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)了示波器對被測信號的采樣、存儲與回放，又增加了等效采樣和采樣保持功能，極大的提高了系統(tǒng)的測量范圍。系統(tǒng)具有實(shí)時采樣和等效采樣兩種方式，以不大于1Msps的ADC實(shí)現(xiàn)200M的采樣路對輸入1Hz~10MHz，Vpp為2mV~8V的信號進(jìn)行采樣處理。顯示波形無明顯失真，幅度測量誤

2、差小于2%，頻率測量精度優(yōu)于0.01%，并能進(jìn)行單次觸發(fā)，波形的存儲調(diào)出，同時還有所擴(kuò)展，包括增加到10個垂直靈敏度檔，其中增設(shè)了一個0.5mV檔，增加到13個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)計一臺具有實(shí)時

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，頻率測量，觸發(fā)設(shè)計，幅度測量，程控分檔放大五個部分。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)時采樣和等效時間采樣。方案一：實(shí)時采樣，在信號存在期間對其采樣，如圖1.1所示。根據(jù)采樣定理，采用速率必須高于信號最高頻率分量的兩倍。對于周期的正弦信號，一個周期內(nèi)至少應(yīng)該有兩個采樣點(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)原被測信號，

4、通常一個周期內(nèi)就需要采樣８個點(diǎn)以上。其優(yōu)點(diǎn)是采樣時間較短，缺點(diǎn)是對AD轉(zhuǎn)換速度要求很高，且高速時易引入干擾。方案二：等效采樣，采用中高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對于頻率較高的周期性信號采用等效時間采樣的方法，即對每個周期僅采樣一個點(diǎn)，如圖1.2所示，經(jīng)過若干個周期后就可對信號各個部分采樣一遍。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)時采樣示意

5、圖圖1.2等效時間采樣示意圖T2?t3?t4?tt1t2t3t4t512345?t圖1.3延時法等效采樣示時間，如圖1.3所示。只要精確控制從觸發(fā)獲得采樣的時間延遲，就能夠準(zhǔn)確地恢復(fù)出原始信號。該方案的優(yōu)點(diǎn)是采樣頻率不需要太高，與被采樣信號頻率相當(dāng)即可，缺點(diǎn)是要求被測信號必須是周期的，而且采樣過程較慢，比較耗時。根據(jù)題目要求選擇實(shí)時采樣和等效采樣相結(jié)合的方式，實(shí)時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，電路也大為簡化。二、二、理論分析與計算理論分析與計算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f(t)的周期為T（頻率為f），若將f(t)的一個周期T以等分，則在采樣時鐘周期為Tc，且t?（m為正整數(shù)）時，在經(jīng)過k個時鐘周期后，且，Tc=mTt??k=Tt?cf(kT)=f[k(t)]=f[Tt(t)]f(T(1))mTmTmk??????

7、??????即實(shí)現(xiàn)了對信號一個周期k個點(diǎn)的等效采樣，等效采樣頻率為，實(shí)時采樣時kf?鐘為，調(diào)整m的值可使采樣時鐘頻率小于1MHZ，同時，由于最高1()mTt???輸入頻率為10MHZ，假設(shè)我們對10MHZ信號一個周期采樣20個點(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的比特數(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Vpp最大為16V，ADC輸入信號范圍為Vpp值5V，由于前級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信號波形的能力。掃描速度定義為：單位實(shí)際內(nèi)光點(diǎn)

9、在屏幕水平方向移動的距離。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)計中設(shè)定掃描速度從100ns到100ms共有13個擋覆蓋了題目的三個擋的要求，根據(jù)上面公式，可以計算出對應(yīng)的采樣率如下表2所示：表2各水平掃描速度檔對應(yīng)的采樣率掃掃描描S100ns400ns2μs40μs400μs20ms100ms采樣率fs200MHz50MHz10MH