示波器设计

1数字存储示波器题目任务:设计一简易数字存储示波器1．总体框架图：2．题目要求指标(1)信号频率范围：10Hz~10MHz；要求输入电阻：Ri100kΩ；(2)垂直点数：32级/div；水平点数：20点/div；(3)垂直灵敏度：0.01V/div，0.1V/div，1V/div，误差≤5%；(4)水平扫瞄速度：0.2s/div，0.2ms/div，20μs/div，误差≤5%；(5)触发功能要求：单次触发、扩展、内触发、上升沿、电平可调；(6)显示波形无明显失真；(7)产生100kHz，0.3V的校准方波；报告主要内容:1．对赛题要求的分析2．具体实现方案讨论及器件参数计算3．模拟部分电路设计及数字控制部分软件编写4．安装调试及所遇到的问题5．测试结果分析6．总结1.对赛题要求的分析(1)工作流程：A/D采集、双口RAM存储、D/A显示。需要器件：A/D、单片机、D/A、FPGA等主要器件；(2)内触发上升沿、触发电平可调；扫描速度0.2s/div，0.2ms/div，20μs/div；垂直灵敏度0.1V/div，1V/div，0.01V/div移动扩展。要具有控制功能:1.控制器2.人机接口22.具体方案讨论2.1采样方式的选择实时采样和等效时间采样：实时采样即按照AD的采样速率对波形进行满足奈奎斯特采样速率的采样；等效采样是在周期信号频率过高，AD速率无法满足奈奎斯特采样速率时，间隔整数倍周期T＋最小采样间隔时间对信号进行采样。具体示意图见下：题中要求输入信号频率范围：10Hz~10MHz，样点直接恢复方式为至少20点/周期，A/D转换速率应小于1Ms/s。故对于高频信号（大于500KHz），应采用等效采样方式，低频信号采用实时采样方式。2.2控制器件的选择1．对控制器件的要求*AD采集速率：高达1000kHz(1μs)，低至20ms；（决定于扫描速度）*样点恢复速率：DA时钟为10MHz，绝对满足输出波形要求。*幅度档位调节：1V/div，0.1V/div，0.01V/div采用程控放大器实现。*水平档位调节：0.2s/div，0.2ms/div，20μs/div，由X轴（水平）扫描速率决定。2．三种方案(1)VLSI：例如FPGA。特点：可以实现较快的采样及处理速度，但仅用FPGA时程序烦琐，且实现良好的人机界面时难度较大。(2)MCU：可以实现基本功能，但处理速度速度不能达到采样速率的要求。(3)MCU+FPGA：MCU和FPGA可以适当分工，MCU控制人机接口以及与FPGA的通讯，FPGA实现具体器件的控制功能。综上：第三种方案实现最为容易，且器材获得方便，成本较低，故选择第三种方案。总体电路示意图：2.3技术指标初步分配（误差是定量指标）（1）信号通道3前向通道（采集、存储）≤2.5%后向通道（恢复）≤2%2.5%+2%=4.5%≤5%（2）时基（时间基线、扫描速度）控制信号（采样时钟）误差忽略不计扫描电压及输出电路≤2%3.部分电路设计及模拟将该简易DSO划分为3个部分：Y通道（前、后向通道）、X通道和控制器3.1前向通道*初步控制作用S1校零，S2校满度*内容：信号调理电路；低通滤波器；电平移位；前向通道通道性能分析；触发电路。（1）输入电路*要求:Ri’≥100kΩ，输入噪声电压影响；*输入电阻（阻抗）对被测系统的影响：Z越高，影响越小。*输入电路*取R≥100kΩ*运算放大器OP27初步核算：输入电阻：Ri’=R//Ri≈R≈100kΩ；输入端噪声电压：3.6nV，而最高灵敏度时的测量分辨力为：312μV，3.6nV《312μV（2）信号调理电路*作用：使信号符合A/D输入的要求4（预计A/D输入≤5V）*增益计算要求输入幅度（灵敏度×8div）：8V，0.8V，0.08V。显然垂直灵敏度和前端放大倍数成反比例关系，垂直灵敏度的调整可以通过改变前端程控放大器的倍数来实现，设计要求垂直灵敏度×8div最大为8V，故显示信号的幅度在－4～＋4V之间，而A/D（TLC5540）输入电压为0～5V。这可以通过电平变换电路用电压幅度在－5～＋5V的信号得到，故此时增益为1.25。同理其他增益为：12.5，125（由程控实现）。*电路图*有关解释程控开关Sn：必须是模拟开关，选择集成开关MAX4501；增益调节电阻Rnn，模拟开关的内阻计人其中；补偿电容C1，C2，C3：改善通道频响特性。（3）低通滤波器*作用：实时采样时（输入信号频率小于50KHz）抗混迭，滤除高频分量，以改善采样效果，避免输出波形失真。*采样信号的频谱混迭现象及改善方法：*抗混迭滤波器电路5*有关解释运算放大器构成有源低通滤波器；二阶Butterworth低通滤波器。（4）电平移位电路由于A/D要求+极性输入电压，而此前电路输出±极性电压，故必需此电路来进行电平转换，以适应AD转换的要求。（5）前向通道性能分析内容：频率特性的模拟；元器件参数的影响；环境温度的影响。前向通道频率特性的模拟：（用EWB对程控增益放大器和低通滤波器模拟分析）结果：-3dB带宽80kHz〉50kHz满足设计要求。6）触发电路*要求：内触发、正沿、触发电平可以调节；*电路说明：触发采用比较器，比较电平的极性为+、可以调节；输出为下降沿，向单片机申请中断。63.2信号的采样、量化、存储(DSO的基本技术）（1）垂直分辨率与A/D位数的关系：示波器垂直方向共8格，要求每格32级，共有32×8＝256级，，因而采用8位A/D即可，垂直分辨率为8位。