數(shù)字示波器 張帥

1、數(shù)字示波器數(shù)字示波器曾宇曾宇張帥張帥陳冬摘要：摘要：本系統(tǒng)基于數(shù)字示波器的基本原理，以單片機(jī)和FPGA組成的最小系統(tǒng)為控制核心，充分發(fā)揮FPGA的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)了示波器對(duì)被測(cè)信號(hào)的采樣、存儲(chǔ)與回放，又增加了等效采樣和采樣保持功能，極大的提高了系統(tǒng)的測(cè)量范圍。系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)采樣和等效采樣兩種方式，以不大于1Msps的ADC實(shí)現(xiàn)200M的采樣路對(duì)輸入1Hz~10MHz，Vpp為2mV~8V的信號(hào)進(jìn)行采樣處理。顯示波形無明顯失真，幅度測(cè)量誤

2、差小于2%，頻率測(cè)量精度優(yōu)于0.01%，并能進(jìn)行單次觸發(fā)，波形的存儲(chǔ)調(diào)出，同時(shí)還有所擴(kuò)展，包括增加到10個(gè)垂直靈敏度檔，其中增設(shè)了一個(gè)0.5mV檔，增加到13個(gè)水平掃描速度的檔位、AUTOSET功能、光標(biāo)顯示功能、顯示波形展開處理功能以及雙通道顯示功能。波形的顯示采用可觸屏的340220點(diǎn)陣彩屏LCD顯示，波形清晰，工作穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：數(shù)字示波器等效采樣實(shí)時(shí)采樣一、一、方案選擇與論證方案選擇與論證要點(diǎn)歸納：題目要求設(shè)計(jì)一臺(tái)具有實(shí)時(shí)

3、采樣方式和等效采樣方式的數(shù)字示波器，重點(diǎn)與難點(diǎn)主要?dú)w納為采樣方式，頻率測(cè)量，觸發(fā)設(shè)計(jì)，幅度測(cè)量，程控分檔放大五個(gè)部分。1.1采樣方案選擇采樣方案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，在信號(hào)存在期間對(duì)其采樣，如圖1.1所示。根據(jù)采樣定理，采用速率必須高于信號(hào)最高頻率分量的兩倍。對(duì)于周期的正弦信號(hào)，一個(gè)周期內(nèi)至少應(yīng)該有兩個(gè)采樣點(diǎn)。利用FPGA代替單片機(jī)準(zhǔn)確的控制ADC的采樣速率。為了不失真的恢復(fù)原被測(cè)信號(hào)，

4、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)換速度要求很高，且高速時(shí)易引入干擾。方案二：等效采樣，采用中高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對(duì)于頻率較高的周期性信號(hào)采用等效時(shí)間采樣的方法，即對(duì)每個(gè)周期僅采樣一個(gè)點(diǎn)，如圖1.2所示，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。其中步進(jìn)延遲是每一次采樣比上一次樣點(diǎn)的位置延遲△t0vt12345vt0123圖1.1實(shí)時(shí)采樣示意

5、圖圖1.2等效時(shí)間采樣示意圖T2?t3?t4?tt1t2t3t4t512345?t圖1.3延時(shí)法等效采樣示時(shí)間，如圖1.3所示。只要精確控制從觸發(fā)獲得采樣的時(shí)間延遲，就能夠準(zhǔn)確地恢復(fù)出原始信號(hào)。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)必須是周期的，而且采樣過程較慢，比較耗時(shí)。根據(jù)題目要求選擇實(shí)時(shí)采樣和等效采樣相結(jié)合的方式，實(shí)時(shí)采樣速率不大綜合考慮方案一和二，兩者配合起來最合適。在THS7002后在進(jìn)

6、行程控分檔放大，既能實(shí)現(xiàn)更多垂直檔切換，又可以保證波形的不失真，電路也大為簡(jiǎn)化。二、二、理論分析與計(jì)算理論分析與計(jì)算2.1等效采樣分析等效采樣分析其基本原理在方案選擇中已經(jīng)有了介紹。設(shè)輸入信號(hào)f(t)的周期為T（頻率為f），若將f(t)的一個(gè)周期T以等分，則在采樣時(shí)鐘周期為Tc，且t?（m為正整數(shù)）時(shí)，在經(jīng)過k個(gè)時(shí)鐘周期后，且，Tc=mTt??k=Tt?cf(kT)=f[k(t)]=f[Tt(t)]f(T(1))mTmTmk??????

7、??????即實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)一個(gè)周期k個(gè)點(diǎn)的等效采樣，等效采樣頻率為，實(shí)時(shí)采樣時(shí)kf?鐘為，調(diào)整m的值可使采樣時(shí)鐘頻率小于1MHZ，同時(shí)，由于最高1()mTt???輸入頻率為10MHZ，假設(shè)我們對(duì)10MHZ信號(hào)一個(gè)周期采樣20個(gè)點(diǎn)，就可實(shí)現(xiàn)題目要求的200MSas的等效采樣率，分析可得。t=5ns?2.2垂直靈敏度分析垂直靈敏度分析題目要求垂直分辨率為8bits，數(shù)字示波器的垂直分辨率是以ADC的比特?cái)?shù)來確定的，故系統(tǒng)采用8位1Msps采

8、樣速率的MAX114，很好滿足了題目要求。垂直靈敏度檔及各檔的放大倍數(shù)如下表1。顯示屏的刻度為8div10div。在2Vdiv檔下，輸入信號(hào)Vpp最大為16V，ADC輸入信號(hào)范圍為Vpp值5V，由于前級(jí)采樣保持電路只能通過正電壓，故選取Vpp范圍為0V~4v該通道放大倍數(shù)為416=0.25倍，其他檔位同理。表1各通道放大倍數(shù)2.3水平掃描速度分析水平掃描速度分析掃描速度表征示波器能夠展寬被測(cè)信號(hào)波形的能力。掃描速度定義為：?jiǎn)挝粚?shí)際內(nèi)光點(diǎn)

9、在屏幕水平方向移動(dòng)的距離。掃描速度與該通道采樣速率有（1）式中的關(guān)系，取樣率越高說明其捕捉信號(hào)的能力越強(qiáng)。公式如下：f=每格的取樣數(shù)（N）掃描速度（tdiv）（1）本設(shè)計(jì)中設(shè)定掃描速度從100ns到100ms共有13個(gè)擋覆蓋了題目的三個(gè)擋的要求，根據(jù)上面公式，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的采樣率如下表2所示：表2各水平掃描速度檔對(duì)應(yīng)的采樣率掃掃描描S100ns400ns2μs40μs400μs20ms100ms采樣率fs200MHz50MHz10MH