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1、大学生电子毕业设计论文数字示波器院校： 湄洲湾职业技术学院系部：电子工程系XX：学号：指导老师：2012-8-25数字示波器摘要：本系统是以ARM7芯片LPC2138为控制核心,由输入信号调理、触发、采样保持、采集、数据处理和波形显示等模块组成的，具有实时采样方式和等效采样方式的数字示波器。高速A/D最高采样率可达1MSa/s，输入信号频率X围为10Hz10MHz，实时采样速率小于等于1MSa/s,等效采样速率大于等于200MSa/s。系统采用内触发方式，上升沿触发，触发电平可调，并且具有单次触发功能。仪器可存储当前波形，在需要时可以调出显示，显示采用通用示波器，并且能提供频率为100KHz，
2、幅度值为0.3V的方波校准信号。整个系统结构清晰，满足题目要求。关键词：等效采样,高速A/D,ARM7，数字示波器Abstract: This design of digital oscilloscope, which is controlled by LPC2138 with an ARM7 core, uses a high-speed analog-to-digital converter AD7821 with a max sampling rate 1MSa/s.It has Real-time Sampling mode and Equivalent-time Sampling m
3、ode, and the Real-time Sampling rate is less than 1MSa/s, the Equivalent-time Sampling rate is larger than 200MSa/s.This two modes make the system deal the input signal with a frequency rank from 10Hz to 10MHz freely. The trigger system has a alterable trigger level, and it has the function of singl
4、e sweep. The oscilloscope can save the wave displayed currently, and the saved wave can be recalled when needed. The wave is displayed on the general oscilloscope. The system can also provide an adjust square wave with a frequency of 100 KHz, and an amplitude of 0.3V. The whole architecture performs
5、 wonderfully.Keywords:Equivalent-time Sampling，High-speed Analog-to-Digital Converter,ARM7, Digital Oscilloscope系统方案11方案比较与选择微控制器模块方案一：采用FPGA作为控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，非常适合本题要求；但是考虑到我们对此并不熟悉，不得不放弃此方案。方案二：采用单片机作为控制器。我们选择了ARM7芯片LPC2138，集成度高、处理速度快，存储器容量大，适合本题要求。并且我们对此芯片比较熟悉，故选用此方案。输入信号调理电路方案一：采用程控放大器AD603
6、进行放大或者衰减，但是该器件货源短缺。方案二：采用继电器阵列，选择不同的反馈电阻和集成运放OP37构成标准的反向运算放大器来实现。经试验，这种方案能够比较好的控制放大或者衰减。因此，我们选择方案二。1.1.3 A/D转换模块方案一：采用高速A/D芯片TLC5510。最高采样速率可达20MSa/s,但是本题对采样速率有限制，使用此芯片完全没有必要，故不采用。方案二：采用8位高速A/D芯片AD7821。最高采样速率1MSa/s，正好满足本题要求，因此采用此芯片。我们选择方案二。12整体设计方案我们将设计任务划分为输入信号调理电路、采样与保持电路、A/D转换电路、触发电路、键盘显示模块、显示控制模块
7、，另外增加了语音模块、掉电保护模块。系统框图如图1所示：微控制器（LPC2138）输入信号调理电路采样与保持电路A/D转换电路触发电路存储X扫描Y扫描键盘LCD显示模拟示波器方波校准信号语音模块掉电保护图 1 整体设计方案理论分析与计算21等效采样分析等效采样是指对多个信号周期连续采样来复现一个信号波形，在这种模式下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的信号波形。对于一个频率为fin（周期为Tin）的输入信号，采样信号频率为fs（周期为Ts）与之相近，但频率相差为f，周期相差为t，即：（1）对于输入信号来说，每个周期上的采样位置是递增的，每次的增量即为t。这样就在信号的不同周期上
8、取到了关于信号幅值变化的完整信息。复现的信号虽然在频率上失真了，但是保留了信号的基本变化规律，如同一个实时采样的信号被扩展。这时，复现一个波形的采样点数为：（2）采样速率为采样间隔的倒数，则等效采样速率为：（3）进而，如果采样信号频率与输入信号频率的1/N相近（N取自然数）： （4）即每N个输入信号周期采样1个点，信号波形也可被恢复。此时，等效采样速率为： （5） 假设输入频率为10MHz，采样时钟为800KHz的情况下，等效采样速率可达240MSa/s.此时复现一个波形采样24点。将时基设置值为100ns/div，每格显示20个采样点，则可以求出等效时间采样速率为：等效时间采样速率=20/1
9、00ns=200MS/s22垂直灵敏度根据题目要求，垂直分辨率为8bits，因此选用8位A/D转换器满足要求。垂直分辨率共分为3挡，分别为1V/div,0.1V/div,2mV/div。为了满足发挥部分2mV/div的要求，前级放大电路的增益G必须满足：对于1V/div， ，对于0.1V/div，我们通过单片机选择不同的继电器，选通不同的反馈电阻来改变增益，从而改变垂直分辨率。23扫描速度扫描速度分为20ms/div,2us/div,100ns/div三挡，鉴于分辨率为20点/div，则采样周期分别为1ms、100ns、5ns，采样速率分别为100KSa/s、10MSa/s、200MSa/s.
