，所以近年来得到了显著的发展和广泛的应用。1.4 设计任务与目标设计并制作一台用普通示波器显示被测波形的简易数字存储示波器，示意图如图1.4图1.4 简易数字存储示波器示意图要求仪器具有单次触发存储显示方式，即每按动一次“单次触发”键，仪器在满足触发条件时，能对被测周期信号或单次非周期信号进行一次采集与存储，然后连续显示；要求仪器的输入阻抗大于100K，垂直分辨率为32级/div，水平分辨率为20点/div；设示波器显示屏水平刻度为10div，垂直分辨率为32级/div，水平分辨率为20点/div；设示波器显示屏水平刻度为10div，垂直刻度为8div；要求设置0.2s/div、0.2ms/div、20us/div三档扫描速度，仪器的频率范围为DC50KHZ,误差不大于5%；要求设置0.1v/div、1v/div二档垂直灵敏度，误差不大于5%；一起的触发电路采用内触发方式，要求上升沿触发且触发电平可调；观测波形无明显失真。2.数字示波器总体设计2.1数字示波器总体结构 数字存储示波器主要包括模拟信号调理模块，高速采集存储模块，触发控制模块，数据处理模块，菜单波形的显示控制模块以及键盘控制模块等这几部分组成。图2.1所示是本系统的总体方案框图，主单片机MEGA128是系统的核心控制芯片。在前端与高速的采集系统，触发系统协调动作，接收采样数据；后端通过LCD显示模块和外部键盘实现人机通讯。图2.1示波器总体框图 模拟信号调理电路包括垂直通道调理电路、耦合控制机构、触发信号发生器等。垂直放大器调整输入波形的幅度和范围，放大和衰减、上下移动波形等。必须把不同幅度的信号进行变换以适应AD采样的范围，这样就可以按照标尺刻度对波形进行测量，为此就要求对大信号进行衰减、对小信号进行放大。 通道触发信号发生器产生通道的同步触发信号，使采集的波形在屏幕上稳定地显示出来。 高速采样电路：高速A/D采集经过模拟信号调理电路后的信号，采样值在FPGA的控制之下被存入其内部的FIFO中，当存储数据满后，单片机将数据取走。高速A/D转换器的采集时钟由FPGA产生，其输出频率是由单片机通过总线控制的。 触发控制电路：由外部的高速模拟比较器和D/A组成，由单片机控制D/A产生预置较信号，与用户选定的触发输入信号进行比较，产生触发信号送入FPGA内，形成触发。触发信号进入FPGA内后，触发信号前的采样数据才被保存，触发之后的数据写满之后，等待数据的处理和传输。2.2数字示波器采样速率 示波器按一定的时间间隔对信号电压进行采样，然后用A/D转换器对这些瞬时值或采样值进行转换从而生成代表每一个采样电压的二进制数字，这个过程称为数字化。数字化包括“采样”和“量化”两个过程。采样是获得模拟量输入信号离散值的过程，而量化则是使每个取得的离散值转换成二进值数字。在此过程中，通常采用采样保持电路，使模拟输入保证在足够的时间内保持稳定，以便转换器完成转换动作，并降低模/数转换器的孔径时间。当模拟输入送到A/D转换器后，它将按照示波器面板上“t/div”开关（时基）设定的采样速率进行采样和量化处理，从而得到一串数据流(二进制编码信号)，并在逻辑电路控制下，将数字信号依次写入波形存储器。对输入信号进行采样的速度称为采样速率。最高采样速率由A/D转换器的转换速率决定，采样速率由采样时钟控制。 测量分辨率是存储信号波形细节分析的综合特性，它包括电压分辨率（或垂直分辨率）和时间分辨率（或水平分辨率）。 电压分辩率是每个采样点的模拟量对应的二进制数字的位数，也就是对信号所能识别的电压细节的多少。它是由A/D转换器的分辨率决定，常以A/D转换器具有的数据的位数（Bit）、百分数及每格的分级数（级数/div）来表示。