简易数字存储示波器设计(ppt 48页).ppt

简易数字存储示波器设计,显示器,键盘,YX,通用示波器,主讲人:詹宏英,简易DSO,有关现代显示技术,扫描显示光栅显示点阵显示,本赛题是:CRT扫描显示电子测量的一种典型技术,赛题任务书,一任务:设计一简易数字存储示波器(简易DSO),二要求,(1)信号频率：DC50kHz，Ri100k；(2)垂直：32级/div，水平20点/div，屏幕面积810div2；(3)垂直灵敏度：0.1V/div，1V/div，误差5%；(4)水平扫速：0.2s/div，0.2ms/div，20s/div，误差5%；(5)单次触发、扩展、内触发、上升沿、电平可调；(6)显示波形无明显失真。,1.基本要求,赛题任务书,赛题任务书要求,2.发挥部分（1）连续触发存储方式，并有“锁存功能”；（2）双踪显示；（3）水平移动扩展一倍；（4）垂直灵敏度0.01V/div，低输入噪声电压。,赛题任务书,主要内容:*对赛题要求的分析*方案讨论*部分电路设计及模拟*安装调试*测试结果*小结*展望,简易数字存储示波器设计（解析）,(1)工作流程：采集、存储、显示。具有：A/D、RAM、D/A等主要器件；(2)内触发上升沿、触发电平可调；扫描速度0.2s/div，0.2ms/div，20s/div；垂直灵敏度0.1V/div，1V/div，0.01V/div，连续、移动扩展、双踪。要具有控制功能1.控制器2.人机接口,1.对赛题要求的分析,（3）简易DSO组成框图,1.对赛题要求的分析,Y通道包括前向通道和后向通道,2.方案讨论,2.1采样方式的选择实时采样和等效时间采样,题中要求信号DC50kHz，样点直接恢复方式为20点/周期，采速高达1000kHz(1s)，A/D转换速率1Ms/s采用实时采样方式,*对控制器的要求采集速率：高达1000kHz(1s)，低至20ms；（决定于扫描速度）样点恢复速率：10kHz；程控增益：1V/div，0.1V/div，0.01V/div双踪、扩展*三种方案(1)VLSI例如CPLD(2)MUC(3)MUC+CPLD,2.方案讨论,2.2控制器的选择,选择方案（3）MUC和CPLD控制器框图：,2.方案讨论,2.3技术指标初步分配（误差是定量指标）,（1）信号通道前向通道（采集、存储）2.5%后向通道（恢复）2%2.5%+2%=4.5%5%（2）时基（时间基线、扫描速度）控制信号（采样时钟）误差忽略不计扫描电压及输出电路2%,2.方案讨论,简易DSO划分为3个部分:Y通道（前、后向通道）、X通道和控制器3.1前向通道*作用（初步构思）,3.部分电路设计及模拟,S1校零，S2校满度*内容信号调理电路；低通滤波器；电平移位；前向通道通道性能分析；双踪显示；触发电路。,3.部分电路设计及模拟,1）输入电路*要求:Ri100k，输入噪声电压影响；*输入电阻（阻抗）对被测系统的影响Z越高，影响越小。,*输入电路,3.部分电路设计及模拟,*取R100k*运算放大器LF353初步核算：输入电阻Ri=R/RiR100k；输入端噪声电压3.6nV，而最高灵敏度时的测量分辨力为312V，3.6nV312V,2）信号调理电路*作用使信号符合A/D输入的要求（预计A/D输入2V）*增益计算输入幅度灵敏度8div8V，0.8V，0.08增益0.25，2.5，25（由程控实现）*电路图,3.部分电路设计及模拟,*有关解释程控开关Sn必须是模拟开关，选择集成开关MAX4501；增益调节电阻Rnn，模拟开关的内阻计人其中；补偿电容改善通道频响特性,3.部分电路设计及模拟,3）低通滤波器*作用：抗混迭采样信号的频谱混迭现象及改善方法,3.部分电路设计及模拟,*抗混迭滤波器电路,*有关解释运算放大器构成有源低通滤波器；二阶Butterworth低通滤波器.,3.部分电路设计及模拟,4）电平移位电路假设A/D要求+极性输入电压，而此前电路输出极性电压。5）前向通道性能分析*目的：阶段性小结*内容：频率特性的模拟；元器件参数的影响；环境温度的影响。,3.部分电路设计及模拟,前向通道频率特性的模拟（用EWB对程控增益放大器和低通滤波器模拟分析）,3.部分电路设计及模拟,结果-3dB带宽80kHz50kHz满足设计要求,6）双踪示波器的实现*样点采集次序交替、断续考虑最慢采样速率20ms/点，选择断续方式*样点数/页20点/div10div=200点（256）扩展方式2002=400点（512）*电路方案,3.部分电路设计及模拟,选择方法二,7）触发电路*要求：内触发、正沿、触发电平可以调节；*电路,3.部分电路设计及模拟,说明：触发信号来自A通道；采用比较器，比较电平的极性为+、可以调节；输出为下降沿，向单片机申请中断（）。,3.2信号的采样、量化、存储(DSO的基本技术）1）采样和模数转换器（A/D）A/D的技术要求（1）转换速率20s/div1s/点1Ms/s（2）量化位数32级/div8=256级/8div256=288bit量化误差1LSB=1/280.4%（3）输入幅度+（0-2）V选择：TLC5510,3.