10、由于我们选用采样速率为1MSa/s的A/D转换器，实时采样速率小于等于1MSa/s，等效采样速率大于等于200MSa/s，满足扫描速度的要求。电路与程序设计31电路设计 输入信号调理电路考虑到本系统输入信号的动态X围较大，本设计通过继电器阵列来控制衰减或放大倍数。放大采用具有宽频带X围的 OP37。经试验，在全频带X围内均可达到较好的放大或者衰减效果。通过选通继电器开关改变Rf的值，就可以控制放大倍数。 图2 输入信号调理电路采样保持电路和A/D转换电路A/D转换电路使用了最高采样速率为1MSa/s的芯片AD7821，符合题目要求，采用双极性方式，能测量在-2.5V2.5V的电压。取样保持芯片
11、采用AD781,二者可以方便的连接。 图3 取样保持和A/D转换电路峰值检测电路通过如图4所示峰值检测电路得到信号的峰值，单片机读出峰值之后控制输入信号的放大倍数。图4 峰值检测电路32程序设计软件流程图如图5所示：选择转换时钟开始程控放大或衰减测量频率进入实时采样模式进入等效采样模式启动A/D转换f40KHz?数据存储与处理波形显示YESNO触发方波校准信号图5 软件流程图源程序见附录一。系统测试41测试方案采用先分别测试各单元模块，调试通过后再进行整机调试的方法。整机调试时，用标准的函数信号发生器产生周期信号，将测到的频率、周期、峰峰值与输入值进行比较，调节电路参数进行校准，使误差控制在题
12、目要求之内。42测试仪器测试过程中所用到的仪器如表1所示：表1 测试仪器仪器型号数量数字示波器TDS10021台40MHz函数信号发生器TFG20401台20MHz普通示波器XJ43181台数字万用表VC9807A1台微机电源WD9901台联想PC1台43测试结果扫描速度测试条件：垂直灵敏度1V/div。测试数据由表2所示。表2 扫描速度测试结果20ms/div2us/div100ns/div10.21021010011050.5501202002201001000100100010100由测量数据分析得：水平扫描速度满足指标（波形周期测量误差5%）。垂直分辨率测试条件：信号频率为200KHz
13、。测试数据由表3所示。表3 垂直分辨率测试结果1V/div0.1V/div2mV/div2.02.010.50.20.2052.565.83.34.04.000.00.40.4000.01010.11.06.05.901.60.60.6172.81413.90.7由测量数据分析得：垂直分辨率满足指标（电压测量误差5%）。方波校准信号测试条件：校准信号端子连接到数字示波器输入端。测试数据由表4所示。表4 方波校准信号测试结果实测值理论值误差频率100.5KHz100KHz0.5%100.478KHz100KHz0.48%100.32KHz100KHz0.32%电压0.308V0.3V2.7%0.
14、312V0.3V4%0.305V0.3V1.6%由测量数据可以得到，电压误差5%（负载电阻1 MW时），频率误差5%，满足题目要求。 输入阻抗测试输入阻抗大于.4.3.5 A/D转换器最高采样速率测试测试条件：采样保持器时钟为800KHz。经检测，A/D时钟不大于1MHz.44测试分析测量结果能够满足题目的精度要求。题目中要求的波形周期测量误差5%，电压测量误差5%，方波校准信号电压误差5%（负载电阻1 MW时），频率误差5%，我们都能够实现，如表2表4所示。参考文献：【1】童诗白、华成英，模拟电子技术基础，高等教育，2001【2】周立功主编，深入浅出ARM7-LPC213X,航空航天，2005【3】Tektronix Co.Ltd，深入了解示波器，2005【4】黄智伟，基于Multisim2001的电子电路计算机仿真设计与分析，电子工业，2002附录1：源程序/*
