数字存储示波器数据采集与控制电路设计研究

电子科技大学硕士学位论文数字存储示波器数据采集与控制电路设计研究姓名：王浩申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器指导教师：王子斌20090501摘要摘要当代示波器技术发展日新月异。伴随数字技术的发展，数字存储示波器(Dig蹦StorageOscilloscope)展现了更强大的功能：智能捕获、参数分析、时频变换、超大规模数据波形存储等功能。目前，国外在数字存储示波器领域的技术已经非常成熟，并且占领了绝大部分的市场份额。而国内具有自主知识产权的数字示波器还非常少，高昂的价格阻碍了数字存储示波器在生产实验中的广泛应用。本文结合“2GSas宽带数字存储示波器”项目的开发，在研究剖析数字存储示波器工作原理的基础上，围绕其数字系统的设计与实现展开研究。为国内高速高分辨率的数据采集系统的研制提供了一个参考方案。主要内容包括：l、通过对目标系统主要技术指标的分析，基于ADC+高速时钟电路+FPGA十DSP+片外SRAM的智能仪器结构，采用实时采样和随机采样两种采样技术，实现了2GSas最高实时采样率，1GHz模拟带宽，存储深度8MBCH的示波器。以上系统结构模式的最大特点是结构灵活，有较强的通用性，适用于模块化设计，且开发周期较短，易于系统的维护和扩展。2、对宽带数据采集系统设计中涉及的关键技术展开研究，针对数字存储示波器的应用特性，设计并实现了采集控制电路、触发电路、存储电路、内插控制电路、时基电路、计算系统接口电路以及其他示波器功能电路。3、配合示波器监控软件，完成了对数字存储示波器数字系统硬件电路的调试。关键字：数字存储示波器，数据采集系统，实时采样，FPGAABSTRACTABSTRACTNowadays，theoscilloscopetechnologyisprogressingrapidlyWiththedevelopmentofthedi百taltechnology,thedigitalstorageoscilloscope(DSO)hasbeenprovidedwithmorepowerfulfunctions，suchasintelligentwavecapturing,parameteranalysising，thetimefrequencytransforming，verylargescalewavedatastoringandSOonAtpresent,thetechnologyofdigitalstorageoscilloscopeismoreadvanc砸overseasandoccupiesthegreatmajorityofmarketHowever,domesticDSOproductswhichhaveourownindependentpropertyrightaretoofew,andhi曲pricepreventstheirwidlyusageAccordingtoproject“2GSasBroadbandDigitalStorageOscilloscope”，thisdissertationfocusesonthedesignofdigitalsystenabasing013thedesignprinciplesofdigitalstorageoscilloscope，anditsresultswillbevaluabletothefollowingresearchOnDSoMaincontents：1ThisdissertationadvancedthestructureofADC+hi出speeddockcircuit+DSP+FPGA+SRAManddesignedadataacquisitionsystembasingOnthetechnologiesofrealtimesamplingandrandomsampling111eimprovedsystemachieved2GSasreal-timesamplingrate1GHzanologbandwidthand8MBstoragedepthperchannelMeanwhile也eflexiblestructureandgeneralusageofthissystemenabledesignerstodevelopproductswithinshortertimeandensurethesystemCanbeexpandedeasily2Thisdissertationfocusesonthekeytechologyofbroadbanddigitalstorageoscilloscope，anddesigneddataacquirecontrollogic，trigger109ic，storagelogic，interpolationcontrollogic，timebasiscontrollogic，DSPinterfacelogicandsomeotherfunctionallogicsofDSO3CompleteDSOdigitalsystemdebuggingusingsoftware011DSPKeywords：digitalstorageoscilloscope，dataacquisitionsystem，real-timesampling,FPGA独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：立之皇El期：沙c)年厂月；lEl|关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：羔i皇导师签名：El期：歹一第一章绪论11数字存储示波器概述第一章绪论随着科学技术突飞猛进的发展，世界已经进入新的的技术革命时代，作为技术革命先导的电子测量技术已经渗透到国名经济的各个领域中。