部分电路设计及模拟,关于TLC5510内含S/H；为半闪烁结构（flash)，两个4bit并行A/D组合为8bit转换速率20Ms/s；输入信号+（02）V；基准电压+2V等等TLC5510内部电路结构,3.部分电路设计及模拟,2）数据存储器要求：存储容量单踪512byte，双踪1024byte；写速率1s/点；RAM或FIFO或双口RAM。3）电路方案,3.部分电路设计及模拟,双A/D，RAM实现双踪要求,3.3后向通道1)设计要求将数字信号(RAM中的数据)恢复为模拟信号并作为通用示波器的Y输入信号(8V)，A、B信号从同一个Y端输入。要考虑的问题：信号恢复电路及器件选择，同步扫描电压，双踪显示。2）信号恢复采用器件D/A恢复速率选择宜人的观察速率10kHz100s/点256点100s/点=25.6ms(40次/秒）这样可以免除的高速D/A的要求（是DSO的优点）；D/A选择DAC0832。,3.部分电路设计及模拟,3）同步扫描电压设计*同步作用显示稳定的信号波形,3.部分电路设计及模拟,*同步扫描电压设计两种产生扫描电压的方法：通用示波器扫描电压(要同步信号)简易DSO产生选择由简易DSO产生,*扫描电压的产生用D/A产生D/A选择DAC0832（与信号恢复器件一致）D/A输入数据为8bit（00FF）H递增，（实际为阶梯波而不是斜波）关于扩展显示的信号恢复基本思想,3.部分电路设计及模拟,恢复的数据在两个页面中取连续的256点扫描电压与前相同因此，扩展显示是移动地在两个页面中显示一个页面，关键是控制电路和软件。4）双踪显示要求：问题：A、B两个信号恢复后的显示如图（a)所示，不便于观察。实际要求将A、B两个信号分别显示在通用示波器屏幕的上下方，如图（b)所示，要求进行光迹分离。,3.部分电路设计及模拟,光迹分离两种方法：电平位移；数据处理。,5）数据恢复电路,3.部分电路设计及模拟,有关解释：D/AYA、D/AYA和D/AX分别用于恢复A、B信号和产生扫描电压AY和AX为Y和X的输出电路.在同一地址的A、B数据分时地进行恢复，否则两信号的光迹要重叠。,3.4控制器的设计控制器的作用控制、数据处理；控制器的组成控制器自身、人机接口。1）键盘性质矩阵扫描非编码键盘组成（8个键）,3.部分电路设计及模拟,对键盘的解释：（1）按下的键状态为“0”；（2）s/div和V/div为+1键编码关系见表6.1；（3）默认的仪器工作状态：0.2ms/div、0.1V/div；（4）扩展移动键每按一次+5；（5）底层控制器（CPLD）扫描键盘，有键按下时向顶底层控制器（单片机）申请中断（）；（6）仪器的复位键（RESET）不属于键盘管理。,3.部分电路设计及模拟,3）控制器的硬件设计（1）DSO的操作时序键盘输入(相关设置)启动等待触发仪器操作（采集、存储、数据处理、信号恢复、显示）见图6.20，例如,3.部分电路设计及模拟,（2）控制信号,3.部分电路设计及模拟,（3）控制器件的选择MUCAT89C52CPLDACEX1K10AT89C528bit12MHz、8kbyteEEPROM、256byteRAMACEX1K103.5ns时钟I/OEBA(512byte)(可以在线编程）从存储器的配置来说，如此选择是极其有利的（4）控制器电路图,3.部分电路设计及模拟,3.部分电路设计及模拟,*底层控制器电路,3.部分电路设计及模拟,*顶层控制器电路,两层控制器总线连接（PartA）锁存器连接直接连接,3.部分电路设计及模拟,*对控制电路的说明CPLD部分,时钟信号产生电路（PartB）时钟信号种类：输入10MHz；3种采样时钟（由扫选择）和100Hz；选择时钟的编码自PartD,信号采集时：数据来自A/D；Reset开始存储（00H）；写时钟来自PartB。信号恢复时：读时钟自单片机；读允许信号自PartD；读出数据经过数据选择器至单片机。,3.部分电路设计及模拟,数据存储器（PartC）,锁存器（a)输出时钟选择码；锁存器（b)输出产生扫描电压的数据；锁存器（c)至前向通道控制开关；缓冲器（d)传递键值编码它们的选通由单片机P1口通过138实现,3.部分电路设计及模拟,有关的控制信号（PartD）,扫描时钟100Hz，自PartB；输出行扫描信号，读入列信号，输出键值编码，至PartD；向单片机申请中断。,3.部分电路设计及模拟,键盘扫描电路（PartE）,*对控制电路的说明单片机部分,显示器是其外设；与CPLD的连接是P0、P1口；键盘中断优线于触发中断；输出信号恢复和产生扫描电压的数据；单片机的有关设定P1口，表6.4内RAM的设定，表6.5前向通道的控制信号，表6.6补充说明：扫描速度为0.2s/div时，每采样一点就显示一次，否则要产生闪烁现象。4)控制器的软件设计(根据DSO的工作过程编写)自顶向下，充分利用子程序和中断功能一个主程序和两个中断子程序,3.部分电路设计及模拟,3.部分电路设计及模拟,向单片机申请中断,再至CPLD的Reset引脚，使其从地址00H开始存储采集的数据.,安装调试理论设计与实际工作之间；单元电路和级连电路之间；电路的实际负载能力。,5测试结果5.1拟定测试方案,方案的组