简易数字示波器设计报告

I简易数字示波器设计报告学校：苏州大学学院：电子信息学院班级：电子与通信工程组员：王婷杨静芝范静第一章设计内容与要求1.1设计内容：设计并制作一台具有实时采样方式和等效采样方式的数字示波器，示意图如图1所示。图1数字示波器示意图1.2基本设计要求：（1）被测周期信号的频率范围为10Hz～10MHz，仪器输入阻抗为1M，显示屏的刻度为8div×10div，垂直分辨率为8bits，水平显示分辨率≥20点/div。（2）垂直灵敏度要求含1V/div、0.1V/div两档。电压测量误差≤5%。（3）实时采样速率≤1MSa/s，等效采样速率≥200MSa/s；扫描速度要求含20ms/div、2μs/div、100ns/div三档，波形周期测量误差≤5%。（4）仪器的触发电路采用内触发方式，要求上升沿触发，触发电平可调。（5）被测信号的显示波形应无明显失真。1.3扩展要求：（1）提高仪器垂直灵敏度，要求增加2mV/div档，其电压测量误差≤5%，输入短路时的输出噪声峰-峰值小于2mV。（2）增加单次触发功能，即按动一次“单次触发”键，仪器能对满足触发条件的信号进行一次采集与存储（被测信号的频率范围限定为10Hz～50kHz）。第二章系统的总体设计2.1总体框图：2.2硬件系统设计：2.2.1输入信号调理电路：图2输入信号调理电路该电路中涉及到的芯片有：（1）AD603：在很多信号采集系统中，信号变化的幅度都比较大，那么放大以后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化相应调整放大器的增益。在自动化程度要求较高的系统中，希望能够在程序中用软件控制放大器的增益，或者放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。AD603正是这样一种具有程控增益调整功能的芯片。它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆率为275V/μs。管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-11～+30dB时的带宽为90Mhz，增益在+9～+41dB时具有9MHz带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统。（2）TL431：德州仪器公司（TI）生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。TL431是一种并联稳压集成电路。因其性能好、价格低，因此广泛应用在各种电源电路中，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。2.2.2AD采样电路：图3AD采样电路该电路中涉及到的芯片有：（1）AD9280：AT9280是单芯片、单电源、8bit、32MSPS模数转换器；内部集成了采样保持放大器和电源基准源。AT9280使用多级差分流水线架构保证了32MSPS数据转换数率下全温度范围内无失码。2.2.3时钟与高速存储电路图4AD采样电路该电路中涉及到的芯片有：（1）DS1085:DS1085是双输出频率合成器，无需外部定时元件。它可以作为独立振荡器，或作为一个由处理器控制的、可动态编程的外设部件来使用。内部主振荡器可以在66MHz至133MHz的范围内进行编程，有三个分辨率选择，分别为10kHz、25kHz与50kHz。一个可编程的3位预定标器(1、2、4或8分频)从主振荡器生成一个基准振荡器输出(OUT0)，范围是8.2MHz至133MHz。另一个独立的预定标器和一个1至1025分频器产生主输出(OUT1)，范围是8.1kHz至133MHz。两路输出尽管都与主振荡器同步，但可独立编程。可编程主振荡器、预标定器以及分频器组合起来可以生成数千个用户规定的频率。主振荡器、预标定器以及分频器的设置都保存在NV(EEPROM)存储器中，在上电时提供默认值，因此可以将其作为独立振荡器使用。通过2线串行接口可以对主振荡器、预标定器(P0与P1)、分频器(N)进行在线动态编程。如果需要，可以进行动态频率调节，或者，对于固定频率应用，DS1085可以采用工厂或用户编程的固定数值。（2）SN74F574DW:这8位触发器功能3态输出专为驱动高容性或相对低阻抗负载。它特别适合于实施缓冲寄存器，I/O端口，双向总线驱动程序和工作寄存器。八触发器的SN74F574的是边沿触发的D型触发器。在时钟（CLK）输入的正跳变时，Q输出将被设置为分别设置在数据（D）输入的逻辑电平。一个缓冲输出使能（OE）输入可用于放置八个输出在任何一个正常的逻辑状态（高或低逻辑电平）或高阻抗状态。在高阻抗状态，输出负载也没有显著驱动总线线。高阻抗状态，增加驱动器提供驱动总线线无接口或拉组件的能力。输出使能（OE）不影响触发器的内部操作。旧数据可以保留或新的数据可以输入而输出是在高阻抗状态。（3）IDT7204:能够实现高速存储功能2.2.4DA电路图5DA电路该电路中涉及到的芯片有：（1）AD5320：（2）MC74VHC4051D2.2.4电源电路图6电源电路该电路中涉及到的芯片有：（1）A0512S：输入5V双输出±12V模块（2）7805：7805三端稳压集成电路，电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。2.3数字示波器的性能参数设计：数字存储示波器的指标很多，包括采样率、带宽、灵敏度、通道数、存储容量、扫描时间和最大输入电压等。