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[導讀]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

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。

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