1 簡易數(shù)字存儲示波器設計報告 摘 要 本設計分為四個模塊，分別是：信號前向調(diào)整模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)輸出模塊和控制模塊。信號前向調(diào)整模塊采用高速低噪音模擬開關 (寬帶運算放大器 (成可編程運算放大器，對幅度不等的輸入信號分別進行不同等級的放大處 理 。 數(shù) 據(jù) 采 集 模 塊 采 用 可 編 程 器 件(制高速 (不同頻率的輸入信號分別以相應的采樣速度予以采樣，并將采樣數(shù)據(jù)存在雙口 (。數(shù)據(jù)輸出模塊采用另一 片可編程器件 (制兩片 (別輸出采樣信號和鋸齒波 ,在示波器上以的方式顯示波形?？刂颇K以片機為控制核心，協(xié)調(diào)兩片可編程器件的工作，并完成其它的測量，計算及控制功能。 2 一 總體方案設計與論證： 方案一：數(shù)字示波器采用數(shù)字電路，將輸入信號先經(jīng)過變換器，把模擬波形變換成數(shù)字信息，暫存于存儲器中。顯示時通過變換器將存儲器中的數(shù)字信息變換成模擬波形顯示在模擬示波器的示波管上。對于存儲器的地址計數(shù)及數(shù)據(jù)存取可通過數(shù)字電路對時鐘脈沖計 數(shù)產(chǎn)生地址，并選通存儲器來實現(xiàn)；對輸入信號何時觸發(fā)采集可通過模擬比較器及其它簡單的模擬電路實現(xiàn)。但是，這種方法的硬件電路過于復雜，調(diào)試起來也不方便，不利于系統(tǒng)的其它功能擴展，因而不可采取。 方案二：采用 片機。單片機軟件編程靈活，自由度大?？赏ㄟ^軟件編程實現(xiàn)對模擬信號的采集，存儲數(shù)據(jù)的輸出以及各種測量，邏輯控制等功能。但是，系統(tǒng)要求的頻帶上限為，根據(jù)采樣定理，采樣速度的下限為，需要用高速進行采樣。假設單片機系統(tǒng)用 12M 的晶體振蕩器作為系統(tǒng)時鐘，那麼一條指令就需要 1 2本無法控制高速工作。因此，單純用軟件是不可能實現(xiàn)該系統(tǒng)的。 方案三：采用 片機作為控制核心，采用可編程器件（ 司的 實現(xiàn)對數(shù)字系統(tǒng)的控制。由于可編程器件的工作頻率很高，所以用它控制高速工作是合適的，同時又有著 樣強大的軟件予以支持，所以設計調(diào)試都會變得十分方便。為了穩(wěn)定實時的顯示 波形，必須使采樣數(shù)據(jù)輸出與掃描信號同步，同時掃描速度要快， 3 所以也應該用可編程器件來控制波形數(shù)據(jù)的輸出。由于硬件資源不是十分豐富，為了以后功能擴展方便，所以我們選用了兩片該器件分別控制著模擬信號的采樣以及采樣數(shù)據(jù)的輸出，用單片機控制并協(xié)調(diào)它們之間的工作。 系統(tǒng)框圖如下： 二 單元電路的設計與論證 1 信號前向調(diào)整模塊的設計： 為了使不同幅度的輸入信號都能被所采樣，所以在采 樣電路的前端應對輸入信號進行一定的放大衰減。由于我們所號調(diào)整電路 信號選擇 雙口 輸出電路 高速電路 普通示波器 鋸齒波 觸發(fā)電路 鍵盤 顯示器 程控放大電路 X Y Z 信號一 信號二 4 選用的（ 路 的輸入動態(tài)范圍為 當輸入 直流信號時，輸出為 00H，輸入 (路輸出為 05V,所以當 A/D 的輸入信號峰峰值為 2V 時 ,設示波器的垂直靈敏度定在 末 Y 軸顯示 10 格 (實際上 Y 軸只有 8 格 ),這相當于將輸入信號放大了 。為使垂直靈敏度為 1v/在示波器上 Y 軸顯示兩格，則輸入信號需要衰減倍，同理可得當垂直靈敏度為 前向通道需要放大 2 倍和20 倍。由于 A/D 本身的輸入動態(tài)范圍就很小 ,為了保護，所以在前端加入了倍衰減，因此程控放大倍數(shù)應分別為倍，倍，倍。 