数字示波器的设计

计算机工程应用技术本栏目责任编辑：贾薇薇

数字示波器的设计

刘岩

（天津工业大学信息与通信工程学院，天津３００１６０）

摘要：数字示波器是现代电子测量中最常角的仪器，它是一种可以用来观察、测量、记录各种瞬时电压，并以波形方式显示其与时间关系的电子仪器。本文中详细介绍了数字存储示波器的原理及特点，给出了一种以单片机和可编程逻辑器件为控制核心的设计方案，同时给出了其硬件和软件设计的结构及思路。

关键词：数字示波器；模块化；ＦＰＧＡ

中图分类号：ＴＭ９３５文献标识码：Ａ文章编号：１００９－３０４４（２００８）２０－３０３７５－０２

ＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＤｉｇｉｔａｌＯｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ

ＬＩＵＹａｎ

（ＴｉａｎｊｉｎＩｎｄｕｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１６０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍｏｄｅｒｎｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｄｉｇｉｔａｌｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅｉｓｔｈｅｍｏｓｔｃｏｍｍｏｎｌｙｍｅａｓｕｒｅｄａｎｇｌｅｏｆｔｈｅａｐｐａｒａｔｕｓ，ｗｈｉｃｈｉｓａｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｏｂ－ｓｅｒｖｅ，ｍｅａｓｕｒｅａｎｄｒｅｃｏｒｄａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｖｏｌｔａｇｅａｎｄｗａｖｅｔｏｓｈｏｗｔｈｅｉｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｗｉｔｈｔｈｅｔｉｍｅｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｓｔｏｒａｇｅｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅｉｎｄｅｔａｉｌａｎｄｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄａｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｌｏｇｉｃｄｅｖｉｃｅｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｃｏｒｅｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｌａｎ，ａｎｄｇａｖｅｉｔｓｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｉｄｅａｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｉｇｉｔａｌｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅｓ；ｍｏｄｕｌａｒ；ＦＰＧＡ

１引言

数字示波器是智能化数字存储示波器的简称，是模拟示波器技术、数字化测量技术、计算机技术的综合产物。它能够长期存储波形，可进行负延时触发，便于观侧单次过程和缓变信号，具有多种显示方式和多种输出方式，同时还可以进行数学计算和数据处理，功能扩展也十分方便，比普通模拟示波器具有更强大的功能，因此在电子电信类实验室中使用越来越广泛。

２数字示波器的工作原理

数字存储示波器不是将波形存储在示波管内的存储栅网上，而是存在存储器中，因而存储时间可以无限长。数字存储示波器主要利用Ａ／Ｄ转换技术和数字存储技术来工作，它能迅速捕捉瞬变信号并长期保存。该示波器首先对模拟信号进行高速采样以获得相应的数字数据并存储，存储器中储存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形；然后利用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算，从而获得所需要的各种信号参数；最后，该示波器根据得到的信号参数绘制信号波形，并对被测信号进行实时、瞬态分析，以方便用户了解信号质量，快速准确地进行故障诊断。数字存储示波器将输入模拟信号经过ＡＤ／转换，变成数字信号，储存在半导体存储器ＲＡＭ中，需要时将ＲＡＭ中存储的内容读出显示在ＬＣＤ，或通过ＤＡ／转换，将数字信号变换成模拟波形显示在示波管上。数字存储示波器框图如图ｌ所示。数字存储示波器可以采用实时采样，每隔一个采样周期采样一次，可以观察非周期信号川。数字示波器的采样方式包括实时采样和等效采样（非实时采样）。等效采样又可以分为随机采样和顺序采样，等效采样方式大多用于测量周期信号。数字示波器工作原理框架如图１。

图１数字存储示波器的基本原理方框图

３数字示波器的主要特点

与传统的模拟示波器相比，数字存储示波器有其非常突出的特点，其具体表现如下：（１）信号采样速率大大提高数字存储示波器首先在采样速率上有较大地提高。可从最初采样速率等于两倍带宽提高至五倍甚至十倍。相应对正弦波取样引入的失真也从１０％降低至３％甚至１％。（２）显示更新速率更高数字存储示波器的显示更新速率最高可达每秒４０万个波形，因而在观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲方面更加方便。（３）波形的采样、存储与显示可以分离在存储阶段，数字示波器可对快速信号采用较高的速率进行采样与存储，而对慢速信号则采用较低速率进行采样与存储；在显示阶段，不同频率的信号读出速度可以采用一个固定的速率并可以无闪烁地观测极慢信号与单次信号，这是模拟示波器所无能为力的。（４）存储时间长由于数字存储示波器是把模拟信号用数字方式存储起来，因此，其存储时间理论上可以无限长。（５）显示方式灵活多样为适应对不同波形的观测，数字存储示波器有滚动显示、刷新显示、

收稿日期：２００８－０４－２２

存储显示、插值显示等多种显示方式。（６）测量结果准确ＬＣＤ上每个光点都对应存储区内确定的数据。操作时可用面板上的控制装置（如游标）在ＬＣＤ上标示两个被测点，以算出两点间的电压或电流，再利用计算机的字符显示功能在ＬＣＤ上直接显示测量结果，从而减少了人为误差，提高了测量的准确度。（７）触发功能先进与模拟示波器不同，数字存储示波器不仅能显示触发后的信号，而且能显示触发前的信号还可以任意选择超前和滞后的时间。（８）便于程控并具有多种方式的输出由于数字存储示波器的主要部分是数字系统，又由微计算机管理，故可通过接口接受程序控制，也可通过接口用于各种方式的输出。