已经成为电子工业的基础和先行，是国家科技水平和综合国力的重要体现，电子测量仪器制造水平反映出国家的文明程度，标志着一个国家科学技术的先进水平。示波器作为当前电子测量领域最典型的仪器，也是当前电子测量领域品种最多、数量最大、最常用的一类仪器。随着信息技术尤其是电子测量技术的不断发展，人们对示波器提出了更多新的要求，同时随着数字电路、虚拟仪器技术、软件技术、信号变换、微处理技术和的发展，从而促使示波器向超小型，低功耗，数字化，网络信息化，智能化方向发展【l】。数字存储示波器(DSO)是20世纪70年代初发展起来的一种新型示波器，与传统模拟示波器不同，数字存储示波器不是一种模拟信号的存储，也不是将波形存储在示波器管内的存储栅网上，而是将捕捉到得波形通过AD转换进行数字化，而后存入示波管外的数字存储中。它可以方便实现对模拟信号的量化，并且可以利用微处理系统(DSP、ARM等)对存储的信号作一步的处理，从而获得所需的各种信号参数，比如对被测信号的频率、幅值、前后沿时间、平均值等参数的自动测量以及多种复杂的处理。数字存储示波器的出现使传统示波器的功能发生了重大变革。与传统的模拟示波器相比，数字存储示波器具有许多优点【2】，主要表现在：能长时间地保存信号。具有多种存储方式，能够长期存储波形。测量准确度高。很强的数据处理能力，具有加，减，乘，除，微分，积分，对数，指数，FFT等多种运算功能。丰富的外部数据通信接口。电子科技大学硕士学位论文12国内外数字存储示波器发展状况国外的数字存储示波器制造技术比较成熟，尤其是以美国的安捷伦公司和泰克公司为代表，在高档数字示波器市场上完全占据了主导地位，两家制造商的产品，基本上反映了国际上示波器技术的发展历程，现状和趋势。我国对数字存储示波器的研制始于20世纪80年代初，限于当时的条件，其采样速率值仅500KSas。在90年代国外数字存储示示波器迅猛发展的背景下，我国的一些研究所、院校开始投入更多的经费致力于数字存储示波器的研发。国内在测量仪器领域中走在技术前列的江苏绿杨集团和北京普源精电科技有限公司，都有带宽200MHz，2通道，实时采样率达到1GSas以上的数字存储示波器问世。但是由于器件和工艺的限制，但在技术等级上和国外相比仍有很大差距，采样率不高，实时带宽不够情况致使在很多测试领域中应用受限。现列举国内外一些主要的示波器厂商的代表产品如表11所示：表1-1国内外典型示波器产品主要性能比较厂商泰克安捷伦普源精电产品型号DSA7000BDS090000ADSl000CA通道数442实时采样率50GSas4CH40GSas4CH2GSas(单通道)等效采样率50GSas模拟带宽16G13G300M存储深度250M1G10K垂直分辨率8bit8bit8bit波形捕获率300，000wfmss400，000wfmss2，000wfmss选配接口GPIB，USB，RS-232，GPIB，USB，RS-232，GPIB，USB，RS一232PS2，LAN等PS2。LAN等触发具有丰富的硬件和软具有丰富的硬件和软边沿，脉宽，视频，件触发模式件触发模式斜率等其他特性特有的5GbS的硬体三级序列触发，业界串列信号触发器，为领先的22MSas的传开发和测试多路输速率，几乎支持所PCI、SATA等高速串有的通用总线标准，行数据提供了理想的以及强大的波形捕获解决方案及波形鉴别能力2第一章绪论13本论文的研究内容及要求近年来，高速通用器件发展迅速，AD、FPGA、DSP等芯片在速度和集成度上都有大幅度的提高。直至2005年，Maxim、NS、和Atmel三家在技术上得到突破，相继推出了取样率1GSas、15GSas、2GSas和分辨率8位、10位的ADC，其价格和器件功耗也大大降低。针对目前国内示波器带宽低、实时采样率不高的情况，提出了“2GSas宽带数字存储示波器研制课题。本论文“数字存储示波器数据采集与控制电路设计研究”，正是来源于上述研究课题。“2GSas宽带数字存储示波器”研制课题的数据采集系统拟达到的主要技术指标如下：双通道同时工作，每通道最高实时采样率达到2GSaS。垂直分辨率：8bit。存储深度：8MBCH。本人在承担的主要工作如下：1、数字存储示波器数据采集与控制电路的设计与调试；高速数据流存储电路的设计与调试；触发系统的设计与调试；控制系统与数字系统通信体系的设计与调试；内插控制模块、峰值检测模块等其他示波器功能模块的设计与调试。2、配合控制系统完成了示波器数字系统整机的调试。3、数字频率计等其他示波器功能相关模块的设计与优化。3电子科技大学硕士学位论文第二章数据采集系统总体方案设计本章通过对2GSss宽带数字存储示波器项目的技术指标进行分析，在结合数字存储示波器的基本原理的基础上，提出了“2GSas宽带数字存储示波器”研制课题的数据采集系统的总体设计方案。21目标系统主要技术指标分析本课题所研究的内容主要着眼于数字存储示波器的一些关键主要技术指标，包括：实时采样率、存储深度、触发类型、带宽、分辨率等，这些数字存储示波器的关键技术指标是相互制约，相互影响的，下面进行具体分析。211实时采样率和并行采样技术实时采样的特点是，采样个波形所需要的采样时钟脉冲序列的持续时间等于被采样信号实际经历的时间，即波形重建时，相邻两个波形点之间的时间间隔等于采样时钟周期。在这种采样方式下，采样点与采样时刻是一一对应的。实时采样率主要取决于AD变换器的转换速率，用每秒的取样点数来表示SaS(sampleseeond)来表示。本论文所设计的数据采集系统的最高实时采样率为2GSaS。显然