基于等效实时采样的数字示波器设计

1、第17卷第6期2009年6月Jun.2009电子设计工程Electronic Design Engineering 收稿日期:2009-02-24稿件编号:200902020作者简介:刘宪力(1986-,男,河南郑州人。研究方向:电路集成与设计。1引言数字示波器自上个世纪七十年代诞生以来,它已成为测试工程师必备的工具之一。随着近年来电子技术取得突破性的进展,催生了更庞大的数字示波器市场需求。此外,信号传输在现代工程中是很重要的一个技术环节,但在信号传输中,数字信号将对模拟信号产生干扰,目前采用的解决方法是利用单片机来实现模拟信号和数字信号在单线中的混合传输,而这其中的测试和调试就要求示波器必须

2、能够对数字信号和模拟信号同时进行分析和显示。因此,这里介绍一种基于等效和实时采样数字示波器的设计。2设计方案2.1采样方案选择实时采样和等效采样相结合的方式,实时采样速率小于1MS/s ,水平分辨率至少为20点/div,故系统50kHz 以下采用实时采样方式,而50kHz 10MHz 采用等效时间采样方式,最高等效采样速率可达到200MS/s 。2.2频率测量方案由于该系统测试频率上限为10MHz 。根据等精度测量和测周法原理,将此频率分为两段。因此,10kHz 以下频率段,采用测周法;10kHz 以上的频率段,采用等精度测量法,从而缩短测量时间。2.3触发方案采用内部软件触发,通过软件设置触

3、发电平,软件设置的施密特触发器参数容易修改,可以很好抑制比较器产生的毛刺。当所采样值大于该触发电平时,产生一次触发。该方案可排除硬件产生的毛刺干扰,触发和波形较稳定,且易实现触发电压的调整2。2.4采样与保持电路方案采用射极跟随器、模拟开关和电容搭建采样与保持电路。射极跟随器可选用带宽稳定且带动容性负载强的运放,有较多的TI 模拟开关,使其速度很容易满足要求,再选用合适的漏电小的聚苯电容即可实现采样与保持电路3。3系统硬件电路设计系统制定出系统总体方案:输入信号经阻抗变换电路后进行程控放大,再经采样与保持电路后进入MAX118进行采样。其中程控放大倍数和A/D 采样速率由垂直灵敏度和水平扫描速

4、度确定,采样时刻由上升沿触发判断和等效采样控制单元决定4。采样数据存入双端口RAM ,显示控制模块读取基于等效和实时采样的数字示波器设计刘宪力,特日格乐,张清(武汉大学电子信息学院,湖北武汉430079摘要:基于数字示波器的基本原理,以单片机和FPGA 组成的最小系统为控制核心,实现了普通示波器对被测信号的采样、存储与回放,并且增加了等效采样和采样保持功能,极大地提高了系统的测量范围。该系统具有实时采样和等效采样两种方式,以不大于1Ms/s 的A/D 转换实现200MS/s 的等效采样率对输入1Hz10MHz ,V p-p 为2mV8V 的信号进行采样处理,并能进行单次触发,自动和存储/输出波

5、形。关键词:单片机(SCM ;FPGA ;数字示波器;等效采样;实时采样中图分类号:TM935.37文献标识码:A文件编号:1674-6236(200906-0069-03Design of digital oscilloscope based on equivalent sampling and real -time samplingLIU Xian -li ,Terigele ,ZHANG Qing(School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430079,China Abstract :The system,mainly

6、 controlled by the minimum system which consists of the single -chip microcomputer and FPGA,is designed based on the basic principles of digital oscilloscope,which achieves the function of the measured signal s sam -pling,storages and playbacks of the ordinary oscilloscope ,adds the equivalent sampl

7、ing and sample -and -hold function,which greatly improves the measurement range of the system.Via real -time sampling and equivalent sampling,the system realizes the input signal s sampling and processing and achieves the 200MS/s equivalent sampling frequency with no more than 1MS/s ADC.In addition,

