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简易数字存储示波器 组员：冷春林、范林刚、李金金 指导老师：黄根春 摘要：本系统基于示波器原理，以单片机为控制核心，结合FPGA的数据处理能力，辅以必要外围电路，实现了对被测周期信号和单次非周期信号的双踪显示。系统采用高速A/D对被测信号进行采集，并采用内触发方式，既有普通示波器实时采样和实时显示的功能，能够实现波形的单次和多次触发存储和实时连续显示，又具有锁存功能，能通过操作“移动”键显示被存储波形的任一部分。本系统不仅完成了题目中基本部分和发挥部分的要求，而且增加了AUTO SET功能和垂直移动的功能，并且能够在点阵液晶上显示当前波形的频率、峰峰值和有效值，还增加了光标的显示，能在液晶上显示两光标的时间差，从而可读出双踪波形的相位差，更符合实际示波器的功能要求。整个系统操作简便，界面友好，达到了较好的性能指标。 关键字：示波器、触发、高速A/D、单片机 一、 题目分析 2 二、 方案论证与选择 2 1.控制系统方案比较与选择 2 2.采样方式 2 3. 触发方式 3 4. 数据存储 4 5.双踪显示 4 6.水平和垂直位置的调节 5 6.1.水平移动的调节 5 6.2.垂直移动的调节 6 三、 系统设计 6 四、 理论分析与芯片的选择 7 1.ADC芯片的选取 7 2.存储器的选择 8 3.垂直灵敏度和前端放大倍数的实现 8 4.波形数据的处理 8 五、 主要模块电路设计 9 1.程控放大电路 9 2.数据采集电路 9 3.触发信号产生电路 10 六、 软件设计 11 七、 系统测试与数据分析 12 1．系统仪器 12 2. 测试数据及结果分析 12 八、 结论 12 题目分析 题目的要求是将待测信号进行数字存储，并通过普通示波器将被测信号显示出来。由于待测信号为模拟信号，存储过程为数字方式，故应该将模拟信号进行量化处理，然后存储到存储器中。当需要显示的时候，从存储器读出数据并恢复为模拟信号，并送往普通示波器Y输入端，在X输入端加入相应的扫描信号，采用X－Y方式观察信号的波形。因此，设计的重点是模拟信号的处理与采样、数字信号的存储、普通示波器的显示控制和系统的控制四个方面。 方案论证与选择 1.控制系统方案比较与选择 方案一：纯单片机方式。即由单片机、、、、、、、、、、、、 等效时间采样虽然可以对很高频率的信号进行采样，可是步进延迟的采样技术与电路较为复杂。再者，它只限于处理周期信号，而且对单次触发采样无能为力。实时采样可以实现整个频段的全速采样，因此本设计采用方案二。 3. 触发方式 按照题目要求，本系统采用内触发方式，即触发信号为被测信号。 方案一：采用数字触发方式。对波形信号进行采集，将采集到的波形数据和触发电平（可由键盘设置）进行比较，找到波形在上升过程中大于或等于该触发电平的点，即得到触发，此时开始对波形进行存储。因为本来就需要对波形信号进行采集，使用这种方法无需要增加额外的硬件电路，实现方便。但是，对波形每个周期只采集有限个点，不可能每次都能采集到等于触发电平的点（这时不得不以大于该电平的值为触发电平），从而使触发位置不稳定，连续触发时输出波形会有抖动现象。 方案二：采用模拟触发方式。通过比较器LM311将被测波形信号和触发电平进行比较，大于触发电平时输出为高电平，小于触发电平时则输出低电平，即可得到信号被整形后的脉冲序列，再在该脉冲序列的上升沿开始存储波形即实现了触发存储的功能。将LM311的反向输入端接上电位器分压即可实现触发电平可调的功能。这种方法可实现触发电平连续可调的功能，但LM311对低频信号的比较效果很差，输出波形会有较大的振荡，会产生错误的上升沿，从而导致错误的触发。 方案三：改进型的模拟触发方式。依然使用LM311，但根据施密特触发器原理，接成一个滞回电路（具体电路见后面的模块设计部分）。将采集到的波形数据和触发电平进行比较，当高于触发电平时输出高电平，而当低于触发电平△V时才输出低电平，如图2.3所示。在输出脉冲Vt的上升沿开始存储波形即得到触发。这个△V称为“噪声容限”，适当调节△V的取值，可以消除波形上叠加的噪声点的影响，从而消除振荡。这种方法解决了比较器输出波形振荡的问题，可得到较稳定的触发。 图2.3 触发电路工作波形 综上所述，我们选择方案三，在实际应用中效果确实不错。 4. 数据存储 方案一：采用外接的双口RAM，或者通用的静态RAM，同时配合FPGA控制RAM的地址线，从而达到波形数据的存储。双口RAM可以同时进行读和写操作，很适合题目的要求，但控制要求比较复杂，成本也比较高。而SRAM是常用的存储器，使用方法简单，价格便宜。也可以用到本设计中。 方案二：充分利用FPGA的逻辑阵列和嵌入式阵列，将双口RAM写入到FPGA内部，这样可以免除外接RAM，既可以减少硬件电路的复