其中关键的技术指标主要有采样率、垂直灵敏度(分辨率)、水平扫描速度(分辨率)。这几项指标直接与所选A／D、FIFO和高速运放器件的性能，以及电路设计有关。下面根据所选器件的性能参数，合理地分析和确定示波器的采样率和分辨率。2.3.1.y通道参数计算(1)输入阻抗对于低速数据采集，由于信号反射对信号的传输过程影响微乎其微，所以低速数据采集系统良好的高阻抗性能，对提高系统的测量精确度有很大的意义。本设计中采用电压跟随器实现阻抗变换，数据采集阻抗变换电路的设计方案如图4所示，其输入阻抗为1MΩ。245312VCCGNDR1R2R3R4CViVo图4输入阻抗电路图(2)灵敏度垂直灵敏度有两档指标要求：1V/div、0.1V/div，为此，我们必须在前端设计一个有两种增益的放大电路。A/D转换器的基准电压为2V，D/A转换器的基准电压为2.5V，此外，该DAC的输出还具有两倍的增益，因此，其满幅输出为5V。示波器显示屏垂直方向有8格，对应为5V，即0.625/div，而信号经过D/A和A/D后又被放大了2.5倍，由此计算三档垂直灵敏度对应的放大倍数如表2.1所示。表1垂直灵敏度与放大倍数的关系垂直灵敏度1V/div0.1V/div放大倍数0.252.52.3.2扫描速度本系统显示屏的水平刻度为10格，水平显示分辨率n为20点/div，则水平共显示20点/div×10div=200个点。假设扫描速度为s，采样频率为fs，则fs=n/s，由此得到设计要求的两档扫描速度所对应的采样频率如表2.2所示。表2扫描速度与采样频率的关系扫描速度s20ms/div2μs/div采样频率sf1Khz10Mhz当扫描速度在20ms/div和2μs/div档时采用实时采样方式进行采样。由表2可见，当扫描速度为2μs/div时，采样频率fs超过了题目规定的最高实时采样速率1MSa/s的要求。为解决这个问题，我们仍采用1MHz的采样频率，而在最后显示被测波形时将读RAM的速率变为锯齿波扫描速率的10倍，这就相当于将采样频率扩大了10倍，而实际的采样速率并没有超过题目的规定。这样便满足了实时采样速率≤1MSa/s和等效采样速率≥200MSa/s的要求。2.4STM32简介：(1)STM32F10:STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。STM32型号的说明：以STM32F103RBT6这个型号的芯片为例，该型号的组成为7个部分，其命名规则如下：（1）STM32：STM32代表ARMCortex-M3内核的32位微控制器。（2）F：F代表芯片子系列。（3）103：103代表增强型系列。（4）R：R这一项代表引脚数，其中T代表36脚，C代表48脚，R代表64脚，V代表100脚，Z代表144脚。（5）B：B这一项代表内嵌Flash容量，其中6代表32K字节Flash，8代表64K字节Flash，B代表128K字节Flash，C代表256K字节Flash，D代表384K字节Flash，E代表512K字节Flash。（6）T：T这一项代表封装，其中H代表BGA封装，T代表LQFP封装，U代表VFQFPN封装。（7）6：6这一项代表工作温度范围，其中6代表-40——85℃，7代表-40——105℃。103性能（1）特点内核：ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。存储器：片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器。时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。POR、PDR和可编程的电压探测器（PVD）。4-16MHz的晶振。内嵌出厂前调校的8MHzRC振荡电路。内部40kHz的RC振荡电路。用于CPU时钟的PLL。带校准用于RTC的32kHz的晶振。低功耗：3种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。为RTC和备份寄存器供电的VBAT。调试模式：串行调试（SWD）和JTAG接口。DMA：12通道DMA控制器。支持的外设：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。2个12位的us级的A/D转换器（16通道）：A/D测量范围：0-3.6V。双采样和保持能力。片上集成一个温度传感器。2通道12位D/A转换器：STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE独有。最多高达112个的快速I/O端口：根据型号的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。除了模拟输入，所有的都可以接受5V以内的输入。最多多达11个定时器：4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。2个16位的6通道高级控制定时器：最多6个通道可用于PWM输出。2个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）。Systick定时器：24位倒计数器。2个16位基本定时器用于驱动DAC。最多多达13个通信接口：2个IIC接口（SMBus/PMBus）。5个USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制）。3个SPI接口（