简易数字存储示波器设计 显示器 键盘 YX 通用示波器 主讲人 DSO 有关现代显示技术 扫描显示光栅显示点阵显示 本赛题是 CRT扫描显示电子测量的一种典型技术 赛题任务书 一任务 设计一简易数字存储示波器 简易DSO 二要求 1 信号频率 DC 50kHz Ri 100k 2 垂直 32级 div 水平20点 div 屏幕面积8 10div2 3 垂直灵敏度 0 1V div 1V div 误差 5 4 水平扫速 0 2s div 0 2ms div 20 s div 误差 5 5 单次触发 扩展 内触发 上升沿 电平可调 6 显示波形无明显失真 1 基本要求 赛题任务书 赛题任务书 要求 2 发挥部分 1 连续触发存储方式 并有 锁存功能 2 双踪显示 3 水平移动扩展一倍 4 垂直灵敏度0 01V div 低输入噪声电压 赛题任务书 主要内容 对赛题要求的分析 方案讨论 部分电路设计及模拟 安装调试 测试结果 小结 展望 简易数字存储示波器设计 解析 1 工作流程 采集 存储 显示 具有 A D RAM D A等主要器件 2 内触发上升沿 触发电平可调 扫描速度0 2s div 0 2ms div 20 s div 垂直灵敏度0 1V div 1V div 0 01V div 连续 移动扩展 双踪 要具有控制功能1 控制器2 人机接口 1 对赛题要求的分析 3 简易DSO组成框图 1 对赛题要求的分析 Y通道包括前向通道和后向通道 2 方案讨论 2 1采样方式的选择实时采样和等效时间采样 题中要求信号DC 50kHz 样点直接恢复方式为20点 周期 采速高达1000kHz 1 s A D转换速率1Ms s采用实时采样方式 对控制器的要求采集速率 高达1000kHz 1 s 低至20ms 决定于扫描速度 样点恢复速率 10kHz 程控增益 1V div 0 1V div 0 01V div双踪 扩展 三种方案 1 VLSI例如CPLD 2 MUC 3 MUC CPLD 2 方案讨论 2 2控制器的选择 选择方案 3 MUC和CPLD控制器框图 2 方案讨论 2 3技术指标初步分配 误差是定量指标 1 信号通道前向通道 采集 存储 2 5 后向通道 恢复 2 2 5 2 4 5 5 2 时基 时间基线 扫描速度 控制信号 采样时钟 误差忽略不计扫描电压及输出电路 2 2 方案讨论 简易DSO划分为3个部分 Y通道 前 后向通道 X通道和控制器3 1前向通道 作用 初步构思 3 部分电路设计及模拟 S1校零 S2校满度 内容信号调理电路 低通滤波器 电平移位 前向通道通道性能分析 双踪显示 触发电路 3 部分电路设计及模拟 1 输入电路 要求 Ri 100k 输入噪声电压影响 输入电阻 阻抗 对被测系统的影响Z越高 影响越小 输入电路 3 部分电路设计及模拟 取R 100k 运算放大器LF353初步核算 输入电阻Ri R Ri R 100k 输入端噪声电压3 6nV 而最高灵敏度时的测量分辨力为312 V 3 6nV 312 V 2 信号调理电路 作用使信号符合A D输入的要求 预计A D输入 2V 增益计算输入幅度灵敏度 8div8V 0 8V 0 08增益0 25 2 5 25 由程控实现 电路图 3 部分电路设计及模拟 有关解释程控开关Sn必须是模拟开关 选择集成开关MAX4501 增益调节电阻Rnn 模拟开关的内阻计人其中 补偿电容改善通道频响特性 3 部分电路设计及模拟 3 低通滤波器 作用 抗混迭采样信号的频谱混迭现象及改善方法 3 部分电路设计及模拟 抗混迭滤波器电路 有关解释运算放大器构成有源低通滤波器 二阶Butterworth低通滤波器 3 部分电路设计及模拟 4 电平移位电路假设A D要求 极性输入电压 而此前电路输出 极性电压 5 前向通道性能分析 目的 阶段性小结 内容 频率特性的模拟 元器件参数的影响 环境温度的影响 3 部分电路设计及模拟 前向通道频率特性的模拟 用EWB对程控增益放大器和低通滤波器模拟分析 