数字示波器 潘一腾.doc

数字示波器潘一腾 宋建华 刘强祖摘要：本作品以单片机和FPGA为控制核心，实现了基于等效采样技术的数字示波器具有实时采样和等效采样方式，其实时采样速率不大于1MSa/s，并采用顺序等效采样的方式使等效采样速率达到200MSa/s系统输入频率范围为10Hz～10MHz，输入幅值范围为2mV～8V，周期测量精度优于0.01%，幅值测量精度优于5%采用内触发方式，触发电平可调具有单次触发，波形存储，自动档，校准信号输出等功能关键词：数字示波器 等效采样一、 方案论证与选择1. 采样方式选择方案一：实时采样实时采样是在信号存在周期对其采样为了不失真的恢复原被测信号，通常一个周期需要8个点以上方案二：等效采样使用等效采样的前提是被测信号是周期信号为了重建原信号，在每个周期等效的、等间隔的抽取少量的样本，最后将多个周期抽取的样本集合到同一个周期内，这样就可以等效成在一个被测信号周期内的采样效果 实时采样适合任何波形，但测量高频信号时，需要很高的采样率；等效采样适合周期信号，可以用较低的采样率还原较高频率的信号根据题意，我们选择实时采样和等效采样相结合2. 触发方案选择 为了在示波器上显示稳定的波形，必须利用触发使扫描信号与被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。

题目要求采用内触发方式，即以输入的被测信号作为触发源，且采用上升沿触发方案一：采用比较器实现当信号大于所设比较触发电平时，产生一次触发方案二：通过数字电路实现在FPGA中通过软件将触发电平写入一个寄存器中，通过显示寄存器中的值与其相比较，当满足上升沿触发时，刷新显示一次方案一精度高，但被测信号频率范围10Hz～10MHz，范围大，比较器的边沿容易产生抖动，导致触发不稳方案二触发和波形稳定，且触发电平容易调整故采用方案二3. 频率测量方案选择方案一：测周法即以待测信号为门限，用计数器记录在此门限内的高频标准时钟脉冲数，从而确定待测信号的频率方案二：等精度测频法在闸门内同时对被测信号和高频标频信号计数，闸门开启由人为设定的预置门和被测信号上升沿决定根据计数确定被测频率测周法在被测信号较高时，测量精度下降；等精度测频法精度在整个测量频段相等故我们选择方案二，在全频段获得较高的精度4. 信号调理方案选择方案一：一路调理即所有的信号都通过同一信号调理电路，结合可变增益放大器，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：多路调理即将不同频率范围或不同幅度范围的信号经过不同的电路进行调理。

选择不同的信号通路，即选择了不同的档位方案一电路简洁，但信号频率和幅度跨度很大，硬件电路制作有一定难度；方案二对不同频率或不同幅度分别处理，降低每一路电路制作难度，但是电路规模大，各路之间的影响难以消除故我们选择方案二，使用可变增益放大器THS7001和AD603，并在前面加一级射级跟随器，提高系统输入阻抗5. 系统总体框图图1 系统实现框图系统以单片机AT89C55和FPGA为控制核心被测10Hz～10MHz 信号经由射级跟随器构成的阻抗匹配电路输入系统，程控放大扩展垂直灵敏度，整形电路将信号变换为方波，对其进行测频，以及用于采样控制的触发放大后的信号同时进入加法器，调理至适合采样保持电路电压范围用MAX118对信号进行采集，MAX118是一款1MSPS采样率8位A/D转换器，其采样由FPGA控制采样的点存于双口RAM中，有显示控制模块读取，送双D/A转换器，在模拟示波器上显示波形二、 理论分析与计算1. 等效采样分析等效采样是一种用较低采样率采样高频周期信号的方法在一个周期仅采样一个点，利用步进延时方法使获得的点均匀的分布于信号波形中这样经过若干周期后，就可以对信号的各个部分采样一遍，等效的得到了被测信号波形。

设输入信号f(t)的周期为T（频率为f），若将f(t)，的一个周期T以t等分，则在采样时钟周期为Tc，且Tc=mT+∆t（m为正整数时)，在经过k个时钟周期后，且k=T/∆t，则fkTc=fkmT+∆t=fT∆tmT+∆t=f(T(mk+1))即实现了对信号一个周期k个点的等效采样，等效采样频率为kf，实时采样时钟为1mT+∆t，调整m的值可使采样时钟频率小于1MHz假设对10MHz信号一个周期采样20个点，就可实现题目要求的200MSa/s的等效采样率，分析可得∆t≤5ns在实现等效采样时采用顺序等效采样，用具有时序的宽度极窄的采样脉冲在被测信号各周期不同相位进行采样，采样脉冲相对信号起点来讲依次延时0、t、2t、3t、…、nt时间，如此把被测高频信号变为相似的低频信号重现以被测信号被整形后的脉冲信号作为触发事件，每到来一个新的触发事件就采集一个采样点并对延时时间累加波形记录中有多少个存储位置需要多少个触发事件2. 垂直灵敏度题目要求垂直分辨率为8bits，数字示波器的垂直分辨率是以A/D转换器的比特数来确定的，因此采用8位1MSPS采样速率的A/D转换器MAX114 题目要求垂直灵敏度含1V/div、0.1 V/div以及2 mV/div档，显示屏的刻度为8div10div。

