数字示波器设计报告

数字示波器设计（2007年全国电子设计大赛本科组C题）

（准备电子大赛作品）

电科1002班

组员：杨荣 20102548

郭星灵 20102536

孙宇航 20102541

示波器是使用广泛的测量仪器，传统的模拟示波器在观察周期性、重复频率较高的波形时比较精准，但是在测量不能重复出现的单次信号、持续的非周期信号以及重复频率较低的周期信号时却表现不佳。数字示波器正是根据上述要求而被提出来的。目前数字示波器主要有独立仪器、附加仪器及虚拟仪器等工作形式。

本设计是附加仪形式的数字示波器。本设计以单片机和FPGA为控制核心，配合触发电路、前级信号放大电路、取样保持电路、数据采集电路和后级信号处理电路等外围电路处理模块，完成信号波形数据处理及显示的功能。本系统遵循智能化、操作方便、测量精准等思想。可以完成以实时采样和等效采样方式对输入频率在10Hz－10MHz范围内的信号进行采样和处理并在水平和垂直方向分别分档显示的功能。此系统还可以实现单次触发、波形存储等功能。

数据采集

数字示波器采样方式包括实时采样、等效采样。等效采样又分为随机采样和顺序采样。

实时采样对每个采集周期的采样点按时间顺序采取，对这些采样点的数据进行顺序表达就可以再现信号波形。根据奈奎斯特采样定理采样频率必须至少是被测信号的2倍。为了避免产生混选现象，目前实时采样DSO的采样频率一般为带宽的4-5倍，同时还必须采用适当的内插算法，否则采样速率还要更高才能达到要求。随机采样是指每个采样周期采集一定量的样点，经过多个采样周期的样点积累，最终恢复出被测波形。顺序采样方式主要用于数字取样示波器中，能以极低的采样速率（100-200kHz）获得极高的带宽（50GHz）并且垂直分辨率一般在10bit 以上。由于这种示波器每个采样周期在波形上只采一个点，每次延时t时间，要想采集足够多的样点，则需要更长的时间才行。

为了在A/D采集速率小于1MHz，而测量带宽达到10MHz的要求，本方案采取等效采样方式进行数据采集。

控制方式

在控制方式上可以分为纯单片机控制方案、可编程序控制器方案和单片机及可编程序控制器方案三种。纯单片机控制方案实现起来简易灵活，但难以实现高速的波形数据采集及处理。可编程序控制器方案便于实现复杂的时序控制逻辑，适合与对波形数据进行存储和高速采集的需求，但人机操控界面实现起来较复杂且耗费资源。结合以上两种方案的优点本设计采用单片机和可编程序控制器相接合的方式来实现系统功能。

实验设计方案：

一、硬件系统设计

滤波电路模块

作为信号波形的测量显示仪器，数字存储示波器受外界噪声的影响是非常严重的。为了降低噪声的影响，各种滤波电路是不可或缺的。本方案中我们在各级放大电路的输入端都加入了低通和高通滤波环节，电路如图2中所示。在整个电路的电源输入端加入了大小电容，起到一定的滤波和稳定电源的作用。

1.阻抗匹配电路：

采用OPA690为运算放大器的电压跟随器为阻抗匹配电路，完成1.5MO的阻抗匹配。

2.前级放大电路：

采用OPA690运算放大器组成反向比例放大电路，采用CD4501数控模拟开关

连接不同的电阻来产生不同比例的放大倍数，从而完成对不同峰—峰值的信号进行放大，进而对数字示波器的1V/div 、0.1V/div 、2mv/div 不同档位进行调节。（原本设计的是用CD4501，但是没有买到，所以采用的是手动开关）

3.采样保持电路：

采用2片OPA690组成电压跟随器，一片TS12A4514为数字控制模拟开关，

一片100pf 为保持电容，从而完成对高频信号的采样保持。

OUT

8VEE 5

GND

3VIN

2

S /H

7VCC

1U10

AD781

UII +15V

-15V

TP

I O

4.触发电路： 采用MAX913组成电平触发电路。

5.AD转换电路：

AD转换芯片采用的是ADS830，OPA690为AD转换前的后级放大电路（同比放大2倍）。

（同比放大电路）

（ADS830用户手册推荐的AD转换电路）

二、软件部分设计

1、单片机软件部分

单片机的软件部分主要是完成人机交互功能、控制触发电路信号的处理、信号波形数据存储、档位调节等功能。图6 为其程序流程图。

2、FPGA软件部分

本设计中FPGA的控制起着关键作用，它控制着信号的采集时序、波形数据处理时序及波形输出处理等。它的可靠工作保证了系统各部分功能的协调一致，该部分设计是整个系统的关键。下图为其程序流程图。

以上的应用分别发挥了单片机和FPGA的优点，使系统可以正常工作。其中单片机程序以汇编语言编程，FPGA程序以VerilogHDL编程。

设计总结

1、系统测试结果

在各个模块和整体调试完成后，我们对比赛中设计制作的数字示波器进行了相应功能测试。本设计基本完成了题目要求，实现了基本要求的功能和一些发挥部分的功能。

2、主要测试结果如下：

（1）基本实现了对在一定频率范围内的周期信号的波形显示。仪器输入阻抗可以达到1M 。采用普通示波器可以在8 div×10div内显示波形，垂直分辨率为8bits，水平显示分辨率≥20点/ div；

（2）实现了1V/div、0.1V/div两档垂直灵敏度以及20ms/div等三档水平灵敏度测试；

（3）此数字示波器采用内触发方式的上升沿触发并且触发电平可调；

（4）显示的波形基本不会产生明显失真；

（5）增加了存储/调出功能，可以对波形进行存储和调出；

（6）增加了单次触发功能，被测信号在一定频率范围内可以进行单次触发；

（7）可以提供频率为100kHz的方波校准信号。