在数字存储示波器中，电压分辨率是决定系统精度的主要因素，一般地说，位数多分辨率高，但位数多转换时间长，采样速率降低，随着输入信号频率的升高，电压分辨率反而下降。因此考虑到各种因素的限制，如成本等，A/D转换器的分辨率通常采用8位。考虑到本系统的指标要求，选用了8Bits的A/D转换器。 水平系统的作用是确保对输入信号采集足够数量的采样值，并且每个采样值取自正确的时刻，和模拟示波器一样，水平偏转的速度取决于时基的设置（s/格）。通常示波器可以显示的采样点数是固定的，时基设置的改变是通过改变采样速率来实现的，因此一台特定的示波器所给出的采样速率只有在某一特定的时基设置之下才是有效的。在较低的时基设置之下，示波器使用的采样速率也比较低。了解这一时基设置值是非常重要的，因为这个值是示波器采集非重复性信号时的最快的时基设置，使用这个时基设置时示波器能给出其可能的最好的时间分辨率。此时基设置值称为“最大单次扫描时基设置值”，在这个设置值之下示波器使用“最大实时采样速率”进行工作。这个采样速率也就是在示波器的技术指标中所给出的采样速率。根据奈奎斯特定理：要从抽样信号中无失真的恢复原始信号，采样频率必须大于等于2倍信号最高频率，即奈奎斯特频率为信号频率的两倍。示波器是用来研究波形信号的，为了更好的研究主要事情，不仅要求正确的表示信号频率并且还要求准确地表示信号波形的幅度。根据经验通常认为每周期最少要十个采样点才能给出足够的信号细节，在有些情况下，对信号的细节要求低一些，这时每周期取五个样点可能就足以给出有关信号的特性。 本次设计以要求最大的采样率为50MSa/s，能够准确采集的最大信号频率为20MHz。对正弦波来说，点显示要给出精确的信号重现，需要大约每周25次采样，矢量显示也需要每周约10次采样。显然要用50MSa/s的采样速率来显示20MHz的信号是不可能的，在这种情况下，还可以使用特殊的方法来提高示波器的保真度，其方法是通过等效采样的方法来采集数据。因此示波器在测量4MHz以下的信号时采用实时采样，测量4MHz以上信号时使用等效采样，使用这种方案能够实现性价比计较高的示波器制作。2.3数字示波器采样原理 为了测量高速模拟信号，必须采用高速的模数转换技术。乃奎斯特采样定理告诉我们：要不失真的还原输入信号，对信号的采样频率必须大于或者等于输入信号频率的两倍。但是在现实中，要想准确的还原输入信号，对输入信号在一个周期内的采样必须大于10个点，这样绘制出来的波形才能比较准确的反应输入信号。因此在对输入信号进行采集的时候，可以采用以下两种方案：（1）实时采样技术图2.2实时采样 实时采样原理图如图2.2所示，高速AD等间隔的对输入信号进行采样，将模拟信号数字化，然后将数字化的信号经过相应的坐标变换之后，以设定的s/div间隔将采集到的信号以点显示在LCM上面。通常示波器为了使显示的波形更加完美漂亮，一般都会将显示波形中相邻的两点用直线或者曲线连接起来，这样看起来的波形更加接近实际输入信号的波形。使用此种原理进行采样的优点是硬件设计简单，有很多资料可以参考。其缺点在于对AD的速度要求比较高，这直接关系到示波器的成本和使用范围，因此较低速的AD只能得到较低的性能（2）等效采样 在测量高频信号时，示波器可能不能在一次扫描中收集足够的样值。如图2.3 所示，当信号频率超过示波器采样频率的一半时，等效时间采样可以精确捕获这些信号。等效时间数字化器（采样器）利用的原理是，大多数自然产生和人为构造的对象都具有重复性。为构建重复信号的图象，在每一个重复期内，等效时间只采样采集少量的信息。象一串灯一盏一盏依次点亮那样，波形逐渐累积而成。