（2）扫描速度与采样频率的关系1．对于实时采样：假设扫描速度为ts/div，每格点数为n，采样频率为fs，则：fs=n/t。当n=20时，针对不同的扫描速度，可以得到不同的采样频率（见附表）。在n一定的情况下，扫描速度的改变是通过改变采样频率来实现的，50KHz的正弦波在采样频率为1Mhz时，每周期可采样20个点，可以很好的恢复采样前的信号。2．对于等效采样：此时采样频率不需要满足奈奎斯特采样速率。故俩者之间无关。综上（1），（2）可得到A/D的技术要求：1．转换速率：20μs/div；1μs/点；1Ms/s2．量化位数：32级/div×8=256级/8div256=28取8bit量化误差：1LSB=1/280.4%3．输入幅度：+（0---5）V选择：TLC5540（3）存储容量与水平分辨率的关系：存储容量表明水平方向划分细微的程度，是水平分辨率的倒数。要求示波器显示屏水平刻度为10div，水平分辨率为20点/div。显示满屏幕需要200个点，故存储容量256byte足够，考虑波形扩展需要，使用1024byte，FPGA内部集成的双口RAM。3.3后向通道（1）设计要求：将数字信号(RAM中的数据)恢复为模拟信号并作为通用示波器的Y输入信号(8V)，A、B信号从同一个Y端输入。要考虑的问题：信号恢复电路及器件选择，同步扫描电压。（2）信号恢复显示频率和存储器读出频率的关系：显示屏上显示的信号是从存储器中读出的信号，只要使观察到的波形不闪烁即可。*采用器件：D/A*恢复速率：选择适宜人眼的观察速率10kHz，100μs/点200点×100μs/点=20ms这样可以免除的高速D/A的要求（是DSO的优点）；D/A选择THS5651。（3）同步扫描电压设计*同步作用：显示稳定的信号波形*同步扫描电压设计：两种产生扫描电压的方法：1．通用示波器扫描电压：要同步信号，与题目要求不符。2．简易DSO产生：选择由简易DSO产生，使用另一块DA。*扫描电压的产生：D/A选择THS5651，与信号恢复器件一致。D/A输入数据为10bit（000—1FF）H递增，实际为阶梯波而不是斜波。7关于扩展显示的信号恢复基本思想在两个页面中取连续的200点，扫描电压与前相同，因此，扩展显示是移动地在两个页面中显示一个页面，关键是控制方法软件编写。采用每次给存储器扫描地址＋2或更多的方法来实现。3.4控制器件的设计控制器的作用：控制、数据处理；控制器的组成：控制器自身、人机接口。（1）键盘采用矩阵扫描非编码键盘，由8个按键组成。对键盘的解释：1．按下的键状态为“0”；2．s/div和V/div为+1键；3．默认的仪器工作状态：0.2ms/div、0.1V/div；4．扩展移动键每按一次+2，16，32；5．单片机扫描键盘，有键按下时判断所按下的键并向顶底层控制器FPGA发送信号。6．仪器的复位键（RESET）不属于键盘管理。（2）控制器的硬件设计1．DSO的操作时序键盘输入——(相关设置)启动——等待触发——仪器操作（采集、存储、数据处理、信号恢复、显示）见图：（3）控制器件的选择MCU：AT89S52FPGA：CYCLONE_EP1C3T144C8(可以在线编程）（4）FPGA控制器电路图：（5）总体控制器电路*对控制电路的说明单片机部分：液晶显示器是其外设；与FPGA的连接是P0、P2口；键盘中断优线于触发中断；输出信号恢复和产生扫描电压的数据；FPGA部分：AD，DA是其外设；采样频率由内部PLL锁相环分频产生，对应于各个水平档位。DA的频率为固定的10kHz。84安装调试5测试结果5.1测试结果记录(测试项目要针对设计要求)1．扩展功能扩展档位一档二档三档四档实际扩展1倍2倍4倍8倍计算扩展1倍2倍3.9倍8.4倍误差（％）002.552．垂直灵敏度(1)频率10Hz的正弦波垂直档位0.01V/div0.1V/div1V/div实际电压/div0.012V0.122V1.050V误差(%)20225(2)频率1kHz的正弦波垂直档位0.01V/div0.1V/div1V/div实际电压/div0.015V0.113V1.100V误差(%)501310(3)频率100kHz的正弦波垂直档位0.01V/div0.1V/div1V/div实际电压/div0.02V0.117V1.080V误差(%)100178(4)频率1MHz的正弦波9垂直档位0.01V/div0.1V/div1V/div实际电压/div0.017V0.120V1.050V误差(%)702053．扫描速度(1)测量对象：幅度8V的正弦波，频率可调水平档位0.2s/div0.2ms/div20μs/div实际扫描速度0.2s/div0.21ms/div22μs/div误差(%)0510(1)测量对象：幅度0.8V的正弦波，频率可调水平档位0.2s/div0.2ms/div20μs/div实际扫描速度0.2s/div0.2ms/div25μs/div误差(%)0040(1)测量对象：幅度0.08V的正弦波，频率可调水平档位0.2s/div0.2ms/div20μs/div实际扫描速度0.16s/div0.18ms/div22μs/div误差(%)2010105.2测试结果总评价6小结（1）模拟电路部分设计较合理；（2）两层控制；（3）充分利用片内存储器；（4）充分利用新颖电子技术。7展望（1）采用程控电阻和模拟开关（2）扩展功能的再扩展，利用双扫描和CRT的Z通道（3）数字信号处理