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1、数字示波器设计报告设计人员：王一夫 吴海波 田文摘要：本系统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，充分发挥 FPGA 的数据处理能力，实 现了示波器对被测信号的采样、存储与回放。系统采用实时采 样的方式，实现频带宽度扩展为 DC500kHz 的要求，同时显 示波形无明显失真。增加单次触发功能, 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。垂直灵敏度增加 0.01V/div 档，提高了仪器的垂直灵敏度，并且较好的减小输入 短路时的输出噪声电压。 关键字：数字示波器、FPGA、实时采样
2、一、系统设计一、系统设计方案设计及比较方案设计及比较总体设计方案选择总体设计方案选择数字示波器系统由调理电路、采样保持电路、触发电路、A/D、D/A、X 输出、Y 输出电路、控制处理器等组成。方案一：采用 80C51 单片机为控制核心，其系统框图如下。对输入信号进行放大或衰减后，用外接触发电路产生触发信号，通过 A/D转换将模拟信号转换成数字信号，再通过单片机将数据锁存至外部RAM，然后由单片机控制将数据送至 D/A 输出。信号输入调理电路A/D转换单片机RAMA/D转换键盘模 拟 示 波 器触发扫描信号液晶方案一系统框图这种方案结构较为简洁，但在满足题目的实时采样频率的情况下，A/D 的最高
3、采样速度达到 1MHZ，由普通单片机直接处理这样速率的数据往往难以胜任，而采用高档单片机甚至采用 DSP 芯片，则将大大增加开发成本。方案二：采用通道A/D双口RAMYX时 钟控制触发单片机写 地 址读 地 址方案二系统框图D/AD/AFPGA采样方式的选择采样方式的选择：一般示波器有两种采样方式：实时采样和等效时间采样。方案一：实时采样方案一：实时采样。实时采样是在信号存在周期对其采样，如图 1所示，所以都是在信号经历的实际时间内显示信号波形，根据采样定理，采样速率必须高于信号最高频率分量的两倍。对于周期的正弦信号，一个周期内就需要采样 8 个点以上。其优点就是采样时间比较短，缺点就是对 A
4、/D 转换其速度和精度要求很高。为了配合高速 A/D，一般用 FPGA 代替单片机来准确的定时控制 ADC 的采样速率，以实现高速实时采样。方案二：等效时间采样。方案二：等效时间采样。等效时间采样时采样中高速 A/D，实现频率较高的周期性信号高速采样重建的目标，即对每个周期仅采样一个点，经过若干个周期后就可对信号各个部分采样一遍。而这些点可以借助步进延迟方法均匀的分布于信号波形的不同位置。其中，步进延迟是每一次采样比上一次采样点的位置延迟 t 时间。只要精确控制从触发到获得采样的时间延迟，就能够准确的重建出原始信号，如图 2 所示。该方案的优点是采样频率不需要太高，与被采样信号频率相当即可，缺
5、点是要求被测信号是周期的，而且采样过程比较慢，比较耗时。0vt1 2 3 4 5vt0123图 1 实时采样示意图 图 2 等效时间采样示意图根据题目要求，结合实际情况，本次设计采用方案一。触发方案选择触发方案选择为了在示波器上显示稳定的波形，必须使用触发使扫描信号与被观测信号保持同步关系，即当满足触发条件时才启动一次扫描。方案一：方案一：采用外部硬件电路触发。其核心器件为比较器，当信号大于所设定比较触发电平时，即产生一次触发。但是被测信号频率范围较窄，为 10HZ10MHZ，对比较器要求较高，而且比较器在低频段上升沿有较大毛刺，容易产生抖动，导致触发不稳，波形晃动。方案二：方案二：采用内部软
6、件触发。在 FPGA 中可以通过软件将触发电平写入一个寄存器中，通过 A/D 对信号进行实时采样，并与该寄存器的值进行比较，当大于该值时即产生一个触发脉冲。结合本题要求，因为软件触发比较麻烦，硬件电路触发比较方便，简单易行，所以采用方案一。前级信号调理方案选择前级信号调理方案选择方案一：一路调理。方案一：一路调理。所有信号都通过同一路信号调理电路，经过相应的衰减或放大设计，将信号幅度控制在合适的范围内，以便后级的数据采样。方案二：多路调理。方案二：多路调理。将不同频率范围或不同幅度范围的信号经过各自的电路进行调理。示波器选择不同的档位，则选择了不同的信号通道。方案一电路简洁，但是由于信号的频率
7、和幅度跨度都很大，给硬件电路的调试带来了较大的困难;方案二虽然可以对不同频率和幅度范围内的信号进行单独调试，降低了每一路通道对硬件电路的要求，但导致电路规模较大，结构较繁琐，同时如果每一路信号做的不精，也会对采集结果产生很大的影响。结合题目要求，为了降低难度，选择方案二，及多路调试的方式。电路设计本系统设计方案主要包括几大电路。电路。.电路图 如下图：电路。.电路图 如下图：电路。.电路图 如下图：电路。.电路图 如下图：三、小结该示波器很好的完成了基本部分和发挥部分的指标。参考文献：1、赵茂泰 编著，电子测量仪器设计，华中科技大学出版社，2010 年 7 月印刷2、张金 主编，电子系统设计实战必读 ，电子工业出版社，2011 年印刷3、谢自美 主编， 电子线路设计实验测试 ， 华中科技大学出 版社 ，2003 年 1 月印刷 第二版4、李朝青 编， 单片机原理及接口技术 ， 北京：北京航空航天大学出版社， 2003 年 1 月第 9 次印刷5、高吉祥 主编，全国大学生电子设计竞赛培训系列教程，电子工业出版社，2009 年 5 月第一次印刷