方案一：采用現(xiàn)有的集成程控放大器 (例如 :為信號的前向輸入通道，根據(jù)輸入信號的幅度選擇不同的放大衰減倍數(shù)，以達到所要求的輸入范圍。在系統(tǒng)前端采用集成器件，對抑制系統(tǒng)的噪聲是很有幫助的 ,而且這種器件控制簡單 ,使用方便。但是，該器件貨源短缺，無法實現(xiàn)。 方案二：采用四象限乘法型 D/A 轉換器 運算放大器來實現(xiàn)程控放大衰減。 部具有兩個匹配良好的D/A 轉換器。按照下圖的接法，即可構成可編程增益 /衰減電路。從每個 D/A 轉換器的基準輸入到其輸出的等效電阻用于取代標準反相放大器的輸入電阻和反饋電阻，將合適的數(shù)據(jù)置入到兩個 D/A 中，即可實現(xiàn) +48可編程增益 /衰減。經(jīng)理論 5 推導，輸入 輸出 間的關系是： b 其中， b 分別指的是 A， B 兩 D/A 的預置值，范圍在1 到之間。但是，根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)在頻率較高時有衰減，放大倍數(shù)比預定值小，無法滿足垂直靈敏度在全頻段內(nèi)誤差小于的要求， 所以不可選用。 方案三：采用 高速低噪聲模擬開關 擇不同的反饋電阻和模擬運算放大器 成標準的反相運算放大器來實現(xiàn)。 單位增益截止頻率為，可保證對頻率小于的信號進行倍放大。將 四根控制線接在最小系統(tǒng)的擴展接口上，即 8255的 制信號與放大倍數(shù)的對應關系如下表： 6 大倍數(shù) 1000 1 0100 10 0010 20 0001 100 電路如下圖： 高速數(shù)據(jù)采集模塊的設計與論證： 7 該模塊由三部分組成，分別是：高速，控制電路和存儲電路。 ） 的選擇： 根據(jù)題目要求垂直分辨率為 32 級 /波器上共 8 格，即要分為 256 級，因此可選用 8 位 A D。又由于水平分辨率為 20點 /以對應于三檔掃描速度 0us/采樣速度應分別是 100100 1析如下： 設掃描速度為 s/求水平分辨率為點 以每點的取樣時間間隔為 X/20s,即取樣信 號的頻率為 20/X 此，當要求三檔掃描速度分別為 0us/，相應的三檔采樣頻率應分別是 1001001是，從100 100跨度太大 ,不利于中間頻段信號的顯示，因此我們又多加了 1 10檔掃描速度。由于最高采樣速率達到，所以普通的難以滿足要求，因此我們選用了公司的位 芯片用單 5換速率最高可達到 20部帶有采樣保持電路和基準電阻。該芯片的最大 優(yōu)點就是速度快，控制簡單，適用于可編程器件控制。電路如下： 該電路的輸入信號的動態(tài)范圍很小為 了將動態(tài)范圍擴展至 010V，需在其前級加入如下調(diào)整電路。該電路除了對輸入信號進行 5 倍衰減外，還在輸入信號上迭加 直流。 8 9 仿真結果 ）控制電路： 控制電路做在可編程器件里，主要有地址累加單元，采樣速度選擇單元和可編程器件與單片機接口單元。 其中，地址累加單元電路如下： 系統(tǒng)時鐘，計數(shù)前首先由 輸入一個負脈沖信號，對計數(shù)器和 D 觸發(fā)器復位，而后對時鐘脈沖計數(shù)。當計滿時，該電路自動停止工作，并在 產(chǎn)生一個低電平信號，標志計數(shù)結束。 號為鎖存信號，當其為低電平時，鎖存當前采樣。仿真如下： 10 ） 存儲芯片的選擇與實時性的考慮： 方案一：采用一片 儲采樣數(shù)據(jù)，以先采后放的方法工作。該方法優(yōu)點是電路簡單，控制簡單，易于實現(xiàn)。但其只在輸入信號頻率較高時能輸出較穩(wěn)定的波形，當信號頻率很低時，輸出波形更新周期過長，缺乏實時性，并且在輸出波形的同時無法進行數(shù)據(jù)采集，將丟失信號部分信息。 方案二： 采用兩片 一片 儲采集數(shù)據(jù)，另一片 出數(shù)據(jù) ,即兩片 替進行存儲與輸出。