我们对垂直灵敏度进行了扩展，每档放大倍数如表垂直灵敏度2510501005001000放大倍数312.512562.512.56.251.250.6253. 扫描速度扫描速度表征示波器能够展宽被测信号波形的能力扫描速度定义为：单位实际闪光点在屏幕水平方向移动的距离扫描速度与该通道采样速率有下式所列关系f=每格的取样数（N）/扫描速度(t/div)本设计中扫描速度分为7档，包含题目的3档，扫描速度与采样速率如表扫描速度100ns400ns2μs40μs400μs20ms100ms采样率200MHz50MHz10MHz500kHz50kHz1kHz200Hz三、 主要功能电路的设计1. 信号调理电路题目要求输入阻抗1MΩ，第一级采用THS4011结成射级跟随器，THS4011输入阻抗2MΩ，并一个2MΩ电阻，可实现输入阻抗1MΩTHS7001增益调整范围-22dB～20dB，调整步进6dB，摆率175V/μsAD603增益调整范围0dB～40dB，增益由电压控制，10MHz无明显失真输出正弦波峰峰值2V采用THS7001与AD603级联，实现增益调整范围-22dB～60dB ，增益连续可调，10MHz最大无明显失真输出正弦波峰峰值2V，再加一级3倍放大，最大输出6V，通过AD603可将信号调理到A/D采样范围。

电路如图2图2 程控放大电路2. 测频整形电路采用MAXIM公司的高速比较器MAX913制作，接成滞回比较电路，提高了抗干扰能力为了提高输入MAX913的信噪比，在前面加一级50倍放大，采用高摆率电压型运放OPA699制作图3 测频整形电路3. 采样保持电路采样保持电路如图4所示，前级和后级OPA690均构成电压跟随器，TS12A4515为单通道模拟开关，采样时，模拟开关闭合，U1=U2=U3，同时很快对C1充电，运放和模拟开关的阻抗很小，而且前级射随可提供较大的电流，故充电很快完成采样结束时，模拟开关断开，C1的电压保持，可进行采样4. 采样电路MAX114为8位1MSPS采样速率A/D转换器，MODE脚接高电平采用流水线模式，其信号输入范围为0V～5V ，用加法器将信号调理到此范围电路见附录四、 系统软件的设计1. 系统软件流程图如图5所示2. 波形存储调出 当按下存储键时，关闭波形显示RAM写使能，在FPGA中将当前波形显示RAM中的数据转存到波形存储RAM中，然后再打开写使能正常显示，当按下调出时，将波形存储RAM中的波形数据调出显示即可3. 单次触发当按下单次触发键时，搜索采样点是否满足触发条件，当条件满足时，数据写入RAM一次，并将RAM中数据读出显示。

五、 测试数据与分析1. 使用仪器及型号泰克TDS1002双踪示波器；E51/S伟福仿真；Agilent 33120A 信号源2. 测试方案及数据结果图5 系统软件流程图将系统行列扫描输出端分别与模拟示波器的X轴与Y轴输入端相连，将被测信号连接至系统输入端，打开电源，开始测试表1 1V/div挡垂直灵敏度（1） 扫描速度和垂直灵敏度测试频率10Hz1kHz10kHz100kHz1MHz10MHzV实测444444误差000000周期0.1001s1.001ms0.1001ms10.0μs1.00μs0.10μs误差（%）表2 0.1V/div挡垂直灵敏度0.10.10.1000频率10Hz1kHz10kHz100kHz1MHz10MHzV实测444444误差000000周期0.1001s1.001ms0.1001ms10.0μs1.00μs0.10μs误差（%）表2 0.1V/div挡垂直灵敏度0.10.10.1000频率10Hz1kHz10kHz100kHz1MHz10MHzV实测444444误差000000周期0.1001s1.001ms0.1001ms10.0μs1.00μs0.10μs误差（%）表2 0.1V/div挡垂直灵敏度0.10.10.1000 由表看出，电压测量误差≤5%，波形周期测量误差≤5%，系统模拟带宽大于10MHz。

2） 单次触发功能实现 按下单次触发键后，开始采样，进行一次，实现单次触发功能3） 存储/调出功能测试 按下存储键，在若干采样后，按下调出键仍然出现存储的波形4） 方波校准信号能够提供100kHz的方波校准信号，采用示波器测试幅度为0.305V，频率为100kHz、幅度误差1.7%及频率误差0%的方波5） 2mV/div挡输入短路时系统输出噪声测试经测试噪声小于2mV，符合题目要求3. 测试结果分析系统电压测量误差主要来自前级信号调理电路，被测信号频带宽，动态范围大，对前级放大器要求很高，主要是由于宽带运放在通带内幅频特性不平坦，以及运放间耦合匹配及串扰2mV挡信号小，极易受系统上其他信号的干扰，导致放大后的信号信噪比不高，使得电压测量误差及频率测量误差偏大系统具有七挡垂直灵敏度，七挡扫描速度，电压测量误差不大于5%，周期测量误差不大于0.01%具有触发电平可调、存储和调出波形、方波校准信号等功能，满足了题目基本要求部分和发挥要求部分的要求附 录一、参考文献：【1】 全国大学生电子设计竞赛组委会（编）.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2007）. 北京:北京理工大学出版社,2007【2】 高吉祥（主编）.模拟电子线路设计（全国大学生电子设计竞赛培训系列教程）. 北京：电子工业出版社，2007.5【3】 李朝青（编著）.单片机原理及接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，1998.11【4】 夏宇闻（编著）.数。