简易数字存储示波器设计研究报告[].docVIP

简易数字存储示波器设计报告 摘 要 本设计分为四个模块，分别是：信号前向调整模块，数据采集模块，数据输出模块和控制模块。信号前向调整模块采用高速低噪音模拟开关(MAX4545)和宽带运算放大器(MAX817)构成可编程运算放大器，对幅度不等的输入信号分别进行不同等级的放大处理。数据采集模块采用可编程器件(EPM7128SLC84-15)控制高速Ａ／Ｄ(TLC5510)对不同频率的输入信号分别以相应的采样速度予以采样，并将采样数据存在双口ＲＡＭ(IDT7132)中。数据输出模块采用另一片可编程器件(EPM7128SLC84-15)控制两片Ｄ／Ａ(DAC0800)分别输出采样信号和锯齿波,在示波器上以Ｘ－Ｙ的方式显示波形。控制模块以AT89C52单片机为控制核心，协调两片可编程器件的工作，并完成其它的测量，计算及控制功能。 总体方案设计与论证： 方案一：数字示波器采用数字电路，将输入信号先经过Ａ／Ｄ变换器，把模拟波形变换成数字信息，暂存于存储器中。显示时通过Ｄ／Ａ变换器将存储器中的数字信息变换成模拟波形显示在模拟示波器的示波管上。对于存储器的地址计数及数据存取可通过数字电路对时钟脉冲计数产生地址，并选通存储器来实现；对输入信号何时触发采集可通过模拟比较器及其它简单的模拟电路实现。但是，这种方法的硬件电路过于复杂，调试起来也不方便，不利于系统的其它功能扩展，因而不可采取。 方案二：采用AT89C52单片机。单片机软件编程灵活，自由度大。可通过软件编程实现对模拟信号的采集，存储数据的输出以及各种测量，逻辑控制等功能。但是，系统要求的频带上限为５０ＫＨＺ，根据采样定理，采样速度的下限为１００ＫＨＺ，需要用高速Ａ／Ｄ进行采样。假设单片机系统用12M的晶体振荡器作为系统时钟，那麽一条指令就需要1us或2us，根本无法控制Ａ／Ｄ高速工作。因此，单纯用软件是不可能实现该系统的。 方案三：采用AT89C52单片机作为控制核心，采用可编程器件（ALTERA公司的EPM7128SLC84-15）来实现对数字系统的控制。由于可编程器件的工作频率很高，所以用它控制高速Ａ／Ｄ工作是合适的，同时又有着MAXPLUSII这样强大的软件予以支持，所以设计调试都会变得十分方便。为了稳定实时的显示 波形，必须使采样数据输出与扫描信号同步，同时扫描速度要快，所以也应该用可编程器件来控制波形数据的输出。由于EPM7128SLC84-15的硬件资源不是十分丰富，为了以后功能扩展方便，所以我们选用了两片该器件分别控制着模拟信号的采样以及采样数据的输出，用单片机控制并协调它们之间的工作。 系统框图如下： 二．单元电路的设计与论证 信号前向调整模块的设计： 为了使不同幅度的输入信号都能被Ａ／Ｄ所采样，所以在采 样电路的前端应对输入信号进行一定的放大／衰减。由于我们所选用的Ａ／Ｄ（TLC5510）电路的输入动态范围为0.59V~2.59V，即当输入0.59V的直流信号时，Ａ／Ｄ输出为00H，输入2.59V的直流信号时输出为FFH，而Ｄ／Ａ(DAC0800)电路输出为0~5V,所以当A/D的输入信号峰峰值为2V时,设示波器的垂直灵敏度定在0.5v/div,那末Y轴显示10格(实际上Y轴只有8格),这相当于将输入信号放大了2.5倍。为使垂直灵敏度为1v/div，即在示波器上Y轴显示两格，则输入信号需要衰减５倍，同理可得当垂直灵敏度为0.1V/div和0.01V/div时前向通道需要放大2倍和20倍。由于A/D本身的输入动态范围就很小,为了保护ＡＤ，所以在ＡＤ前端加入了５倍衰减，因此程控放大倍数应分别为１倍，１０倍，１００倍。 方案一：采用现有的集成程控放大器(例如:PGA103)作为信号的前向输入通道，根据输入信号的幅度选择不同的放大／衰减倍数，以达到Ａ／Ｄ所要求的输入范围。在系统前端采用集成器件，对抑制系统的噪声是很有帮助的,而且这种器件控制简单,使用方便。但是，该器件货源短缺，无法实现。 方案二：采用四象限乘法型D/A转换器AD7528和运算放大器来实现程控放大／衰减。AD7528内部具有两个匹配良好的D/A转换器。按照下图的接法，即可构成可编程增益/衰减电路。从每个D/A转换器的基准输入到其输出的等效电阻用于取代标准反相放大器的输入电阻和反馈电阻，将合适的数据置入到两个 D/A中，即可实现-48DB到+48DB的可编程增益/衰减。经理论推导，输入Vin与输出Vout之间的关系是： Vout/Vin=-Na/Nb 其中，Na,Nb分别指的是A，B两D/A的预置值，范围在1到２５５之间。但是，根据实验发现ＡＤ７５２８在频率较高时有衰减，放大倍数比预定值小，无法满足垂直灵敏度在全频段内误差小于５％的要求，所以不可选用。 　　方案三：采用高速低噪声模拟开关M