利用这样的方式，即使信号的频率成分远远高于示波器的采样速率，也能形成精确地采样。 连续等效时间采样在每一个触发捕获一个样值，而不依赖于时间/ 格（time/div）的设置和扫描速度，如图6 所示。每发现一个触发，经过一段虽然非常短却明确的延迟，就获得样值。当发生下一次触发时，延迟增加一段小的时间增量（ t），数字转换器则又采下一个样值。该过程重复多次，t不断增加到前一个捕获量中，直到时间窗口填满。当需要显示到示波器屏幕中的时候，样点从左到右沿着波形顺序出现。图2.3 等效采样 从现实实现的角度，产生一个非常短非常精确的t与准确测量与采样触发点相关的垂直和水平位置相比，前者要容易的多。精确的测量延迟使连续采样器很难控制时间间隔分辨能力。既然如此，如果采用连续采样，一旦发现触发电平，就对信号进行采样，如果没有模拟延迟线，触发点不可能得到显示，但是延迟线的存在会减少仪器的带宽。如图2.3所示：对于输入信号，设其周期为T，如果能够准确地得到其T/n的时间，那么就可以每隔时间采样一次，采n个数据点，实际上与在一个周期内采n个数据点是等价的。3 数字示波器硬件设计数字示波器可以划分为三个基本组成部分：前端信号调理部分、数据采集处理部分、交互输入输出部分及相关的附属电路。前端模拟部分包括输入电路、衰减电路、程控放大器电路、低通滤波电路、电平移位电路、触发电路和A/D转换器，其主要功能是对信号进行调理、采集、量化和对控制器产生触发。数据采集处理部分主要为CPLD，其主要功能是高速的控制AD采集数据实现数据缓冲。交互输入输出部分主要由MCU构成，其主要功能是实现对DSO系统的控制和管理处理数据，实现波形的显示和键盘界面的输入。3.1信号调理电路在数字存储示波器中，A/D器件对输入模拟信号的幅度有一定的要求范围，例如本设计所采用的ADS831的输入电压范围为1.5V3.5V。而数字存储示波器在不同垂直灵敏度时，对A/D来说输入信号的幅度各不相同，有时大到远远超出A/D所允许的最大输入范围；有时小到使A/D转换结果产生很大的相对误差。这些问题都会使得数字存储示波器不能对信号进行准确测量。信号调理电路就可以解决这些问题，信号调理电路的作用就是将不同灵敏度下的输入信号都归整到适合于A/D的输入信号范围内，具体地说就是对大的输入信号进行衰减，对小的输入信号进行放大，使输出信号电压在AD转换器输入电压要求范围内，达到最好的测量与观察效果，所以程控放大器电路在规定带宽内的增益一定要平坦，故对运算放大器的要求比较高。信号调理电路主要包括五个功能模块：交直流耦合电路、衰减电路，程控增益电路、触发电路、电平移位电路和AD数据采集电路。信号调理电路的方框图如图7所示。在信号调理电路中的信号是模拟信号，信号的处理流程是这样的：被测信号通过交直流耦合电路后和衰减电路后由程控增益电路进行放大，然后信号被送到电平提升电路中，将信号电平提高到AD输入信号的范围之内，以适合A/D的要求，最后经信号调理电路处理好的信号送到A/D模块。3.1.1输入衰减电路由于要经常观察幅度较小的信号电压，示波器的灵敏度设计的较高。但当要测量幅度较大的信号时，就需要接入衰减器。对衰减器的要求是输入阻抗高，同时在示波器的整个频带范围内衰减分压比均匀不变。要达到这样的要求仅仅用电阻来分压是不够的，因为在信号的下一级输入和引线会存在分布电容，这种分布电容的存在对于信号的高频分量有着很大的衰减作用，造成信号的高频分量失真，因此必须采用阻容式分压电路。图3.1 衰减电路信号经过BNC接头进入示波器后，首先要通过一个由继电器控制的DC-AC电路。继电器会在MCU的控制之下闭合或者断开，从而控制输入信号的耦合方式：继电器断开为交流耦合方式，继电器闭合则为交流耦合方式。