数字存储示波器设计

目录1前言 (1)2总体方案设计 (2)2.1 系统设计要求 (3)2.2 比较方案 (4)2.3 方案论证 (5)2.4 方案选择 (5)3硬件系统设计 (6)3.1 衰减和增益控制电路 (6)3.2差分电路 (7)3.3 采集控制逻辑 (8)4 软件系统设计 (10)4.1 波形显示模块 (10)4.2 触发控制模块 (11)4.3 触发控制子VI模块 (12)4.3通道选择模块 (16)4.4档位设置模块 (18)4.5停止运行模块 (19)4.6数据存储模块 (20)5 系统调试 (22)第 1 页1前言虚拟仪器是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。

虚拟仪器的突出优点在于能够与计算机技术结合，将计算机资源与仪器硬件，数字信号处理技术与不同功能的软件模块结合，组成不同的仪器功能。

虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素，硬件功能是获取被测的物理信号，提供信号传输的通道；软件则是实现数据采集、分析、处理、显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的一体化环境。

总体而言，虚拟仪器硬件以VXI、PXI 等先进的计算机接口总线发展为标志，而软件技术则是以VISA、SCPI、IVA 等标准和LabVIEW、LabWindows/CVI 等先进开发平台为核心，构成一个完整的虚拟仪器技术体系。

波形分析是信号处理中重要的分析手段。

虚拟示波器的出现改变了原有示波器的整体设计思路，用软件代替了硬件。

将传统仪器由硬件实现的数据分析与显示功能，改由功能强大的计算机及其显示器来完成，使工程技术人员可以用一部笔记本电脑到现场就可轻松完成信号的采集、处理及频谱分析和波形分析。

LabVIEW(实验室虚拟仪器集成环境)是NI 公司(美国国家仪器公司)的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境，可实现数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试等实验室研究和工业自动化领域的实际任务。

LabVIEW 从基本的数学函数、字符串处理函数、数据运算函数、文件I／O 函数到高级分析库，包括了信号处理、窗函数、滤波器设计、线性代数、概率论与数理统计、曲线拟合等，涵盖了仪器设计中几乎所有需要的函数。

LabVIEW 的功能模块包括数据采集、通用接口总线和仪表的实时控制、数据分析、数据显示以及数据的存储。

拥有大量数据采集和仪表控。

制的功能模块和开发工具，因此，LabVIEW 可以编出外观和功能都与真实仪表很相似的程序第 2 页2总体方案设计作为一个成功的设计方案的设计和确定是必不可少的，下面我们来介绍本设计的设计要求和方案确定。

1．数字示波器原理数字存储示波器是用 A/D 变换器把模拟信号转换成数字信号，然后把数据存储在半导体存储器 RAM 中。

当有需要时，将 RAM 中存储的内容调出，通过 LCD 用点阵或连线的方式再现波形，其原理框图可以参考图 2.1。

在这种示波器中信号处理和信号显示功能是分开的，它的性能主要取决于进行信号处理的AD 、RAM 和微处理器的性能。

由于采用 RAM 存储器，可以快写数慢读数，使得即使在观察缓慢信号时也不会有闪烁现象。

2．虚拟数字存储示波器组成PC机图2.1 虚拟数字存储示波器虚拟示波器将计算机和测量系统融合于一体，用计算机软件代替传统仪器的某些硬件的功能，用计算机的显示器代替传统仪器物理面板。

通过相关的软件可以设计出的操作方便、形象逼真的仪器面板，不仅可以实现传统示波器的功能，而且具有存储、再现、分析、处理波形等特点，还可以进行各种信号的处理、加工和分析，完成各种规模的测量任务。

而且仪器的体积小、耗电少，方便携带，可以在不同的计算机上使用。

因此，在SJ-8002B 中，也引用了虚拟数字存储示波器的原理来实现数据的采集。

其中的信号调理、AD 转换、存储数据的SRAM 以及控制逻辑都在是实验平台中，计算机主要起到了数据的处理和显示的作用。

图2.1为设计功能总体流程图：第 3 页图2.1设计功能总体流程图2.1 系统设计要求数字存储示波器是虚拟仪器平台测控系统输出部分中常用的电子测试仪器之一，是一种分析和比较信号的综合性仪器，能在荧光屏上将电压或电流以时间函数的形式描绘出来，是电信号的时域测量和显示仪器。

它的主要功能是精确复现作为时间函数的电压波形，显示的波形用来确定数量的信息(如幅度、频率)，也可用来获得其质量的信息(如波形)；还可用来比较两个不同的波形，并测量它们的时间和相位关系。

本文介绍利用LabVIEW 应用开发环境，开发的简单双通道虚拟示波器。

第 4 页2.2 比较方案本设计初步构思的方案包括一下两种，具体介绍如下。

2.2.1 方案一：基于LabVIEW 的数字存储示波器。

其主要功能包括：3种通道信号输入、触发控制、通道控制、幅度调整控制、波形显示、程序运行停止、数据存储等。

基本性能如下：数据采样速率为100KSPS(千次采样每秒)，分辨率为12 bit；波形显示模式为通道CH1或CH2或ALL；电压参数测量为Vrms 和Vpp 波形类型为双踪示波；通道选择为通道0或1。

数字存储示波器主要由软件控制完成信号的采集、处理和显示。

其功能结构如图2.2所示，最终能实现数据采集、处理、显示等功能。

图2.2 示波器功能结构2.2.2 方案二：基于易控（INSPEC）和单片机数字存储示波器。

其工作原理为：采用STC89C51单片机作为下位机，计算机作为上位机，用工控组态软件易控（INSPEC）实时监控现场信号，上位机通过RS232串口读下位机送入串口中的电压值数据，并且通过串口将数据送回上位机显示在屏幕上，在易控软件上作出仿真界面并作为其实现功能的平台。

