数字示波器 潘一腾字示波器 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 方案论证与选择 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。 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。 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。 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。 系统总体框图 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。理论分析与计算 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，且（m为正整数时)，在经过k个时钟周期后，且，则 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，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。 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。 垂直灵敏度 题目要求垂直分辨率为8bits，数字示波器的垂直