該方法解決了丟失信號部分信息的問題，但是采放的速率必須一致，否則必然引起數(shù)據(jù)沖突。對于低頻信號該方法無任何意義，沒能很好的解決實時性問題，并且電路較復雜，占用口線資源多，造成浪費。 方案三：采用一片雙口 邊采邊放。該方法電路簡單， 11 較好的解決了實時性問題所以采用該方案。由于最高采樣速度是，所以要求存儲器的最大存取時間應小于 于要求水平分辨率為 20 點 /模擬示波器上共有格，即每一次 掃描應有個點，所以存儲量僅需個單元。當對輸 入信號一次采集時，假設最大滿屏顯示一個周期的信號，則存儲個周期的信號就已經(jīng)超額滿足題目的要求，因此存儲量選為 2K 我們選擇的雙口 芯片有兩組對稱的信號線，即每個端口都有獨立的地址線 ,數(shù)據(jù)線和控制線。它的存取時間為 255存儲量為，在非選通時自動處于低耗狀態(tài)，可異步操作，輸入和輸出三態(tài)，與 平兼容。該芯片的應用電路如下： 12 波形顯示電路： 波形顯示方式有方式及外部觸發(fā)方式。但是為了在示波器上顯示字符就必須選用方式。 ） 數(shù)據(jù)輸出速率的分析： 由于數(shù)據(jù)采集的最高速度為 1此數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)的掃描速率應大于 1能實時的顯示數(shù)據(jù)更新的過程。根據(jù)實驗比較，我們選定輸出頻率為 2該輸出頻率下，系統(tǒng)的實時性較好，而且波形穩(wěn)定，不失真。 我們選用的 的輸出電流建立時間為 100 10足數(shù)據(jù)輸出的速度要求。電路如下： 輸出數(shù)據(jù)的地址由地址累加器得到，我們在地址累加器的后 13 級加入了一級數(shù)據(jù)選擇器，通過掃描信號的進位脈沖切換數(shù)據(jù)通道，即可實 現(xiàn)鎖存后或單次觸發(fā)后顯示波形的水平移動。局部電路圖如下： 其中， 0.地址累加步進量 ,0.已鎖存的起始地址 ,水平掃描信號的進位脈沖 ,該脈沖即為通道切換信號。仿真如下： ）鋸齒波形成電路： 根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)，在可編程器件 內(nèi)部搭建的計數(shù)電路很容易產(chǎn)生毛刺，使輸出鋸齒波不穩(wěn)定，因而我們選用硬件電路計數(shù)產(chǎn)生鋸齒波。鋸齒波的時鐘由數(shù)據(jù)輸出電路提供，以保證掃描信號與數(shù)據(jù)信號同步。將鋸齒波計滿后輸出的進位脈沖經(jīng)過一定的延時放大后，送給模擬示波器的 軸，以消隱 14 回掃線。鋸齒波產(chǎn)生電路如下圖： 觸發(fā)電路： 觸發(fā)電平由單片機通過 D/A(出，通過比較器與輸入信號相比較，從而得到觸發(fā)信號。該觸發(fā)信號使單片機產(chǎn)生中斷，經(jīng)單片機處理后啟動開始采集。 這里選用的比較電路是由高增益，低噪聲，低漂移運放 齒波產(chǎn)生電路 仿真波形 15 開環(huán)構成的。其輸出用兩個二極管限幅，以得到標準的 號。電路見下圖。 雙蹤示波電路： 理論上嚴格的雙蹤示波器應對兩路信 號同時采樣，那麼就需 觸發(fā)電路 16 要兩個高速 A/D，及其前端電路。但是普通模擬示波器分辨率一般不高，因而就沒有任何意義去要求兩路信號嚴格的同時。因此我們采用一路采集電路對兩路輸入信號交替采樣，將采集數(shù)據(jù)分別存儲于原存儲器的奇偶地址內(nèi)，再分別示波，同樣可以以較高的精度作到雙蹤示波，并且使系統(tǒng)的性價比提高。開關切換電路如下圖： 輸入一路交流信號一路直流信號的仿真波形 雙蹤電路 17 兩路輸入交流信號的仿真波形 最小系統(tǒng)電路： 本系統(tǒng)以 核心。鍵盤由 20 個按鍵組成，對其掃描由 成。