数字示波器控制电路及GUI的设计与实现1

第二章 数字示波表系统设计概述
大减少数据 的计算量 。加窗后的内插重建公式如下：
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由于 ｓ 函数有快速双边递减特性， ｉ ｃ ｎ 加上我们进行的信号处理要求实时性强、
速度快， 所以 在本系统中取 Ｎ 洲，只考虑内 插点左右两边各 ４位序列值，即采用 八阶内 插算法， 这样就已经能达到较好的内 插性能和精确度。
２． １ ３嵌入式系 统
所谓嵌入式系统， 是指以 微处理器的计 算能力为核心的完成较为单一任务（ 相 对于 桌面计算） 的电子设各。 随处可见的 子包括移动电 数码相 微波炉、 例 话、 机、 安全 监控、电 疗仪器、 子医 汽车电子、办公 机器、机器 人等等。很快 嵌入式计算 将在几乎所有的电子设备中出 现，据估计以 后每个家庭大约会拥有超过 ２０个嵌 ０ 入式的计算机，由此引发的商业价值也是不可估量的。根据美国 １９ 年的统计资 ９ ７ 料来 大约有１ 看， 亿只微处理器被售出用于 桌面计算机， 而大约有３ 亿只微处理 ： ０
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第二章 数字示波表系统设计概述
第二章 数字示波表系统设计
便携式数字存储示波表 是一个典 型的嵌入式系 融入了 统， 先进的ｓ Ｐ 技术、 ｏＣ
ＦＧ Ｐ Ａ技术以 及嵌入式操作系统，其设计实现包括模拟通道信号处理电路、 Ａ 即Ｇ
数字电路控制模块和系统 用软件三 应 部分。本章就其基础理论、 相关技术以 及各
嵌入式系统中应用较多。
（）单片微控制器 （ ｃ ： ｉｏ ｏｒｌ ｕ ｉ 又称为单片机（ｉ ｌＣ ｉ ２、 Ｍ ｕ Ｍ ｃ Ｃｎ ｌｒ ｎ） ｒ ｔｃ ｔ ｏ Ｓｇ ｈ ｎｅ ｐ ｏ Ｐｅ ，特点是除了具有通用 ｃ ｕ所具有的 Ａ Ｕ和 ｃ ，还集成了存储器 Ｃｍ ｔ ） ｕｒ Ｐ Ｌ ｕ （Ｚ 瓜Ｏ 、寄存器、时钟、计数器、 Ｒ 矫度 Ｍ） 定时器等， 有较强的通信接口，有的还 自 ／ 、Ｄ 。 带ＡＤ ／ 常见的实例有Ｉｅ的Ｍ 一 ５，８１６ Ａ ｎ ｌ Ｃ ８ １ ０９ 系列，Ｍ Ｔ Ｒ Ｌ ｔ Ｓ ０ Ｏ Ｏ Ａ的 Ｏ
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种重要方法，插值是确定某个函数在两个采样值之间的数值时采用的运算过程， 内插滤波可以看作是信号采样的逆过程。波形插值通常是利用曲线拟合的方法 ，
通过离散的输入采样点建立一个连续的函数，用这个重建的连续函数便可以求出 任意位置处的函数值。 如今有很多己经成熟的内插算法，比如线性插值、取样函数内插、拉格朗日 插值、有理插值、牛顿插值、埃尔米特插值等。在本课题设计中，我们采用了取 样函数内插算法，其特点是简单、易实现，速度快。 在采样定理中，对带限信号进行时域采样则会使模拟信号离散化，同时其频 谱会在频域无限扩展而成为无限带宽信号， 如图２ 所示。 一 ２ 而在插值过程中， 对抽 样信号进行低通滤波使其仅保留低频信号，在时域进行波形内插，从而恢复出原 始的模拟信号。其内插公式如下：
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图２ 用 一 两倍于 ２ 信号频率 的采样速率 对正弦波采样
示波器是用来研究信号的，为了很好的研究出 信号不仅要求正确的表示信号
的频率，而且还要求准确地表示信号波形的幅度。如果每个周期 用三个采样点进 行采样，则再现的波形也会发生很大的失真，如图２ 所示。 一 ３ 根据经验通常认为每周期最少要有十个采样点才能给出足够的信号细节。但
２； 一１采样原理 １
模拟信号是外界各种物理量的真实表现，但是不易进行存储和处理，而 数字 信号就完全克服了这些不足，同时数字信号可以无失真的恢复原始信号，这也是 模拟信号所不具备的优点。在数字存储示波表中无论是记忆体中存储的信号还是 Ｃ Ｕ 中处理的信号都是数字形态的， Ｐ 这就需要将外界的模拟信号进行实时采样，
重建算法我们可以得到与原始波形十分相像的波形。但是，当我们采用同样的采 样时钟而将采样点选在和原来略为不同的时刻，不在信号的峰值点采样，这样一
来信号的幅度信息就会严重失真，甚至可能完全丢失。事实上，如果采样点准确 地取在信号的过零点，那么由于所有的 采样值均为零，我们将完全观测不到任何 信号。出现这样的情况是由于香农采样定理主要是针对通信应用领域，而并非 针
所谓插值就是在两个采样点之间插入一个或多个数值的过程，目的就是使采 样值所表现出来的波形或图像更加平滑和优美。在现实生活中我们经常遇到的有
