2007數(shù)字示波器27

1、第1頁(yè)數(shù)字示波器數(shù)字示波器摘要摘要：本系統(tǒng)基于數(shù)字存儲(chǔ)示波器的基本原理，以單片機(jī)和FPGA組成的最小系統(tǒng)為控制核心，具有實(shí)時(shí)采樣方式和等效采樣方式，其實(shí)時(shí)采樣速率≤1MSas，并采用順序等效采樣的方式使等效采樣速率達(dá)到200MSas。系統(tǒng)輸入頻率范圍為10Hz～10MHz，輸入幅值范圍為4mvVpp～8vVpp，周期測(cè)量精度優(yōu)于0.1％，幅值測(cè)量誤差小于5％。系統(tǒng)具有三檔垂直靈敏度和七檔水平靈敏度，采用內(nèi)觸發(fā)方式，觸發(fā)電平可通過外部旋鈕

2、進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)也具有單次觸發(fā)功能。能夠?qū)Σㄐ芜M(jìn)行存儲(chǔ)，并且能在需要時(shí)調(diào)出存儲(chǔ)波形進(jìn)行回放。系統(tǒng)在模擬示波器上顯示波形和刻度，并且借助于12864點(diǎn)陣液晶顯示示波器參數(shù)及波形信息，功能穩(wěn)定，波形清晰，人機(jī)界面友好。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：數(shù)字存儲(chǔ)示波器，實(shí)時(shí)采樣，等效采樣，取樣保持一、方案論證與選擇一、方案論證與選擇系統(tǒng)要求制作一臺(tái)實(shí)時(shí)采樣方式和等效采樣方式的數(shù)字示波器，要求測(cè)量周期信號(hào)的頻率范圍為10Hz～10MHz，實(shí)時(shí)采樣速率≤1MSas，

3、等效采樣速率≥200MSas，要求包含三檔水平掃描速率和三檔垂直靈敏度，采用內(nèi)觸發(fā)方式，觸發(fā)電平可調(diào)，可擴(kuò)展存儲(chǔ)和單次觸發(fā)的功能，并能對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅值和頻率的實(shí)時(shí)測(cè)量。1.采樣方式選擇采樣方式選擇一般示波器有兩種采樣方式，實(shí)時(shí)采樣和等效時(shí)間采樣。方案一：實(shí)時(shí)采樣。實(shí)時(shí)采樣是在信號(hào)存在周期對(duì)其采樣，故都是在信號(hào)經(jīng)歷的實(shí)際時(shí)間內(nèi)顯示信號(hào)波形。根據(jù)采樣定理，采樣速率必須高于信號(hào)最高頻率分量的２倍。對(duì)于周期的正弦信號(hào)，一個(gè)周期內(nèi)至少應(yīng)該有２個(gè)采樣

4、點(diǎn)。為了不失真的恢復(fù)原被測(cè)信號(hào)，通常一個(gè)周期內(nèi)就需要采樣８?jìng)€(gè)點(diǎn)以上。其優(yōu)點(diǎn)是采樣時(shí)間較短，缺點(diǎn)是對(duì)AD轉(zhuǎn)換其的速度和精度要求很高。方案二:等效時(shí)間采樣。使用等效采樣法的前提是被測(cè)信號(hào)是周期出現(xiàn)的，因此，為了重建原信號(hào)，可以每一個(gè)周期內(nèi)等效地等間隔地抽取少量的樣本，最后將多個(gè)周期抽取的樣本集合到同一個(gè)周期內(nèi)，這樣就可以等效成在一個(gè)被測(cè)信號(hào)周期內(nèi)采樣效果。該方案的優(yōu)點(diǎn)是采樣頻率不需要太高，與被采樣信號(hào)頻率相當(dāng)即可，缺點(diǎn)是要求被測(cè)信號(hào)是周期的

5、，而且采樣過程較慢，比較耗時(shí)。根據(jù)題目要求我們選擇實(shí)時(shí)采樣和等效采樣相結(jié)合的方式，實(shí)時(shí)采樣速率≤1MSas，即限制了AD轉(zhuǎn)換器的速率為≤1MSas，題目要求水平分辨率至少為20點(diǎn)div故我們50KHz以下采用實(shí)時(shí)采樣方式，50KHz～10MHz采用等效時(shí)間采樣方式，最高等效采樣速率可達(dá)到200MSas。第3頁(yè)二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方框圖；二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方框圖；阻抗匹配程控放大測(cè)頻加法器采樣保持電路MAX118峰值檢波MC

6、U(AT89S52)Max197采樣控制雙口RAM波形顯示控制模塊鍵盤掃描顯示驅(qū)動(dòng)行掃描DA列掃描DA模擬示波器鍵盤12864點(diǎn)陣顯示MAX197等精度測(cè)頻波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制采樣控制總線控制觸發(fā)電平調(diào)節(jié)FPGA輸入圖1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52和FPGA為控制核心。被測(cè)10Hz～10MHz信號(hào)經(jīng)由射極跟隨器構(gòu)成的阻抗匹配電路輸入系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)三檔垂直靈敏度，共設(shè)置三級(jí)程控放大電路，然后信號(hào)經(jīng)加法器變?yōu)閱螛O性信

7、號(hào)，經(jīng)設(shè)計(jì)的采樣保持電路送入AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。AD轉(zhuǎn)換器采用1Msps采樣速率8位的MAX118。同時(shí)程控放大后的信號(hào)經(jīng)測(cè)頻整形電路送入FPGA進(jìn)行測(cè)頻，并經(jīng)峰值檢波電路由12位ADMAX197采樣，進(jìn)行幅值測(cè)量。同時(shí)MAX197采樣觸發(fā)電平調(diào)節(jié)電位器電壓，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)電平的調(diào)節(jié)。FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)等精度測(cè)頻，當(dāng)所測(cè)頻率小于50KHz時(shí)即采用實(shí)時(shí)采樣，當(dāng)所測(cè)頻率大于50KHz時(shí)，采用等效時(shí)間采樣。采樣所得數(shù)據(jù)由波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制模塊寫入FPG

8、A內(nèi)部，同時(shí)由波形顯示控制模塊將數(shù)據(jù)讀出，送入列掃描電路，行掃描電路產(chǎn)生掃描電壓，在模擬示波器上顯示出信號(hào)波形?？梢詫?shí)現(xiàn)連續(xù)觸發(fā)顯示和單次觸發(fā)顯示，并能實(shí)現(xiàn)波形的存儲(chǔ)與回放。三、理論分析與計(jì)算三、理論分析與計(jì)算1.等效采樣分析等效采樣分析等效時(shí)間采樣是一種用低頻信號(hào)采樣高頻信號(hào)的一種方法，即對(duì)每個(gè)周期僅采樣一個(gè)點(diǎn)，經(jīng)過若干個(gè)周期后就可對(duì)信號(hào)各個(gè)部分采樣一遍，而這些點(diǎn)可以借助步進(jìn)延遲方法均勻地分布于信號(hào)波形的不同位置。設(shè)輸入信號(hào)f（t）(