數(shù)字示波器

1 前言

目前示波器的種類繁多，其頻帶由0．1 Hz到幾十MHz，甚至上百MHz，還具有存儲顯示和打印功能。而頻帶越寬，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的速度越高，價格也越貴，所以現(xiàn)在的示波器價格昂貴，功能單一。這里提出的數(shù)字示波器輸入頻率范圍為10 Hz～10 MHz，幅度范圍為16 mV～8 V；而垂直靈敏度有3檔，水平靈敏度有8檔；且信號幅度和周期測量誤差都小于1％；能對波形上下，左右移動，拉寬和縮窄；并能掉電存儲波形和顯示兩通道的相位差。該數(shù)字示波器的價格低廉，功能強大，精度較高，應(yīng)用于多種場合，產(chǎn)品攜帶方便。

2 方案設(shè)計

2．1 采樣方案

由于系統(tǒng)需要以小于1 MHz的實時采樣率來采樣頻率為10 Hz～10 MHz的信號，且一個周期至少采集20個樣本點，因此對于頻率小于50 kHz的信號進行實時采樣，而對于頻率高于此的信號則需等效采樣，最高等效采樣率為200 MHz。

2．2 觸發(fā)方案

由于該系統(tǒng)要求采用內(nèi)部觸發(fā)方式，即以輸入信號本身為系統(tǒng)提供觸發(fā)。因此采用數(shù)字電路觸發(fā)方案，在FPGA內(nèi)設(shè)觸發(fā)電平，用A/D轉(zhuǎn)換器實時采集輸入信號，當采集到的電壓等于觸發(fā)電平時，產(chǎn)生觸發(fā)。但由于A／D轉(zhuǎn)換器的采樣率和位數(shù)有限，不可能每次都采集到等于觸發(fā)電平的點。若將觸發(fā)電平設(shè)置為一段合適的電壓范圍，這樣可以保證輸出信號波形穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計

信號經(jīng)過阻抗變換網(wǎng)絡(luò)和程控放大環(huán)節(jié)，幅度被調(diào)理到一定的范圍內(nèi)。調(diào)理后的信號輸入到比較整形模塊，將輸出的等頻率的方波信號送進FPGA內(nèi)的測頻模塊進行頻率測量；同時，調(diào)理后的信號經(jīng)采樣保持電路送入采樣模塊，用MAX118對頻率小于和大于50 kHz的信號分別進行實時采樣和等效采樣。采集的信號存儲在FPGA內(nèi)部的雙端口RAM中，并能在通用示波器中顯示信號波形，并具有單次觸發(fā)和連續(xù)觸發(fā)、存儲波形、波形水平移動、垂直移動、產(chǎn)生100 kHz校準信號等功能。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

3．1 采樣保持電路

采樣保持電路如圖2所示。當模擬開關(guān)導通時，輸入信號Vin經(jīng)過模擬開關(guān)對電容C1充電，充電結(jié)束后，Vc1=Vin。當模擬開關(guān)斷開時，電容C1上的電壓在一段時間內(nèi)保持不變，電容的漏電越小，運放的輸入阻抗越大，Vcl保持的時間越長。選擇合適的保持時間。可保證采樣時的A／D轉(zhuǎn)換輸入端信號穩(wěn)定。

采用MAX309作為模擬開關(guān)，引腳A0和A1控制通道選擇。使用模擬開關(guān)的NO1通道輸出，將引腳A1接地，通過控制引腳A0的電平可控制信號是否能傳輸?shù)胶蠹塋M6171的輸入端。C1采用低漏獨石電容，取100 pF；MAX309的導通電阻RON為60 Ω，RON與C1構(gòu)成了一個一階低通濾波器，截止頻率，10MHz的信號輸入到采樣保持電路，幅度不變。

前級的MAX477和后級LM6171接成高輸入阻抗的射級跟隨器，實現(xiàn)信號隔離。

3．2 比較整形電路

采用TI公司的TL3116，典型傳輸延遲時間為10 ns。將其接為滯回模式，可以抑制噪聲引起的誤翻轉(zhuǎn)。在比較器輸入前級接一級增益為20的放大器。圖3為該系統(tǒng)的比較整形電路。