波形插值和图像插值，比如在声音的数字处理过程中就可以采用波形插值来提高 声音的音质，在数字图像处理过程中可以采用图像插值来提高图像的平滑度、清 晰度和色彩饱和度。 在数字示波表中，实现外界信号数字化的关键就是信号采样，但是由 Ａ Ｃ 于 Ｄ 模数转换器件的采样速率有限，或者说不可能每个信号周期都采样几十个数据点。 那么当每个周期只有几个采样点时，波形就显得比较粗糙，为了使波形显示的平 滑和完整，就必须通过有效的内 插滤波进行插值处理。 插值算法是函数逼近的一
采用的Ｃ Ｕ 通常采用冯诺依曼结构，程序和数据的存储空间合二为一，并采取 Ｐ， 各种方法、技术提高计算速度。例如：Ｉｄ 的 ８Ｘ 系列 ，Ｐｎ ｍ 系列， ｔ ｎ ０ ８ ６ ｅｔ ｎ ｉ
ｏｅＰ Ｃ ｕ Ａ Ｍ系列芯片 根据内 结构和指令又可分为Ｃ Ｃ Ｐｗｒ 一Ｐ ， 丑 Ｃ 等。 部 Ｉ 复杂指令 Ｓ 计算 机和 ＲＳ Ｉ Ｃ精简指令计算机，其中ＲＳ 处理器由 ＩＣ 于结构简单、 性能优越，在
在有些情况下，对信号的细节要求低一些，这 时每周期取五个采样点就可以满足
第二章 数字示波表系统设计概述
给出的有关信号特征。实际使用中便携式数字存储示波表所采用的实时采样频率
为被测信号最高带宽的４ ０ 倍。本论文所讨论的数字存储示波表最高Ａｌ采样 一１ ｚ 〕 率为 １ ＭＨ ，而输入信号模拟带宽要求为 １ＭＨ ，这样无论每周期五个还是十 ０ ｚ ０ ｚ 个采样点都能够满足要求。但我们可以采用内插的方法改善至每周期只要四个采 样点就能很好的重建波形，这样对于最大采样率为 １０ ｚ的示波表而言，能准 ０ ＭＨ
器被 用于各种各 样的嵌入式系 阎。 统中
嵌入式系统的硬件组成通常有嵌入式处理器、存储器、输入输出 接口、周Ｄ 转换器和 ＤＡ转换器、人机接口、键盘、显示器等。其主要部件微处理器主要包 ／
括以 下几种：
（） 通用 理器 （Ｐ：ｅ ｒ Ｐ甲 ｓＰ ｃ ｓ） １、 处 ＧＰＧｎ ａ ｕｏ ｒ ｅｏ 就是普通 面计算机等 ｅｌ ｅ ｏ ｓｒ 桌
变换成易存储和处理的数字信号 。
在通信原理中我们曾 经学过：一个频带限制在 （，扣） ０ 赫兹内的时间连续信
号ｍ ， ） ｔ （ 如果以Ｔ １ 几秒的间隔对它 二／ ２ 进行等间隔 抽样， （ 所得到的 则ｍ 将被 ） ｔ 抽样
值完全确定。换句话就是说：以两倍于被抽样信号以上的频率对其进行 抽样，就
部分总体设计思路作一简要的讨论 。
２ ． １基础理论及相关技术
数字存储示波表需要将外部真实世界的模拟信号以波形的形式显示在Ｌ Ｄ Ｃ液
晶屏幕上，这个信息的流入流出过程需要将模拟信号进行采样、量化、存储，再
经过波形抽值、插值以及各种运算处理，最后在屏幕上显现出来。下面就采样原 理、波形插值算法以及嵌入式系统和 Ｓ Ｐ Ｏ Ｃ技术等作一介绍。
可以完全无失真地恢复出被抽样信号。 抽样定理全过程如图２１ 一所示。
至此， 我们完全相信任何情况下此定理都会成立，但是在对示波器进行设计 与研究时会出现与香农采样定理相违背的情况，如图２ 所示。从图中可以看出， 一 ２
当 使用两倍 信号 于 频率的 样时钟时， 频率确实 恢复， 用适当 波 采 ’ 信号 可以 使 的 形
复地出现。对于这些信号来说，示波表可以从若干连续的信号周期中采集到多组
采样点来构成波形，每一组新的采样点都是由一个新的触发事件来启动采集的，
电子科技大学硕士学位论文
每一次触发后都只采集信号波形的一部分，这就是等效时间采样。这种方法可以 用比较低的采样速率采样到较高频率的信号。
２． ．２波形插值算法 １
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（一） ２１
式中Ｔ＝１ ５ ｓ ／ Ｆ
从公式可以看出，在 （ 。 二 一 ，＋ ）范围内 对各个采样值进行内插计算，就可 以恢复出原始信号ｘ 。 ） ｔ （ 但是 （ ， ｃ） 一， ＋ 这样的计算范围太大了对于实际应用来 ｏ 说是不可能实现的，因此，我们只能在实践中采取近似的计算方法。通常是采用 带加权窗函数的取样函数来实现，这样就既能有效的对插值进行计算，又能够大
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以上所讨论的都属于实时采样的范畴，所谓实时采样就是每一个采样点都是 按照一定的时间次序来采集的，这样波形数据采集的次序和采样点在屏幕上出现 的次序是相同的。这是模拟示波器所必须遵守的准则，但是对于数字存储示波表 而言 就不同了，因为可以对所采集的数据进行存储，利用这一点可以实现等效时 间采样，如图２ 所示。 一 ３ 在很多应用场合，实时采样方式所提供的时间分辨率仍然不能满足工作的要 求，需要观察的信号通常是重复性的，即相同的信号图形按有规则的时间间隔重
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图２ 侮周期三点采样与顺序等效时间采样 一 ３