示波器文献综述

目录

目录

目录 (1)

1、项目概述 (2)

2、数字示波器的基本原理及特点 (2)

2.1、基本原理 (2)

2.2、主要特点 (2)

2.3、主要技术指标 (3)

3、系统总体设计方案 (4)

3.1、方案论证比较 (4)

3.2、系统详细功能图 (7)

3.2.1、程控放大 (7)

3.2.2、高速A/D (7)

3.2.3、FPGA (8)

3.2.4、ARM处理器 (8)

4、参考文献 (8)

1、项目概述

示波器作为电子工程师常用的一种电子测量仪器，它能测试出高速变化的信号的不同电量，如电压、电流、频率、相位、调幅度等等。能够帮助工程师快速发现设计者存在的问题，用途十分广泛。然而传统的示波器体积大、功耗高、价格昂贵、对工作电压要求高等等的特性，让传统的示波器只能使用在实验室中，对于需要现场测量的一些信号，就可能有心无力了。相比较而言，手持示波器体积小，功耗低，工作电压要求低，使用方便灵活。手持示波器正在以这些优秀的性质，在市场上占据越来越多的比重。目前，国内具有自主知识产权的数字存储示波器产品还非常少，高昂的价格阻碍了数字存储示波器在生产和试验中广泛的应用。在研究剖析数字存储示波器产品工作原理的基础上，本文利用ARM+FPGA设计示波器，并详细论述了其设计和实现过程

2、数字示波器的基本原理及特点

2.1、基本原理

数字示波器就是利用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，然后存储在半导体存储器FIFO中，需要时从FIFO读取相应的数据，通过ARM处理器将读取到的数据显示在TFT彩屏之上。数字示波器的主要性能取决于A/D转换器、FIFO读写速度、微处理器等，因此，相比较模拟示波器而言，数字示波器精度更高，处理速度可以达到更快。

2.2、主要特点

与模拟示波器相比较，数字示波器有很多特点，主要如下：

1、具备波形存储的功能，存储的时间可以无限延长，对于观察单次脉冲信号极为重要。

2、波形的存储取样与显示是两个独立的环节，对于较高频率的信号可以采用高速的采样及存储，对于频率低的信号可以较低速率的取样与存储。显示部分可以选择一个相对固定的读取速度，以获得较清晰稳定的波形。

3、测量准确率高，采用晶体振荡器作为时钟输入，数字示波器有很高的测时准确性，同时高分辨率的A/D 转换器，也使测试的结果精度大大提高。

4、示波器可以有很强的数据处理能力，内部使用微处理器，能实现多种参数的测量，如上升时间，下降时间，峰峰值，脉宽等参数，还能对波形进行频谱分析，实现平均值，取上下限等复杂的运算处理。

5、可以与外部进行通讯，有了数据外部接口，数字示波器可以方便的将存储的数据发送到计算机或其他的外部设备。通过计算机实现更复杂的数据分析及运算处理。

2.3、主要技术指标

（1）频带宽度

当示波器输入不同频率的等幅正弦信号时，屏幕上显示的信号幅度下降3dB 所对应的输入信号上、下限频率之差，称为示波器的频带宽度，单位为MHz 或GHz 。

（2）采样速率：

采样速率是指单位时间内在不连续的时间点上获取模拟输入量并进行量化的次数，也称数字化速率，单位用Sa/s （ Sampling/s ）表示。

用每秒钟完成的AD 转换的最高次数来衡量。常以频率来表示，取样速率越高，反应仪器捕捉高频或快速信号的能力愈强。取样速率主要由AD 转换速率来决定。数字存储示波器的测量时刻的实时取样速率可根据被测信号所设定的扫描时间因数(即扫描一格所用的时间)来推算。其推算公式为

div t N f /

（1） 式中，N 为每格的取样点数，t 为扫描时间因数。

在进行信号数字化的时候为保持足够的信号细节，就要求采样时钟的频率至少应为信号本身所包含的最高频率的两倍。这个要求通常成为香农采样定理或者乃奎斯特定律。

然而，为了避免混叠现象和较好的再现所测信号的波形，示波器的采样率一般需要达到被测信号频率的10倍甚至20倍以上。如此的话，在不少情况下，就会存在显示点数不够

的问题，例如用采样率为500MS/s的示波器观测100MHz的正弦信号，则每个周期上只显示5个采样点，观测效果较差。

(3)分辨率

分辨率指示示波器能分辨的最小电压增量，即量化的最小单元。它包括垂直电压灵敏度(电压分辨率)和水平时间灵敏度(时间分辨率)。垂直电压灵敏度与AD转换的分辨率相对应，常以屏幕每格的分级数(级/div)或百分数来表示。水平时间灵敏度由取样速率和存储器的容量决定，常以屏幕每格含多少个取样点或用百分数来表示。取样速率决定了两个点之间的时间间隔，存储容量决定了一屏内包含的点数。一般示波管屏幕上的坐标刻度为8*10div(即屏幕垂直显示格为8格，水平显示格为10格)，如果采用8位的AD转换器(256级)，则垂直分辨率表示为32级/div，或用百分数来表示为1/256=0.39%：如果采用容量为1k 的RAM，则水平分辨率为1024/10=100点/div。

(4)存储容量

存储容量又称记录长度，它由采集存储器(主存储器)最大存储容量来表示，常以字为单位。数字存储器常采用256，512，1K等容量的高速半导体存储器。

3、系统总体设计方案

本章主要对数字存储示波器的外部特性进行分析，描述示波器的主要功能及示波器的输入与输出阐述示波器功能的基本框图与基本原理。

3.1、方案论证比较

方案一：采用80C51单片机为控制核心，其系统框图如图3.1.1所示。对输入信号进行放大或衰减后，用外接触发电路产生触发信号，通过A/D转换将模拟信号转换成数字信号，再通过单片机将数据锁存至外部RAM，然后由单片机控制将数据送至D/A输出。