４数字存储示波器的系统结构

示波器主要以微处理器、数字存储器、Ａ／Ｄ转换器与Ｄ／Ａ转换器为核心，输人信号经过Ａ／Ｄ转换器把模拟波形转换成数字信息，存储在数字存储器内，显示时再从存储器中读出。通过接口可以与计算机相连，利用机内微处理器系统对存储的信号作进一步处理．也可以直接将数字信号送至液晶显示器，这样大大改进显示特性，增强功能，便于程控化和智能化。比传统数字示波器精确得多的实时波形采集技术，使数字测量更加精确，主要用于高精度测量和分析，以及组成自动测试系统。其主要性能指标包括采样速率、带宽、显示更新速率、存储深度等。

按照从整体到局部的系统设计原则，根据现代数字存储示波器的性能指标要求和实际研制需要，首先确定所设计的ＤＳＯ系统应该具备的功能和所需达到的性能。

（１）被测周期信号的频率范围为１０Ｈｚ～１０ＭＨｚ，仪器输入阻抗为１ＭＷ，显示屏的刻度为８ｄｉｖ×１０ｄｉｖ，垂直分辨率为８ｂｉｔｓ，水平显示分辨率≥２０点／ｄｉｖ。

（２）垂直灵敏度要求含１Ｖ／ｄｉｖ、０．１Ｖ／ｄｉｖ两档。电压测量误差≤５％。

（３）实时采样速率≤１ＭＳａ／ｓ，等效采样速率≥２００ＭＳａ／ｓ；扫描速度要求含２０ｍｓ／ｄｉｖ、２μｓ／ｄｉｖ、１００ｎｓ／ｄｉｖ三档，波形周期测量误差≤５％。

（４）有自动设置功能，具有多种采集、触发和显示方式。

（５）仪器的触发电路采用内触发方式，要求上升沿触发，触发电平可调。

（６）系统失真小、精度高、抗干扰性强，能稳定工作在各种工作环境中。

根据上述的设计指标要求，参考基于ＡＲＭ＋ＦＰＧＡ架构的系统设计原则，我们将本系统设计成由以下几个子系统组成：模拟通道、数据采集和处理模块、系统控制模块、键盘与显示模块、电源模块和系统监控电路模块。相应的结构框图如图２所示。通道２和外部触发通道的输入信号调理电路，信号调理电路是将通道和触发信号进行放大或衰减、滤波等调理，把被测信号调节到ＶＩＰｓ＝５００ｍＶ～２Ｖ的ＡＤＣ满量程范围。数据采集和处理模块主要器件为高速ＡＤＣ和ＦＰＧＡ。ＡＤＣ负责将调理过的信号采集下来，ＦＰＧＡ根据触发信号对采集下来的波形值进行接收、插值和存储，并将存储的波形值传输给ＡＲＭ主控模块进行后续的处理和显示工作。考虑到系统对采样速率的高要求，我们采用了并行采样技术，利用两个５００Ｍ的ＡＤＣ分别在时钟信号的上升沿和下降沿采样来实现最高１Ｇ的采样速率。这样不但可以降低数据的数率以便后端的处理，也减少了系统成本。系统控制模块完成对系统其它模块的控制，并接收ＦＰＧＡ传输来的波形值，根据键盘的操作对波形和菜单进行实时的显示与更新。它还完成系统与上位机的通信。本系统对系统任务进行了合理的分割，引入了嵌入式实时操作系统μＣＯＳ－Ⅱ来调度系统的各个任务。键盘与显示模块主要完成系统的人机交互工作以及波形和菜单的实时显示和更新。本系统采用一个单片机单独管理键盘，一个ＬＣＤ显示器作为系统的显示部件。操作者每一次按键时，单片机都向主ＣＰＵ发出一个中断，主ＣＰＵ响应键盘的中断，并对键语进行分析，根据操作者的要求实时地更新菜单和波形。电源模块完成对系统的供电功能；系统监控电路模块完成对整个系统运行状况的实时监控工作，一旦发生异常，复位整个系统。

图２数字存储示波器系统结构框图

５系统软件设计

系统采用硬件描述语言，ＶＨＤＬ，按模块化方式进行设计，并将各模块集成于ＦＰＣＡ芯片中，然后通过Ｑｕａｒ－ｔｕｓｌｌ４．１软件开发平台，对设计文件自动地完成逻辑编译、逻辑化简、综合优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，最后对ＦＰＧＡ芯片进行编程，实现系统的设计要求。

系统主要实现的功能是提供良好的人机交互功能，包括显示波形、键盘控制和通信等功能。系统软件设计的目标是在硬件的基础上，能实现所设计的各种功能，而且系统的稳定性要好，实时性要高。本系统主要实现系统的初始化、信号的采集与转换、存储、显示及通信等功能。本系统的软件整体框架如图３。初始化部分是系统加电后首先执行的动作，主要完成的任务有：定义程序中使用的全局变量或数组，并对其进行初始化；对液晶进行复位，向液晶发初始化命令，清除液晶显示缓冲区、初始化液晶模块内部寄存器等；进入显示主界面；设置默认的衰减／放大倍数；设置触发产生电路的触发信号比较电平；初始化键盘扫描电路；初始化触发电路，其中包括触发信号是来自内部还是外部，上升沿还是下降沿触发，自动触发还是单次触发等；根据时基大小设置采样时钟的分频比。初始

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