系統(tǒng)的顯示器用的是 是 字符型 有兩行十六列，每個字符位由 8 行 5 列組成，由于其分辨率不高，難以進行漢字顯示，因此我們采用全英文界面。此外該系統(tǒng)還帶有 32K 的 62256）和一片 82為端口擴展備用。系統(tǒng)的電源部分為 +5V， +12V 及 種供電方式。 . A/D 及 D/A 的選用 : 為了方便系統(tǒng)測量及控制我們又另外選用了一片 A/和D/A，分別是 測頻模 塊： 利用單片機的計數(shù)器對信號進行測量。因為觸發(fā)脈沖與輸 18 入信號頻率相同，所以只需對觸發(fā)脈沖進行測頻即可。當頻率低于 5，利用測周的方法，以被測信號的一個周期為閘門時間，以單片機的一個機器周期（ 1時間基準，對其計數(shù)即得周期，其最大誤差為： 其中， 被測信號周期， 定時器頻率。 當輸入信號在 5用測頻的方法，以被測信號為時間基準，定時 1S 為閘門時間，對時基計數(shù)，即得頻率，測得的最大誤差為 其中， 被測信號頻率， T 為閘門時間，這里定位一秒， 單片機計數(shù)器頻率。 字符顯示模塊： 在軸輸入水平掃描信號，在軸輸入場掃描信號，在軸輸入亮度信號即可在示波器上形成字符。其中，場掃描信號由內(nèi)部計數(shù)產(chǎn)生。軸的數(shù)據(jù)存在外部 。 10峰峰值測量功能： 用普通 輸入到高速采集電路的信號進行較長時間采樣，從中得到輸入信號的最大值和最小值，然后將它們的差值乘以前向通道的衰減倍數(shù)后，即可得到輸入信號的峰峰值。 19 11 能： 此功能實現(xiàn)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)水平靈敏度和垂直靈敏度，使波形更好的被顯示。首先，系統(tǒng)通過普通 取輸入信號電平作為觸發(fā)電平，使系統(tǒng)穩(wěn)定觸發(fā)。然后，調(diào)用測頻功能，測得輸入信號的頻率，由于我們將水平靈敏度分為20us/ms/0ms/檔，為保證示波器上至少顯示一個周期的信號，所以當被測信號頻率 f5用20us/；當 500hzf5用 ；當 50hzf500ms/；當 5hzf50用 20ms/；當 f5。接下來再調(diào)用測量 峰峰值的功能。由于我們將垂直靈敏度分為 1 v/以當輸入信號大于 ，系統(tǒng)自動選擇 1v/，當輸入信號大于 于 ，系統(tǒng)自動選擇 輸入信號小于 ，系統(tǒng)自動選擇 ，當輸入信號小于 ，系統(tǒng)自動選擇 三軟件部分： 系統(tǒng)軟件的流程如下： 由于液晶的使用，加上軟件的設計，使得系統(tǒng)提供了良好的人機 界面。軟件主要由多層滾動 式菜單組成，功能的設定都在菜單中完成，各個功能模塊相互獨立，具有很好的交互性。按鍵主要由數(shù)字鍵、確 20 定鍵、取消鍵、四個方向鍵以及四個功能鍵組成，并且按鍵具有重復 按鍵的功能，當按下某一鍵不放時，將重復響應此鍵，操作很方便。 四系統(tǒng)測試： 測試儀器： 開 始 系統(tǒng)初始化 鍵盤掃描 選擇通 道 1， 2 或雙蹤 以實時方式工作，并等待鍵盤指令 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)觸發(fā)電平 單 次 采 集 行或停止 測頻率 測峰峰值 適應 21 率函數(shù)信號發(fā)生器 擬示波器 (20M 帶寬 ) ?；旌闲褪静ㄆ鳎?100M 帶寬） 多功能計數(shù)器 路直流穩(wěn)壓電源 函數(shù)信號發(fā)生器 對本系統(tǒng)進行測量，各項功能及指標均滿足題目要求。完成的功能如下：對輸入信號可單次觸發(fā)，觸發(fā)后可以穩(wěn)定顯示并不隨輸入信號變化而變化，對信號的一次采樣最多可采樣 2048 個點；在連續(xù)觸發(fā)模式下可對輸入信號實時采樣并顯示，并且波形無明顯失真 ,輸入信號既可以是交流也可以是直