第 5 页图2.2方案二总体方案方框图2.3 方案论证方案一：该方案是采用LabVIEW 实现数字存储示波器的功能，使用LabVIEW 进行编程使得整个设计稳定可靠且实现成本较低。

利用LabVIEW 进行产品开发可以极大地提高开发效率, 将LabVIEW 软件开发与串口通信结合设计开发数据采集系统和控制硬件设备,不仅能节约大量开发时间和减少硬件成本,还可以为今后的系统升级留有很大空间。

对于用LabVIEW 编写的程序，我们可以将所有需要的文件，包括主vi 和所有子vi，以及用到的文本文件等附属文件，都放置到一个文件夹中，并确保所有程序都能正确执行。

然后进行相应的操作，我们可以将其转换成可执行文档（.exe）,也可以将其转换成SETUP 文件（安装文件），因此，就可以在不同的计算机上运行，即使你的计算机没有安装LabVIEW 软件也不用担心不能运行了，所以使用LabVIEW 设计的系统还具有很好的可移植性。

方案二：该方案是利用STC89C52单片机作为下位机，计算机作为上位机，用易控软件平台作为监控显示采集的数据。

虽然该方案也能实现电压检测的功能，但是其移植性比较差。

2.4 方案选择总体来说，上述两个方案的原理都差不多，差别在于上位机使用的监控软件不同。

方案一的设计采用LabVIEW 作为监控软件，在系统运行的稳定性和可移植性上都优于方案二，所以通过比较，最后决定选择方案一。

第 6 页3硬件系统设计本设计分为硬件设计和软件设计两大部分，下面我们首先介绍本次设计硬件部分设计。

其硬件原理如图3.1所示：3.1示波器硬件原理图图3.1为示波器模块的原理框图。

由图可见，首先是通道1，2接收到信号的的输入，到达衰减增益电路，通过采样频率，触发方式，采样控制逻辑， FPGA 的内部电路，EPP 控制电路来实现对衰减电路的控制输出，使它进入高速的A/D 转换器AD9288，并符合它的测试范围要求，经过9288的转化和采样频率等的控制使数据进入SRAM，最终通过EPP 接口来实现高速的采集，与此同时EPP 接口也控制着采样频率，触发方式等状况。

高速采集的双通道是完全独立的，因此可以完成多种不同的测试任务，实现虚拟双踪数字存储示波器的各种功能。

3.1 衰减和增益控制电路由于示波器的测试范围（-20V~+20V）比AD9288的测试范围（0.5V~1.5V）宽，因此，在采集电路的前端加入信号衰减和信号增益两级幅度调整电路，保证测量的正确性以及提高测量的精确度。

第 7 页1, 1/10图3.2 衰减电路输入通道的第一级是高阻衰减电路如图3-2所示，这样可以保证数字示波器有较高的输入阻抗，同时把较大的输入信号经过衰减，以满足后续电路，K1，K2的衰减倍数都为1或1/10。

这里通过继电器S1，S2来实现电路的切换。

通过设置衰减器的通断设置初级放大系数A1=0.05、1.25、2.5、5;幅度的粗调和直流偏移部分是由12位DAC7512来控制。

通过电子开关改变运放的增益，从而实现幅度的调节。

次级放大系数为A2=×4，则总的通道增益的放大倍数为 A=K1*A1*K2*A2.3.2差分电路由于AD9288采用了差分输入，所以需要将实验板的模拟输入的直流耦合单边信号，无失真的转化为差分信号，并将信号的幅度进行平移即加入一个偏置电压，以满足AD9288 0.5V～1.5V 的输入要求。

本实验板采用了如下的通道电路实现信号的转换。

第 8 页图3.3 差分信号转化电路信号从AD8054第5脚送入到图5－5 的整个差分电路中，最终从VINA 和＃VINA 送出差分信号，直接将差分信号送入到AD9288中，由于AD9288允许的输入伏值是0.5V －1.5V，所以在差分电路中我们加入了一个1V 的偏置电压，使得最终的差分信号输出的伏值能够满足AD9288的输入电压的要求，另外相应的交流电压输入也有一定的限制才能够满足AD9288允许输入伏值的要求。

3.3 采集控制逻辑采集部分的关键器件是ADI 公司的AD9288，它是8bit 双通道含有采样保持电路的单片集成的模/数转换器，具有低功耗、体积小、动态特性好、易于实用的特点。

双8bits、40MSPS，低功耗（每个通道90mw），SNR=47DB（在41MHz 时），每个通道的模拟输入范围1.024Vp-p，中心电平Vin0=1/3 Vdd，3.0V 模拟供电（2.7V-3.6V），两种数据输出模式（补码或原码），电平兼容TTL/CMOS。

第 9 页示波器的硬件控制主要分为数据写入（采集）和数据读出（显示）两个部分。

其中控制逻辑全部都存储在FPGA 内部，如图5-4所示：机图3.4 示波器的硬件控制逻辑Ain1和Ain2通道接入同样的采样时钟，将差分电路的差分信号同时送入AD9288中进行转换。

转换后的数据经过缓冲器，送至SRAM 锁存。

当一次采集完成后，由主机读回数据，进行进一步的处理，如滤波、显示等。

数据写入：AD9288在采样时钟CLK 的控制下，将两路差分输入模拟信号CH1和CH2数字离散化为8bit 数字信号经过数据缓冲器送至SRAM。