信号经过交直流耦合选择开关后被送入由C4、R4、C3、R5、C2、C5、R3、R6组成的1，1/10,1/100衰减电路，衰减电路的衰减倍数由1A、1B模拟开关所控制。当开关1A0连通1AN，1B0连通1BN时对输入信号不会产生衰减；当1A1连通1AN，1B0连通1BN时对输入信号的衰减倍数为0.1；当1A1连通1AN，1B1连通1BN时对输入信号的衰减倍数为0.01。其中C2C5是对高频信号进行补偿，时信号的衰减量在整个频带范围内平坦。 二极管D1、D2的作用钳制输入信号，防止输入信号的电压过高或者过低对信号处理后面的电路产生危害，将输入信号钳制在一定的电压范围之内。图3.2 跟随电路本数字示波器系统要求输入阻抗要求大于1M，因此本系统的输入部分除了采用了高阻抗的电阻电容网络来对输入信号进行分压外，还使用了高输入阻抗的跟随器作信号调理电路的输入。衰减电路后使用跟随器电路一方面可以达到高输入阻抗的要求；另一方面可以增强已衰减信号的信号驱动能力，使其能被后面的放大电路所放大；最后可以在被测信号源和所设计的仪器之间起隔离作用。输入电路的电路如图3.2所示。在该电路中运算放大器选用AD8065。因为AD8065是JFET输入运算放大器，所以跟随器输入阻抗R1约为100M,实现了对数字存储示波器高输入阻抗的要求；输入噪声电压：已知AD8065的技术指标为5nV/Hz，而本示波器带宽要求为DC20MHz。3.1.2程控放大电路 程控放大器的作用是对输入信号进行衰减或放大调整，使输出信号电压在AD转换器输入电压要求范围内，达到最好的测量与观察效果，所以程控放大器电路在规定带宽内的增益一定要平坦，故对运算放大器的要求比较高，在本电路中我选用的是TI公司生产的高速运算放大器OP6252双运放，带宽为200MHz，转换速率335V/s,每通道消耗电流5.5mA，输出电流可达140mA，完全满足本电路的要求，该芯片电源采用正负双5V电源供电。图3.3程控放大电路 程控放大器电路如图3.3所示，被测信号经过衰减耦合之后被送往程控放大电路对信号进行相应的放大，放大倍数根据所选择的电压值档位确定。 本系统设置九挡垂直灵敏度：10mV/div、20mV/div、50mV/div、100mV/div、200mV/div、500mV/div、1V/div、2V/div、5V/div。垂直刻度为8div，垂直分辨率为25级/div。假设在使用时，将示波器Y通道的灵敏度置于1V/div且不考虑其误差，则示波器的满幅输入为8V。同理当示波器处于不同电压档位时送到数字存储示波器信号调理电路输入端的被测信号的幅度Vin(n=1、2、3、4、5、6、7、8、9)将分别为：(1)Vi1=10mV/div8div=80mV；(2)Vi2=20mV/div8div=160mV；(3)Vi3=50mV/div8div=400mV；(4)Vi4=100mV/div8div=800mV；(5)Vi5=200mV/div8div=1.6V；(6)Vi6=500mV/div8div=4V；(7)Vi7=1V/div8div=8V；(8)Vi8=2V/div8div=16V；(9)Vi9=5V/div8div=40V；为了适应后接ADS831输入满度值Vmax=2V的要求，信号调理电路必须按照垂直灵敏度所要求的挡级设置相应的增益：An=Vmax/Vin，其中不同的An分别对应于n个不同垂直灵敏度所要求的增益。表3.1为被示波器所使用的程控放大电路的各个档位所对应的不同放大倍数时模拟开关的连接情况。