示波器设计

数字存储示波器

题目任务:设计一简易数字存储示波器

1．总体框架图：

2．题目要求指标

(1) 信号频率范围： 10Hz~10MHz；要求输入电阻： Ri>100kΩ；

(2) 垂直点数：32级/div；水平点数：20点/div；

(3) 垂直灵敏度：0.01V/div ，0.1V/div，1V/div，误差≤5% ；

(4) 水平扫瞄速度： 0.2s/div，0.2ms/div，20μs/div，误差≤5%；

(5) 触发功能要求：单次触发、扩展、内触发、上升沿、电平可调；

(6) 显示波形无明显失真；

(7) 产生100kHz，0.3V的校准方波；

报告主要内容:

1．对赛题要求的分析

2．具体实现方案讨论及器件参数计算

3．模拟部分电路设计及数字控制部分软件编写

4．安装调试及所遇到的问题

5．测试结果分析

6．总结

1. 对赛题要求的分析

(1) 工作流程：A/D采集、双口RAM存储、D/A显示。

需要器件：A/D、单片机、D/A、FPGA等主要器件；

(2) 内触发上升沿、触发电平可调；

扫描速度 0.2s/div，0.2ms/div，20 μ s/div；

垂直灵敏度0.1V/div， 1V/div，0.01V/div

移动扩展。

要具有控制功能:1.控制器 2. 人机接口

2. 具体方案讨论

2.1 采样方式的选择

实时采样和等效时间采样：实时采样即按照AD的采样速率对波形进行满足奈奎斯特采样速率的采样；等效采样是在周期信号频率过高，AD速率无法满足奈奎斯特采样速率时，间隔整数倍周期T＋最小采样间隔时间对信号进行采样。具体示意图见下：

题中要求输入信号频率范围：10Hz~10MHz，样点直接恢复方式为至少20点/周期， A/D 转换速率应小于1Ms/s。故对于高频信号（大于500KHz），应采用等效采样方式，低频信号采用实时采样方式。

2.2 控制器件的选择

1．对控制器件的要求

* AD采集速率：高达1000kHz(1 μ s)，低至 20ms；（决定于扫描速度）* 样点恢复速率：DA时钟为10MHz，绝对满足输出波形要求。

* 幅度档位调节：1V/div，0.1V/div，0.01V/div采用程控放大器实现。

* 水平档位调节：0.2s/div，0.2ms/div，20 μ s/div，由X轴（水平）扫

描速率决定。

2．三种方案

(1) VLSI：例如 FPGA。特点：可以实现较快的采样及处理速度，但仅用FPGA时程序烦琐，且实现良好的人机界面时难度较大。

(2) MCU：可以实现基本功能，但处理速度速度不能达到采样速率的要求。

(3) MCU+FPGA：MCU和FPGA可以适当分工，MCU控制人机接口以及与FPGA的通讯，FPGA实现具体器件的控制功能。

综上：第三种方案实现最为容易，且器材获得方便，成本较低，故选择第三种方案。

总体电路示意图：

2.3 技术指标初步分配（误差是定量指标）

（1）信号通道

前向通道（采集、存储）≤2.5%

后向通道（恢复）≤2%

2.5% + 2% = 4.5% ≤ 5%

（2）时基（时间基线、扫描速度）

控制信号（采样时钟）误差忽略不计

扫描电压及输出电路≤2%

3. 部分电路设计及模拟

将该简易DSO划分为3个部分：

Y 通道（前、后向通道）、X通道和控制器

3.1 前向通道

* 初步控制作用

S1 校零，S2校满度

* 内容：信号调理电路；低通滤波器；电平移位；前向通道通道性能分析；触发电路。

（1）输入电路

* 要求: Ri’≥100kΩ，输入噪声电压影响；

* 输入电阻（阻抗）对被测系统的影响：

Z越高，影响越小。

* 输入电路

* 取R≥ 100kΩ

* 运算放大器OP27

初步核算：

输入电阻：Ri’ =R// Ri ≈ R ≈ 100kΩ；

输入端噪声电压：3.6nV，

而最高灵敏度时的测量分辨力为：312μV， 3.6nV《 312μV （2）信号调理电路

* 作用：使信号符合A/D输入的要求

（预计A/D输入≤5V）

* 增益计算

要求输入幅度（灵敏度×8div ）：8V， 0.8V，0.08V。显然垂直灵敏度和前端放大倍数成反比例关系，垂直灵敏度的调整可以通过改变前端程控放大器的倍数来实现，设计要求垂直灵敏度×8div最大为8V，故显示信号的幅度在－4～＋4V之间，而A/D （TLC5540）输入电压为0～5V。这可以通过电平变换电路用电压幅度在－5～＋5V的信号得到，故此时增益为1.25。同理其他增益为： 12.5，125（由程控实现）。

* 电路图

* 有关解释

程控开关Sn：必须是模拟开关，选择集成开关MAX4501；

增益调节电阻Rnn ，模拟开关的内阻计人其中；

补偿电容C1，C2，C3：改善通道频响特性。

（3）低通滤波器

* 作用：实时采样时（输入信号频率小于50KHz）抗混迭，滤除高频分量，以改善采样效果，避免输出波形失真。

* 采样信号的频谱混迭现象及改善方法：

* 抗混迭滤波器电路

* 有关解释

运算放大器构成有源低通滤波器；

二阶Butterworth低通滤波器。

（4）电平移位电路

由于A/D要求+极性输入电压，而此前电路输出±极性电压，故必需此电路来进行电平转换，以适应AD转换的要求。

（5）前向通道性能分析

内容：频率特性的模拟；元器件参数的影响；环境温度的影响。

前向通道频率特性的模拟：

（用EWB对程控增益放大器和低通滤波器模拟分析）

结果：-3dB带宽80kHz〉50kHz 满足设计要求。

6）触发电路

* 要求：内触发、正沿、触发电平可以调节；

* 电路

说明：触发采用比较器，比较电平的极性为+、可以调节；输出为下降沿，向单片机申请中断。