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1、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 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 DC 50kHz Ri 100k 2 垂直 32级 div 水平20点 div 屏幕面积8 10div2 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 20 s 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、 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 20 s 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
3、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DC 50kHz 样点直接恢复方式为20点 周期 采速高达1000kHz 1 s 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 1 s 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
4、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 Ri 100k 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
5、拟 取R 100k 运算放大器LF353初步核算 输入电阻Ri R Ri R 100k 输入端噪声电压3 6nV 而最高灵敏度时的测量分辨力为312 V 3 6nV 312 V 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
6、 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80kHz 50kHz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 div 10di
7、v 200点 256 扩展方式200 2 400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20 s div1 s 点1Ms s 2 量化位数32级 div 8 256级 8div256 288bit量化误差1LSB 1 28 0 4 3 输入幅度 0 2 V选择 TLC5510 3 部分电路设计
8、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 0 2 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1 s 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
9、信号恢复采用器件D A恢复速率选择宜人的观察速率10kHz100 s 点256点 100 s 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 00 FF 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
10、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
11、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
12、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10MH
13、z 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
14、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 方案的组成对测试仪器的精度要求 5 2测试结果记录 测试项目要针对设计要求 单次和连续扫描 扩展功能 双踪示波 垂直灵敏度 扫描速度5 3测试结果总评价 误差 5 实事求是 中肯 5测试结果 6小结 1 模拟电路部分设计较合理 2 两层控制 3 充分利用片内存储器 4 充分利用新颖电子技术 7展望 1 采用程控电阻 2 扩展功能的再扩展 利用双扫描和CRT的Z通道 3 数字信号处理 电子设计竞赛是一项千军万马的活动 让我们在不同的岗位上共同努力
