第8章数字示波器2.ppt

8.3 数字存储示波器的设计 8.3.1 简易数字存储示波器的设计 （本例选自2007年全国大学生电子设计竞赛试题-C题） 一、任务：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，结构图如下： 二、设计要求 1．基本要求 （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8 div×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、100 ns/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。 2．发挥部分 （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）增加存储/调出功能，即按动一次“存储”键，仪器即可存储当前波形，并能在需要时调出存储的波形予以显示。 （3）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）。 （4）能提供频率为100kHz的方波校准信号，要求幅度值为0.3V±5%（负载电阻≥1 M?时），频率误差≤5%。 （5）其他。 三、设计说明 1．A/D转换器最高采样速率限定为1MSa/s，并要求设计独立的取样保持电路。为了方便检测，要求在A/D转换器和取样保持电路之间设置测试端子TP。 2．显示部分可采用通用示波器，也可采用液晶显示器。 3．等效采样的概念可参考蒋焕文等编著的《电子测量》一书中取样示波器的内容，或陈尚松等编著的《电子测量与仪器》等相关资料。 4．设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果可用附件给出。 8.3.2 简易数字存储示波器的设计方案 一、整体方案设计论证与选取 本设计题目的特点： 一是采样频率高 (等效采样频率≥200MHz，实时采样频率≤1MHz)．一般单片机难以胜任控制数据读写等工作； 二是控制信号多，控制逻辑复杂。 三是被测信号频率范围大（ 10Hz～10MHz ） 四是设计时间短（4天） 方案一 采用单片机+可编程逻辑器件+A/D+RAM+LCD 方案二 采用 单片机+A/D+RAM+LCD 二、理论分析与计算 1 取样原理 ①实时采样：采样点都是按照一个固定的次序来采集的。这个波形采样的次序和采样点在示波器屏幕上出现的次序是相同的。只要一个触发事件就可以启动全部的采集动作。实时采样如图3所示。（本设计中采样频率≤1KHz 时） ②等效取样 在观测周期信号时，数字示波器可从若干连续的信号周期中采集数据，用采集到的多组采样点来恢复波形 。这种方法是每一次触发后，较上一次采样延时一个很小的时间△t并启动一次采样得到一个采样值，这个值对应信号一个周期内的某一点的幅度值，进行多次采样，在每次信号触发之后，利用相位延时不断累计变化的采集时钟进行采集，然后将多次采集数据按一定时序关系重新排列，得到等效采样的效果。 （本设计中采样频率≥1KHz 时必须采用等效采样） 2 扫描速度和采样频率的关系 假设扫描速度为 t（ s／div），每格点数为 n．采样频率为fs．则：1/fs=t／n，当 n=20时，针对不同的扫描速度．可得到不同的采样频率(见表) 对于扫描速度为20 ms／div时对应的fs=1KHz可用实时采样。当扫描速度小于等于2us／div时对应的fs≥10M故需用等效采样。 3 垂直灵敏度与前端放大倍数的关系 根据垂直灵敏度要求1V/div、0.1V/div 、2mV/div三档。需要设计一个增益为1x、10x、500x的程控增益放大器。示波器垂直方向共8个，若要求垂直灵敏度最大为 1V／div，故显示信号的幅度在-4V ～+4V之间。我们选用的A／D 输入电压为0～2V，这可以通过电平变换用电压幅值在-2v ～+2v之间的信号得到。为了使输入信号幅度也在 -4v～+4V之间，x应为0.5，即程控增益放大器的三挡增益分别为0.5、5、250。 当输入信号|Vmax|≤8mV时，放大增益为250； 当输入信号8mV≤|Vmax|≤0.4V时，放大增益为5； 当输入信号0.4V≤|Vmax|≤4V时，放大增益为0.5。 8.3.3 硬件电路设计 一、硬件系