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数字示波器 摘要: 本系统基于示波器原理，以单片机作为控制核心，充分发挥FPGA的数据处理能力，利用了FPGA的逻辑阵列和嵌入式阵列，将双口RAM写入到FPGA内部，实现了对被测信号的采样、存储与回放.系统采用高速A/D对待测信号进行采集,并使用内触发方式,既实现了普通示波器的实时采样与实时显示,又增加了等效采样功能.极大的提高了系统的测量范围系统实现自校准,然后用X－Y模式在示波器显示屏上显示。该系统由程控放大、A/D采样、D/A变换、过零比较、触发电平产生电路等部分构成，实现了信号的数字化存储、电平触发显示等功能，同时提供了液晶显示和键盘操作，界面友好。 关键词：数字存储、示波器、等效采样 方案论证与选择 在实现该系统中要求输入阻抗为1M，这可以通过在信号的输入端加一级由输入阻抗驱近于无穷大的射极跟随器，由于射极跟随器的输入阻抗很高，在其同相输入端并接一个1M的电阻即可满足输入阻抗1M的要求；要求采用上升沿触发、触发电平可调s/div、s/div、0ns/div可以通过改变信号采样的速率来实现，由于频率范围为～档垂直灵敏度V/div 、0.1V/div、V/div可以通过程控放大来实现。具体方案的选择如下： 1、触发电平的调节方式选择 方案一：数字调节方式。该方式主要通过软件来实现，即通过按键来调节触发电平的大小。该方案不需要外围电路，实现简单，但操作不直观，且触发电平只能离散变化。 方案二：模拟调节方式。使用可调电位器调节某点电压，并用ADC采样量化到控制部分，依次作为触发电平调节的基准电平。该方案需要模拟电路配合，电路虽有点复杂，但操作直观。 为了得到连续可调的触发电平，故我们采用方案二。 2、频率测量的方案选择 方案一：非等精度测量： 非等精度测量又叫脉冲填充法或测周法，其基本原理是用已知频率的基准信号（）对待测信号()的高电平部分或低电平部分或单个周期部分进行计数，设计数值为N，则待测信号的频率为：。但这种方案的精度不稳定，因为计数时存在一个脉冲的误差，即N有N＋1和N－1两种情况，这样的误差会随N的大小有较大的变化，N越小即越大时，的误差就越大，故这种方案只适用于测量远小于的信号频率。 方案二： 等精度测量法： 即在预定的闸门时间内，分别用计数器1和计数器2同时对被测信号和基准信号进行计数，设所得值为和，则被测信号的频率为： 基准源 待测源 闸门 T0 计数器 计数器 图1 等精度测量法原理图 在测量中，闸门的开启和关闭都由被测信号的上升沿（或下降沿）来控制，因而与 的计数保持同步，因而不存在误差，但是对于基准信号来说，闸门的开启和闭合仍然是随机的，因而存在±1的误差，测频的最大相对误差为： 由上式看出，测频精度与被测信号频率没有关系，只要和足够大，系统可以满足很高的精度要求。因此，参考计数器的最高计数频率的限制，选取合适的基准信号频率和恰当的闸门开启时间，便可以在1Hz~15MHz的范围内使测频精度不变，即等精度测量。 根据以上分析比较，由于题目要求的待测频率范围为10Hz~10MHz，测量误差要小于5％，故选择方案二，所选用的基准频率为40MHz。 3、比较整形电路的方案选择 在该系统的实现中，所要求信号的频率上限高达10MHz，比较整形电路的性能直接决定了整个系统各个功能实现的效果，因此，必须要使该整形电路能够性能稳定，得到的方波要标准。 方案一：开环放大整形。如右图2所示，该方法就是将输入信号经过一级运放的开环放大到截止状态，再用施密特触发器对截止信号进行整形来实现的。本方案可以将信号较好的整形为方波，实现电路也很简单，但是由于此方法要求运放开环放大，增加了电路的不稳定性，同时，受到运放增益带宽积的限制，要能够对兆赫兹级信号进行整形，运放的增益带宽积要高达上百兆，效费比较低。 方案二：使用集成比较器芯片。该方法就是将输入信号与所提供的基准信号进行比较，高于基准电平的信号部分在集成比较芯片的处理下会变为高电平，而低于基准电平的信号部分则会变为低电平，从而实现信号的整形。该方法实现简单，同时能够根据需要选择不同的基准，从而实现触发电平可调的上升沿触发。该方法的实现中可以采用LM311,如右图3所示，但受到LM311比较性能的限制，待比较信号不能很高；也可以采用MAX913，该芯片性能优良，在13MHz以内可以较好的实现信号的整形。 根据以上的分析比较，故采用方案二，用MAX913来实现信号的比较整形。 4、100K校准方波的产生方案选择 题目要求系统能提供频率为100kHz的方波校准信号，且幅度值为0.3V±5%，频率误差≤5%。信号的实现有以下几种实现方案： 方案一：采用DDFS方