简易数字存储示波器

简易数字存储示波器

一、设计任务及要求

要求

（1）要求仪器具有单次触发存储显示方式，即每按动一次“单次触发”键，仪器在满足触发条件时，能对被测周期信号或单次非周期信号进行一次采集与存储，然后连续显示。

（2）要求仪器的输入阻抗大于100kΩ，垂直分辨率为32级/div，水平分辨率为20点/div；设示波器显示屏水平刻度为10div，垂直刻度为8div。

（3）要求设置0.2s/div、0.2ms/div、20μs/div三档扫描速度，仪器的频率范围为DC～50kHz，误差≤5%。

（4）要求设置0.1V/div、1V/div二档垂直灵敏度，误差≤5%。

（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）观测波形无明显失真。

二、设计方案

数字存储示波器系统由信号调理电路、采样保持电路、触发电路、A/D、D/A、X输出电路、Y输出电路、控制处理器等组成。每隔一端时间对输入的模拟信号进行采样然后经过A/D转换，把这些数字化后的信息按一定的顺序存入RAM中，当采样频率走高时，就可以实现信号的不失真存储。当需要观察这些信息时，只要以合适的频率把这些信息从存储器RAM中按原顺序取出，经D/A转化后送至示波器就可以观察到稳定的还原后的波形。

三、相关参数计算及芯片选择

1、A/D的选择

根据题目要求垂直分辨率为32级/div,示波器上共8格，即要分为256级，因此可选用8位A／D。又由于水平分辨率为20点/div,所以对应于三档扫描速度0.2s/div,0.2ms/div,20us/div的采样速度应分别是100HZ，100KHZ和1MHZ。分析如下：设扫描速度为Ｘs/div,要求水平分辨率为２０点／div,所以每点的取样时间间隔为X/20s,即取样信号的频率为（20÷X） HZ。因此，当要求三档扫描速度分别为0.2s/div,0.2ms/div,20us/div时，相应的三档采样频率应分别100HZ，100KHZ，1MHZ。由于最高采样速率达到１ＭＰＳ，所以普通的Ａ／Ｄ难以满足要求，因此我们选用了ＴＩ公司的８位ＣＯＭＳ ADC TLC5510。该芯片用单5V供电，转换速率最高可达到20MPS，内部带有采样保持电路和基准电阻。该芯片的最大优点就是速度快，控制简单。相关资料如下：

封装形式

TLC5510模数转换器内含时钟发生器、内部基准电压分压器、1套高4位采

样比较器、编码器、锁存器、2套低4位采样比较器、编码器和1个低4位锁存器等电路。TLC5510的外部时钟信号CLK通过其内部的时钟发生器可产生3路内部时钟，以驱动3组采样比较器。基准电压分压器则可用来为这3组比较器提供基准电压。输出A／D信号的高4位由高4位编码器直接提供，而低4位的采样数据则由2个低4位的编码器交替提供。

内部结构如图

推荐的工作条件如下：

其工作时序如下：

2、存储器的选择

由于最高采样速度是１ＭＰＳ，所以要求存储器的最大存取时间应小于１us。由于要求水平分辨率为20点/div，而模拟示波器上共有１０格，即每一次扫描应有２００个点，所以存储量仅需２００个单元。当对输入信号一次采集时，假设最大满屏显示一个周期的信号，则存储１０个周期的信号就已经超额满足题目的要求，因此存储量选为2K我们选择的RAM是HM6116。HM6116是一种2K*8位的高速静态CMOS随机存取存储器,其基本特征是：

（1）高速度------存取时间为100ns/120ns/150ns/200ns(分别以6116-10、6116-12、6116-15、6116-20为标志)。

（2）低功耗——运行时间为150mW,空载时为100mW。

（3）与TTL兼容。

（4）管脚收出与标准的2K*8b的芯片（例如，2716芯片兼容）。

（5）完全静态——无须时钟脉冲与定时选通脉冲。

（6）HM6116有11条地址线（A0~A10）、8条数据线（I/O1~I/O8）、1条电源线、1条接地线GND和3条控制线——片选信号CE、写允许信号WE和输出允许信号OE（3条控制线低电平有效）。这3个控制信号的组合控制HM6116芯片的工作方式，如下表：

CE OE WE 方式I/O引脚

H X X 待用（未选中）高阻

L L H 读出Dout

L X L 写入Din

3、D/A的选择

DAC0832是采样频率为八位的D/A转换器件，芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。D/A转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，还可以外接。

DAC0832引脚功能说明：

DI0~DI7：数据输入线，TLL电平。

ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。

CS：片选信号输入线，低电平有效。

WR1：为输入寄存器的写选通信号。

XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。

WR2：为DAC寄存器写选通输入线。

Iout1:电流输出线。当输入全为1时Iout1最大。

Iout2: 电流输出线。其值与Iout1之和为一常数。

Rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻.

Vcc:电源输入线 (+5v~+15v)

Vref:基准电压输入线 (-10v~+10v)

AGND:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地.

DGND:数字地,两种地线在基准电源处共地比较好.

4、信号前向调整模块的选择

信号由输入端进入经LF353进入后，再进入程控增益电路。电压跟随比较电路输入阻抗可高达500KΩ，满足技术指标。它可以减小输入信号的衰减。按键开关控制反相器不同增益。然后，信号再经低通滤波器后输出。

为了使不同幅度的输入信号都能被Ａ／Ｄ所采样，所以在采样电路的前端应对输入信号进行一定的放大／衰减。由于我们所选用的Ａ／Ｄ（TLC5510）电路的输入动态范围为0.6V~2.6V，即当输入0.6V的直流信号时，Ａ／Ｄ输出为00H，输入2.6V的直流信号时输出为FFH，而Ｄ／Ａ(DAC0832)电路输出设计为0~5V,所以当A/D的输入信号峰值为2.6V（峰峰值为5.2V）时,设示波器的垂直灵敏度定在1v/div,那么Y轴显示8格对应8V,这相当于将输入信号放大了：

2.6*2÷8=0.63倍。为使垂直灵敏度为0.1v/div，显示对应0.8V，前向通道需要放大5.2÷0.8=6.25倍，同理可得当垂直灵敏度为0.01V/div时前向通道需要放大62.5倍。

5、采样速率选择

当要求三档扫描速度分别为0.2s/div,0.2ms/div,20us/div时，相应的三档采样频率应分别100HZ，100KHZ，1MHZ，单片机使用的晶振为12MHz，因此需要