表3.1 程控电路放大倍数满幅档位放大倍数1A1B1C2A2B2C80mV10mV/div25LLLHHL160mV20mV/div12.5LLLHLH400mV50mV/div5LLLHLL800mV100mV/div2.5LLLLLH1.6V200mV/div1.25HLLHLH4V500mV/div0.5HLLHLL8V1V/div0.25HLLHHL16V2V/div0.125HHLHLH40V5V/div0.05HHLHLL“L”代表模拟开关打在上面的输入上，比如1A为“L”表示1A0和1AN相连接，“H”代表模拟开关打在下面的输入上面，比如1A为“H”表示1A1和1AN相连接。确定模拟开关的型号十分重要，因为模拟开关也有自己的模拟带宽和导通阻抗，通常选用带宽较大且导通电阻较小的模拟开关。本系统选用的模拟开关的型号为CD74HC4052，CD74HC4052为二选一模拟开关，供电电压为5V，输入信号的范围为5V，导通阻抗典型值为70，带宽为100MHz。模拟开关在前面的衰减电路中用了三个，程控放大电路中也用了三个，刚好使用两个CD74HC4052就能很好的完成程控开关的任务。3.1.3电平移位电路电平移位电路的作用：由于被测信号可以是双极性的，即被转换的模拟信号为正或负极性，有时候需要将测量的波形在示波器的显示器上面上下的移动，此时就需要将输入信号的直流电平上下移动，以便使想要观察的信号幅度范围落在AD芯片的模拟输入的范围之内。在本设计中使用DA输出电压是输入信号的电平发生移位，使用DA芯片而不采用滑动变阻器的好处是可以通过按键来调节电平移动的范围，省去了滑动变阻器的麻烦。图3.4 电平移位电路电平移位电路如图3.4所示，运算放大器使用的是OPA6252，OPA6252的频带范围为200M，5V完全符合电平移位的要求。输入信号电平范围是1V，经过电平移位电路之后，输出信号为1V+2*DA1_A。 图3.5 TLV5638电路图图3.5为本系统所使用的DA的原理图。TLV5638为双路输出DA，有效数据位为12位，使用内部参考电压2.015V，能够精确的控制输出电压。 3.1.4硬件触发电路触发电路的作用就是保证每次时基扫描或采集的时候，都从输入信号上与定义的相同的触发条件开始，这样每一次扫描或采集的波形就同步，可以每次捕获的波形相重叠，从而显示稳定的波形，或保证单次信号的捕获。图3.6清晰地显示出了未经触发的波形（图3.6 a）和触发后的波形（图3.6 b）。对比两种波形可以发现，未经触发的波形杂乱无章，根本无法看清其周期，而经触发后的波形清晰稳定，这给波形的观察测量带来了好处。图3.6 触发波形单次触发是当仪器满足触发条件时仅产生一次连续采集、存储过程，而后连续显示，此时再有信号输入示波器不予理会；连续触发时每当满足触发条件时就进行采集、存储和显示。对于连续信号只要满足触发条件，其采集、存储、显示是不断进行的。触发电路的电路图如图3.7所示。图中TLV2501为高速比较器，主要参数为：输入失调电压：1mV；响应时间：4.5ns。可变电阻R28主要在调试阶段用于手动调节触发电平。图中U5A的作用是将DA输出的电压信号放大3倍，DA输出的电压范围为02.015V，放大3倍后输出电压范围为05V，这样TLV3501就可以在05V范围内任意选择触发电平。图3.7 触发电路本设计要求仪器为内触发方式、上升沿触发、触发电平是可调的。触发信号取自已经过信号调理电路的处理信号。因为触发信号接到比较器的正向端，当信号的上升沿达到触发电平时触发电路将输出正跳变沿至CPLD入端，而后CPLD中的控制器去启动一页数据的采集和存储过程。3.1.5 AD转换电路 数字示波器中最重要的电路是AD转换电路，它的作用是将被测信号采样并转换成数字信号存入存储器，说它是数字示