数字示波器的制作-数字存储设计制作报告

数字存储示波器设计制作报告

孙吉吉孙士友周洪亮

（控制科学系0004101）

指导教师：蔡惟铮

1．立项依据

**课题研究的目的、意义：

（1）课题研究的目的：

①通过课题的研究进一步巩固所学的知识，同时学习课程以外的知识，培

养综合应用知识的能力。

②锻炼动手能力与实际工作能力，将所学的理论与实践结合起来。

③培养团队精神，加强协作能力，增进同学间的友谊。

④尽力研究出预期成果，如有可能的话申报相关的知识产权，并使成果产

业化。

（2）课题研究的意义：

①研究过程本身可以使参与者得到极大的锻炼，为将来参加实际工作做好

准备。

②研究的预期成果可以弥补现有示波器的不足，如能实现产业化，将在低档型方面有较大市场。

**现状分析：

示波器在电子、电气、控制等领域应用十分广泛。随着计算机技术的发展，数字示波器已经实现与计算机互联、共享数据，但市场现有的示波器也有诸多不足，如价格昂贵、体积重量偏大、携带不方便等，而齐全的功能在很多的场合并不一定能够得到充分的应用。

本课题所研究的可存储虚拟示波器定位为低档型，即在性能上只需满足大多场合的基本应用，努力实现小型化，价格尽可能低廉，这样在财力有限的小用户（电子爱好者、小型企业）中能够普及，在大用户的使用中发挥便携性强的优势，与高档示波器配合使用，互相取长补短。

2．课题研究的主要内容及实施方案

**课题研究的主要内容：

本课题研究的主要内容是如何建立一套可存储虚拟示波器系统，其具体组成为：

①硬件系统：

硬件系统由计算机硬件系统和外部硬件系统组成。这里主要研究外部硬件系

统，其主要目标是实现数据采集、AD 转换、数据缓冲及压缩、数据存储、向计算机系统传输。

② 软件系统：

软件系统的主要任务是通过计算机硬件系统读取由外部硬件设备传输来的

数据，进行解压、变换、排除干扰信号、将波形显示在显示器上，并进行波形的存储、打印与分析。

在实现以上基本功能的前提下，还可以进行进一步的扩展国，如硬件系统性

能的担高、成本的降低、体积重量的减小、接口的扩展；软件系统功能的完善、用户界面的改进、数据的格式化、网络化，最终目标是产业化。

**实施方案：

本系统实施方案如下页图一所示：

**工作条件：

信号源、单片机编程器、普通数字示波器、带RS －232串口的计算机系统。

随着工作的进展对实验条件的要求可能会有所变化。

3．问题的分析与几种主要实施方案的讨论

**问题的分析 模数

转换 数据处理 计算机系统 波形显示、存储、后期处理

模数

转换

输入信号

直接传输方式

存储方式

图一：实施方案示意图

本课题的主要问题在于模拟信号向数字信号的转换。为了测

试高频模拟信号，必须采用高速的模数转换技术。采样定理

指出，要不失真地复现输入信号，采样频率必须大于等于输

入信号频率上限的二倍，但在实际工作中，要得到较理想的

输入信号的波形，在输入信号的每个周期必须采十个以上的

数据点。这样绘制出的波形图才能比较准确地反映输入信号

的特征。因此，高速采样及模数转换技术成为本课题的主要

重难点。

**几种方案的讨论

在本课题的研究过程中，我们提出了以下的方案以解决该问

题。

（1） 直接AD 采样

该方案采用市售高速AD 转换芯片，直接对输入信号进行采样、转换，然后

存储在单片机或RAM 中。

该方案的主要优点是软硬件设计简单，且有很多现成的资料可以参考。缺点

在于速度与价格难以兼顾，市售高速AD 转换芯片的价格与速度基本成指数关系，而且有很多高速AD 转换芯片难于购买。因此，以较低的价格只能得到较低的性

能。另一方面，从科技创新本身来说，本方案的技术已经相当成熟，真正创新的

内容不多。

（2）取样示波器方案

所谓取样示波器，就是在一个周期信号的不同周期采样，从而获得周期信号

的信息。

如图二所示：对于输入信号，设其周期为T ，如果能够准确地得到其T /n 的时间，那么就可以每隔T n m ⨯⎪⎭⎫ ⎝

⎛+1时间采样一次，采n 个数据点，实际上与在一

个周期内采n个数据点是等价的。

此外，如果将逐次比较AD转换的各次比较过程分在各个不同的周期，但都对应相同的相位，从理论上来说于在一个周期内采样是等价的，而每次比较的时间总比完整的转换时间短的多，因此分周期逐次比较可以对频率更高的输入信号进行采样。

图二A：直接采样方案示意图

图二B：隔周期采样方案示意图

该方案的主要优点是可以采集很高频率的周期性输入信号。但该方案的难点也是很明显的：如何准确获取T/n的时间。

在本课题的研究过程中，我们曾尝试用集成锁相环CC4046来实现此功能，通过计数器与CC4046可以实现对经过整形的输入信号2101分频，再21倍频，

实质上就是锁定输入信号周期的211100

的时间。但发现在倍频时CC4046很难锁定，几乎得不到稳定的输出波形。因此该方案最终被放弃。 事实上，该方案还是有前景的。可以考虑使用稍高档的集成锁相环，可能可

以解决失锁的问题，另外，如果采用数字锁相环，或者用单片机结合PLD ，可以

实现数字锁相，从而得到更精确更稳定的取样控制脉冲信号。

（3）电压比较方案

以上两个方案都是通过在特定的时刻对输入信号采样而得到输入信号的信

息。但由于输入信号是模拟量，就必须进行AD 转换，而AD 转换的速度限制了

整个采样及转换过程的速度的提高。与之相比，使用高频时钟（74LS 系列的计数

器理论最高时钟频率都可达到数十MHz ）和多位计数器计时，可以非常容易地把

时间变为数字量。该方案避开AD 转换，而通过DA 转换输出一个参考电压，将

输入信号与参考电压进行比较，记录比较器输出翻转的时刻，这一时刻可以认为

是输入信号与参考电压相同的时刻，而且可直接从计数器中读出该时刻对应的数

字量；对于周期信号，与方案（2）中类似，在不同的周期中采样，可以采集非

常频率高的周期信号。

图三：电平比较方案示意图

该方案的主要难点是比较器上的干扰如何抑制。在实验中，发现比较器的输

入端干扰非常大，这与我们的实验条件有一定关系。最终还是没能克服这个问题

而放弃了该方案。

（4）频域分析方案