基于等效和實時采樣的數(shù)字示波器設計

摘要：基于數(shù)字示波器的基本原理，以單片機和FPGA組成的最小系統(tǒng)為控制核心，實現(xiàn)了普通示波器對被測信號的采樣、存儲與回放，并且增加了等效采樣和采樣保持功能，極大地提高了系統(tǒng)的測量范圍。該系統(tǒng)具有實時采樣和等效采樣兩種方式，以不大于1 Ms／s的A／D轉換實現(xiàn)200 MS／s的等效采樣率對輸入1 Hz～10 MHz，Vp-p為2 mV～8 V的信號進行采樣處理，并能進行單次觸發(fā)，自動和存儲／輸出波形。
關鍵詞：單片機(SCM)；FPGA；數(shù)字示波器；等效采樣；實時采樣

1 引言
    數(shù)字示波器自上個世紀七十年代誕生以來，它已成為測試工程師必備的工具之一。隨著近年來電子技術取得突破性的進展，催生了更龐大的數(shù)字示波器市場需求。此外，信號傳輸在現(xiàn)代工程中是很重要的一個技術環(huán)節(jié)，但在信號傳輸中，數(shù)字信號將對模擬信號產(chǎn)生干擾，目前采用的解決方法是利用單片機來實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號在單線中的混合傳輸，而這其中的測試和調試就要求示波器必須能夠對數(shù)字信號和模擬信號同時進行分析和顯示。因此，這里介紹一種基于等效和實時采樣數(shù)字示波器的設計。

2 設計方案
2．1 采樣方案
    選擇實時采樣和等效采樣相結合的方式，實時采樣速率小于1 MS/s，水平分辨率至少為20點/div，故系統(tǒng)50 kHz以下采用實時采樣方式，而50 kHz～10 MHz采用等效時間采樣方式，最高等效采樣速率可達到200 Ms／s。
2．2 頻率測量方案
    由于該系統(tǒng)測試頻率上限為10 MHz。根據(jù)等精度測量和測周法原理，將此頻率分為兩段。因此，10 kHz以下頻率段，采用測周法；10 kHz以上的頻率段，采用等精度測量法，從而縮短測量時間。
2．3 觸發(fā)方案
    采用內部軟件觸發(fā)，通過軟件設置觸發(fā)電平，軟件設置的施密特觸發(fā)器參數(shù)容易修改，可以很好抑制比較器產(chǎn)生的毛刺。當所采樣值大于該觸發(fā)電平時，產(chǎn)生一次觸發(fā)。該方案可排除硬件產(chǎn)生的毛刺干擾，觸發(fā)和波形較穩(wěn)定，且易實現(xiàn)觸發(fā)電壓的調整。
2．4 采樣與保持電路方案
    采用射極跟隨器、模擬開關和電容搭建采樣與保持電路。射極跟隨器可選用帶寬穩(wěn)定且?guī)尤菪载撦d強的運放，有較多的TI模擬開關，使其速度很容易滿足要求，再選用合適的漏電小的聚苯電容即可實現(xiàn)采樣與保持電路。

3 系統(tǒng)硬件電路設計
    系統(tǒng)制定出系統(tǒng)總體方案：輸入信號經(jīng)阻抗變換電路后進行程控放大，再經(jīng)采樣與保持電路后進人MAX118進行采樣。其中程控放大倍數(shù)和A／D采樣速率由垂直靈敏度和水平掃描速度確定，采樣時刻由上升沿觸發(fā)判斷和等效采樣控制單元決定。采樣數(shù)據(jù)存入雙端口RAM，顯示控制模塊讀取RAM內容并控制DAC904輸出顯示。圖1為系統(tǒng)總體設計實現(xiàn)框圖。

3．1 程控放大及前級阻抗匹配
    信號先經(jīng)前級AD811的阻抗匹配后實現(xiàn)系統(tǒng)的輸入阻抗為1 MΩ，再經(jīng)過模擬開關MAX308CPE來實現(xiàn)不同通道放大的選擇，最后經(jīng)模擬開關COM總輸出，如圖2所示。

3．2 采樣與保持電路
    基于采樣頻帶要達到10 MHz，系統(tǒng)采用模擬開關THS3166，其特點是低導通電阻、電容，低漏電流，低捕獲時間和通斷孔徑時間，但只工作在正電壓范圍，故需前級加法器。開關前再加一級射極跟隨器，采用帶動容性負載強寬帶運放THS3001做前后級的隔離。
3．3 整形及測頻電路
    高頻段整形采用高速比較器MAX913，低頻段采用低速比較器LM311。為提高輸入MAX913信號的信噪比，在其前級加一級無限增益放大，采用高頻率運算放大器LM7171，放大倍數(shù)50，這樣減小MAX913輸出脈沖邊沿抖動。同時，為避免高頻整形方波的諧波發(fā)射，比較器輸出均經(jīng)74LS393分頻后送入FPGA進行等精度測頻，脈沖邊沿更陡峭，便于測量。
3．4 A／D采樣電路
    A／D轉換器采樣是信號處理的重要部分，是對模擬信號進行數(shù)字量化。采用MAx118的流水線工作模式，該模式下MAX118的工作直觀，控制簡單。圖3為MAX118的實現(xiàn)電路。

4 系統(tǒng)軟件設計
    簡化后的系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。系統(tǒng)主體功能采用模塊化的設計思想，通過按鍵進行選擇，且菜單界面良好，具有較強的人機交互性。為了在示波器上顯示穩(wěn)定的波形，采用內觸發(fā)方式進行掃描，軟件對觸發(fā)電平的設置較好排除硬件毛刺產(chǎn)生的干擾，觸發(fā)和波形較穩(wěn)定，且易實現(xiàn)觸發(fā)電壓的調整。另外雙端口RAM的使用還使系統(tǒng)具備自動調節(jié)和波形存儲的功能。

5 測試結果
5．1 使用的儀器及測試方案
    PC機：清華同方P1．7 G,512 M；直流穩(wěn)壓電源：SG1733SB；雙蹤示波器：泰克TDS1002；仿真機：E51／S偉福；信號源：Agilent 33120A；數(shù)字合成高頻信號發(fā)生器：SP1461。
    將系統(tǒng)行列掃描輸出端分別與模擬示波器X軸與y軸輸入端相連，進行垂直靈敏度和水平掃描速度測試，信號幅值和周期測試。
5．2 測試數(shù)據(jù)及分析
    表1和表2分別給出了該系統(tǒng)設計的水平靈敏度和垂直靈敏度測試數(shù)據(jù)。

    系統(tǒng)電壓測量誤差主要來源于前級信號調理電路，被測信號是寬帶寬，高動態(tài)范圍的信號，因而對前級放大器幅頻特性要求很高。系統(tǒng)頻率測量的誤差來源于等精度測頻中對頻標計數(shù)的±1誤差，以及比較器邊沿抖動和工作的不穩(wěn)定性。
    系統(tǒng)具有3檔垂直靈敏度，電壓測量誤差小于2％，7檔水平掃描速率，周期測量誤差小于0．01％，以及觸發(fā)電平調節(jié)和存儲波形的功能。

6 結束語
    該數(shù)字示波器增加了垂直靈敏度和水平掃描速度的檔位、AUTOSET和光標顯示以及對顯示波形處理的功能，顯示波形無明顯失真，幅度測量誤差小于2％，頻率測量精度優(yōu)于0．01％，并能進行單次觸發(fā)，存儲/調出波形。系統(tǒng)的顯示輸出采用模擬示波器和128×64點陣液晶相結合的方式，波形顯示清晰，工作穩(wěn)定，操作簡單，人機界面友好。