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1、目 录目 录1摘要：21 方案论证- 1 -1.1各种方案比拟与选择- 1 -1.2系统设计方案- 1 -2 理论分析与参数计算- 1 -2.1等效采样分析- 1 -随机采样- 2 -顺序采样- 2 -2.2垂直灵敏度- 2 -2.3存储深度M与扫描速率- 2 -3 系统硬件设计- 3 -2.1信号调理局部- 3 -2.2采样与保持电路- 4 -2.3触发电路- 4 -2.4 A/D转换与存储- 4 -2.5显示局部- 5 -4 系统软件设计- 5 -5 系统测试与分析- 5 -4.1测试仪器- 5 -4.2根本功能测试- 5 -4.3带宽测试- 6 -4.4存储功能测试- 6 -4.5校准信
2、号测试- 6 -4.6测试结果及其分析- 6 -6 结论- 6 -摘要：本数字示波器，以AVR单片机Mega32单片机和可编程逻辑器件EPM240CPLD为核心，由通道输入，采样与保持，触发，采集，数据处理，波形显示和操作面板等功能模块组成。根据题目要求，本系统以1MSa/s的采样速率进行50kHz以下信号进行实时采样，50kHz10MHz的周期性信号进行等效采样，等效采样速率200MSa/s。关键词：示波器，等效采样，AVR，CPLD1 方案论证1.1各种方案比拟与选择方案一：纯单片机方式：由单片机、A/D转换器及存储器等组成系统。这种方案要求单片机除了完成根本的处理分析外，还需要完成信号的
3、采集、存储、显示等控制与变换工作。其优点在于系统规模小，有一定的灵活性，但是不适宜于等效采样，难以到达题目要求。方案二：FPGA/CPLD或带有IP核的FPGA/CPLD方式。即用FPGA/CPLD完成采集、存储、显示等功能，由IP核实现人际交互及信号的测量分析等功能。这种方案的优点在于系统结构紧凑、可以实现复杂测量与控制操作简便；缺点在于调试过程繁琐，不适合在短时间内调试方案三：单片机与CPLD结合方式。即用单片机完成人机界面、系统控制、信号分析、处理变换，用CPLD完成采集和控制逻辑。这种方案兼顾了前两个方案的优点。综合以上三各方案，我们拟采用方案三进行系统设计。1.2系统设计方案本系统采
4、用单片机和可编程逻辑器件作为数据处理及控制核心，将设计任务分解为通道信号调理，触发信号产生、采样保持电路、采集存储、数据融合处理、显示、操作面板等功能模块。图1给出该系统的总体框图。CH1通道信号调理采样与保持电路A/D采集存储控制CPLDRAM触发信号产生EXTMega32单片机Flash液晶显示器操作面板图12 理论分析与参数计算2.1等效采样分析数字示波器的采样方式包括实时采样和等效采样非实时采样。等效采样又可分为随机采样和顺序采样。随机采样所谓随机采样，是指每个采样周期采集一定数量的样点，经过多个采样周期的样点积累，最终恢复出被测波形。由于信号的采样与失中之间是非同步的，是的每个采样周
5、期的触发点与下一个采样点之间的时间间隔是随即的，由因为信号是周期的，可以将每个采样周期的采样，等效为对有触发点确定的同一段波形的采样。因而通过多个采样周期后，已触发的电位基准将各采样周期的样点拼合，可以得到一个重复信号的由触发点确定的一段波形的密集样点，这样就恢复出了这段波形。每个采样周期，触发点与下一个采样点之间的时间由触发精密内插器测量，恰当的设计内插值，能够大大提高示波器的时间分辨率。顺序采样顺序采样方式在每个采样周期上只取波形上的一个样点，每次延迟一个的t时间，取样后的取样信号虽然也是一串脉冲列，但那时这个脉冲列的持续时间却被大大拉长了，这是因为在非实时取样的情况下，两个取样脉冲之间的
6、时间间隔变为mT+t，其中m为两个取样脉冲之间的被测信号的周期个数。从以上讨论可知，采用非实时取样所的得到的取样信号脉冲列，其包络波形同样可以重现原信号波形，而且由于包络波形的持续时间变长了，这样就可以以较低的采样速率获得极高的带宽。2.2垂直灵敏度取ADC的基准为2.5V，那么示波器幅度轴上8格对应为2.5V，即每格0.3125V，由此计算出每一档垂直灵敏度对应得放大倍数。如表1所示。表1垂直灵敏度/(mV /div)25102050100200500100020005000放大倍数156.2562.531.2515.6256.253.1251.56250.6250.31250.156250
7、.06252.3存储深度M与扫描速率在数字存储示波器中扫速、采样速率和记录长度之间存在以下近似关系：L(pts)=fs(MS/s)S(S/div)10(div)式中L表示记录长度，fs表示采样速率，S表示扫速10表示水平方向有10格。本系统设定扫描速度从100ns-20ms，依据上式，计算出对应的采样速率如表2所示。表2扫速S100ns200ns500ns1s2s5s10s20s50s采样率fs/MHz2001004020104210.4扫速S100s200s500s1ms2 ms5 ms10ms20ms50ms采样率fs/kHz2001004020104210.43 系统硬件设计2.1信号调