8、the system is a single trigger and has the function of AUTO and storing or exporting a waveform.Key words :single chip microprocessor (SCM ;field programmable gate amay (FPGA ;digital oscilloscope;equivalent sampling;real -time sampling-69- 3.4A/D 采样电路A/D 转换器采样是信号处理的重要部分,是对模拟信号进行数字量化。采用MAX118的流水线工作模

9、式,该模式下MAX118的工作直观,控制简单。图3为MAX118 的实现电路。4系统软件设计简化后的系统软件流程如图4所示。系统主体功能采用模块化的设计思想,通过按键进行选择,且菜单界面良好,具有较强的人机交互性。为了在示波器上显示稳定的波形,采用内触发方式进行扫描,软件对触发电平的设置较好排除硬件毛刺产生的干扰,触发和波形较稳定,且易实现触发电压的调整5。另外双端口RAM 的使用还使系统具备自动调节和波形存储的功能。5测试结果5.1使用的仪器及测试方案PC 机:清华同方P1.7G,512M ;直流稳压电源:图4软件流程5Asmuth C,Bloom J.A modular approach

10、to key safeguarding J.IEEE Trans on Information Theory,1983,29(547:208-210.6Feldman P.A practical scheme for non-interactive verifiable secret sharing C.Proceedings of 28th IEEE Symposium on Foundations of Computer Science.1987:472-437.7BenorM,Goldwasser S,Widgerson A.Completeness theorem for non -c

11、ryptographic fault -tolerant distributed computation M.Proceeding of the Twentieth Annual ACM Sysposium onTheory of Computing.Chicago:ACM,1988.8Cramer R,Van Damgaard I,Maurer U.General secure multi -party computation from any linear secret -sharing scheme M.Beligum:CRYPT,2000.9蒋晓宁,叶澄清,潘雪增.基于半可信的离线第三

12、方的公平交易协议J.计算机研究与发展,2001,38(4:502-508.10张福泰.可验证秘密分享及其应用研究D.西安:西安电子科技大学,2001.SG1733SB ;双踪示波器:泰克TDS1002;仿真机:E51/S 伟福;信号源:Agilent 33120A ;数字合成高频信号发生器:SP1461。将系统行列扫描输出端分别与模拟示波器X 轴与Y 轴输入端相连,进行垂直灵敏度和水平扫描速度测试,信号幅值和周期测试。5.2测试数据及分析表1和表2分别给出了该系统设计的水平灵敏度和垂直灵敏度测试数据。1V/div0.1V/div2mV/div 档Fin(V p-p =4V/HzV 实测/格数误

13、差/%Fin(V p-p =0.4V/HzV 实测/格数误差/%Fin(V p-p =16mV/HzV 实测/格数误差/%3.980.510M3.96110M7.851.875表2垂直灵敏度表1水平灵敏度20ms/div 2s /div100ns/div Fin /Hz T 实测/Hz Fin200.001200199.9971010.0000系统电压测量误差主要来源于前级信号调理电路,被测信号是宽带宽,高动态范围的信号,因而对前级放大器幅频特性要求很高。系统频率测量的误差来源于等精度测频中对频标计数的±1误差,以及比较器边沿抖动和工作的不稳定性6。系统具有3档垂直灵敏度,电压测量误

14、差小于2%,7档水平扫描速率,周期测量误差小于0.01%,以及触发电平调节和存储波形的功能。6结束语该数字示波器增加了垂直灵敏度和水平扫描速度的档位、AUTOSET 和光标显示以及对显示波形处理的功能,显示波形无明显失真,幅度测量误差小于2%,频率测量精度优于0.01%,并能进行单次触发,存储/调出波形。系统的显示输出采用模拟示波器和128×64点阵液晶相结合的方式,波形显示清晰,工作稳定,操作简单,人机界面友好。参考文献:1J W Pierre,R F Kubichek.Investigating sampling and quanti -zation using a digital storage oscilloscope M.Department of Electrical Engineering University of Wyoming Laramie,WY 82071,USA,2001.2全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选(2003M.北京:北京理工大学出版社,2005.3李朝青.单片机原理及接口技术M.北京:北京航空航天大学出版社,2003.4李华.MCS -51系列单片机实用接口技术M.北京:北京航空航天大学出版社,2004.5谢自美.电子线路设计·实验