8、理局部考虑到本系统输入信号动态范围较大，本设计采用了先衰减后放大的电路结构。如图2所示输入通道衰减网络放大器图2电路前级采用8位双D/A TLC7528构成程控衰减器，将内部两片级联构成16位衰减器，将输入信号作为参考电压，此时D/A的输出电压为其中VIN 为输入电压，DIN1和DIN2分别为TLC7528内部两片D/A的输入数字量，改变DIN1和DIN2即可改变衰减器的衰减倍数。TLC7528的转换速率可达10MHz，说明其模拟带宽可以到达题目10MHz的要求，TLC7528的输入阻抗为20 k，低于题目中输入阻抗1 M的要求，故前面增加以及电压跟随器。运放选用TI公司的电流反应型运放THS
9、3095，该运放的增益带宽为210MHz，电压转换速率为7300V/s，典型同相输入阻抗为1.3M。可以满足题目的带宽和输入阻抗要求。电路后级采用高增益的运放构成程控放大器。为了到达发挥局部的垂直分辨率2mV/div的要求，放大电路的增益必须满足为了到达10MHz的输入带宽，要求放大器的GBW=156.2510MHz=1562.5MHz，由于增益带宽积很大故采用两级放大，放大器选用电压反应型高速运放THS4022，其增益带宽积为350MHz，可以满足放大器的要求。2.2采样与保持电路在A/D转换过程中应保持输入信号不变。采样/保持器可以去除输入信号某一瞬间的值并在一定时间内保持不变。采样/保持
10、器有两种工作方式，即采样方式和保持方式。在采样方式下，采样保持器的输出必须跟踪模拟输入电压；在保持方式下，采样保持器的输出将保持采样命令发出时刻的电压输入值，直到保持命令撤销为止 。如图3 采样保持器的原理图。图中A1 为稿输入阻抗的运算放大器，A2 为输出缓冲期，开关K是工作方式的控制开关。开关K闭合时，输入信号Vin经放大器A1向电容充电，此时为采样工作方式；当开关K断开时为保持方式，由于运算放大器的输入阻抗很高，因此在理想情况下，电容保持充电的最终值。图32.3触发电路触发电路用来产生周期与被测信号有关的触发脉冲。在数字示波器中触发信号只是在采样存储器选取信号的一种标志，以便灵活的选取采
11、样存储器中某局部的波形送至显示窗口，在数字示波器中设有延迟调节，可以自由改变触发点的位置。如图4，S1为内部触发和外部触发切换开关，S2和S3为上升沿、下降沿触发选择开关。图42.4 A/D转换与存储A/D转换器的位数决定于垂直分辨率，题目要求8bit/div，1MSa/s的速率，故我们选择TI公司的8位并行高速A/D转换器。该A/D最高采样速率20MHz满足题目1MHz的要求。2.5显示局部显示器我们选用的是240*128点的液晶显示器，该液晶并不能完全满足扫描速率和垂直分辨率的要求，但由于市场上适宜的液晶买不到，故我们采用滚动显示的方式来实现扫描速率和垂直分辨率的要求。4 系统软件设计软件
12、系统流程图见图55 系统测试与分析4.1测试仪器TDS3054B数字示波器，F120型数字合成函数发生器计数器，Agilent34401A6位半数字万用表各一台。4.2根本功能测试经测试，内触发方式工作正常，触发电平可调；上升沿触发、外部触发方式在满足触发条件是成功触发。在被测频率低于50kHz时波形无明显失真，当频率大于50kHz时显示波形略有失真。按照标准输入阻抗测量方法测试，输入阻抗为1 M，满足题目要求。扫描速度在垂直灵敏度为0.1V/div条件下测试，测试数据如下表所示，未完全满足题目要求。图5表3信号周期100ns2s 2ms10ms20ms50ms0.1s扫速/(div)100n
13、s2s2ms10ms20ms50ms0.1s周期数00010.2ms9.810.110.0误差100%100%100%2%2%1%0垂直灵敏度测试数据如下所示。表4信号峰峰值2V1V0.4V100mV4mV垂直灵敏度1.0V/div0.5V/div0.2/div50mV/div1.0V/div测试值1.97V0.98V0.41V98mV0示波器测量值2V1V0.4V101mV4mV误差1.5%2%2.5%3%100%测试条件：信号频率为1kHz，参照示波器TDS3054B。测试条件：信号频率为10MHz，参照示波器TDS3054B，此时无法完整显示波形。4.3带宽测试测试条件：垂直灵敏度为0.
14、1V/div，信号Vpp=0.05V。测试数据如表6所示表6信号频率10Hz1kHz10kHz50kHz1MHz5MHz10MHz示波器测试值0.0510.0510.0490.0500004.4存储功能测试储存功能经测试功能正常4.5校准信号测试校准信号用示波器TDS3054B测量，将示波器输入阻抗调至1 M，显示频率为100.1kHz的方波，幅度为310mV，误差为3.3%。4.6测试结果及其分析根据要求分项测试，各项都要注明测试条件，如输入信号、输出信号、电源电压；测试仪器以及其他一些需要注明的条件；然后对数据进行列表有些情况要进行屡次的测量，这时也要注明；最后说明到达的技术指标，并和设计要求的技术指标进行比拟，说明最终测试指标的精度。以上数据说明，该示波器的各项指标根本满足题目要求，局部结果仍存在一些问题，如：等效采样局部测量，其主要原因是：首先CPLD器件速度不能满足要求，其次等效采样的时序没有理顺。6 结