3 部分电路设计及模拟 结果 3dB带宽80kHz 50kHz满足设计要求 6 双踪示波器的实现 样点采集次序交替 断续考虑最慢采样速率20ms 点 选择断续方式 样点数 页20点 div 10div 200点 256 扩展方式200 2 400点 512 电路方案 3 部分电路设计及模拟 选择方法二 7 触发电路 要求 内触发 正沿 触发电平可以调节 电路 3 部分电路设计及模拟 说明 触发信号来自A通道 采用比较器 比较电平的极性为 可以调节 输出为下降沿 向单片机申请中断 3 2信号的采样 量化 存储 DSO的基本技术 1 采样和模数转换器 A D A D的技术要求 1 转换速率20 s div1 s 点1Ms s 2 量化位数32级 div 8 256级 8div256 288bit量化误差1LSB 1 28 0 4 3 输入幅度 0 2 V选择 TLC5510 3 部分电路设计及模拟 关于TLC5510 内含S H 为半闪烁结构 flash 两个4bit并行A D组合为8bit转换速率20Ms s 输入信号 0 2 V 基准电压 2V等等TLC5510内部电路结构 3 部分电路设计及模拟 2 数据存储器要求 存储容量单踪512byte 双踪1024byte 写速率1 s 点 RAM或FIFO或双口RAM 3 电路方案 3 部分电路设计及模拟 双A D RAM实现双踪要求 3 3后向通道1 设计要求将数字信号 RAM中的数据 恢复为模拟信号并作为通用示波器的Y输入信号 8V A B信号从同一个Y端输入 要考虑的问题 信号恢复电路及器件选择 同步扫描电压 双踪显示 2 信号恢复采用器件D A恢复速率选择宜人的观察速率10kHz100 s 点256点 100 s 点 25 6ms 40次 秒 这样可以免除的高速D A的要求 是DSO的优点 D A选择DAC0832 3 部分电路设计及模拟 3 同步扫描电压设计 同步作用显示稳定的信号波形 3 部分电路设计及模拟 同步扫描电压设计两种产生扫描电压的方法 通用示波器扫描电压 要同步信号 简易DSO产生选择由简易DSO产生 扫描电压的产生用D A产生D A选择DAC0832 与信号恢复器件一致 D A输入数据为8bit 00 FF H递增 实际为阶梯波而不是斜波 关于扩展显示的信号恢复 基本思想 3 部分电路设计及模拟 恢复的数据在两个页面中取连续的256点扫描电压与前相同因此 扩展显示是移动地在两个页面中显示一个页面 关键是控制电路和软件 4 双踪显示要求 问题 A B两个信号恢复后的显示如图 a 所示 不便于观察 实际要求将A B两个信号分别显示在通用示波器屏幕的上下方 如图 b 所示 要求进行光迹分离 3 部分电路设计及模拟 光迹分离两种方法 电平位移 数据处理 5 数据恢复电路 3 部分电路设计及模拟 有关解释 D AYA D AYA和D AX分别用于恢复A B信号和产生扫描电压 AY和AX为Y和X的输出电路 在同一地址的A B数据分时地进行恢复 否则两信号的光迹要重叠 3 4控制器的设计控制器的作用控制 数据处理 控制器的组成控制器自身 人机接口 1 键盘性质矩阵扫描非编码键盘组成 8个键 3 部分电路设计及模拟 对键盘的解释 1 按下的键状态为 0 2 s div和V div为 1键编码关系见表6 1 3 默认的仪器工作状态 0 2ms div 0 1V div 4 扩展移动键每按一次 5 5 底层控制器 CPLD 扫描键盘 有键按下时向顶底层控制器 单片机 申请中断 6 仪器的复位键 RESET 不属于键盘管理 3 部分电路设计及模拟 3 控制器的硬件设计 1 DSO的操作时序键盘输入 相关设置 启动等待触发仪器操作 采集 存储 数据处理 信号恢复 显示 见图6 20 例如 3 部分电路设计及模拟 2 控制信号 3 部分电路设计及模拟 3 控制器件的选择MUCAT89C52CPLDACEX1K10AT89C528bit12MHz 8kbyteEEPROM 256byteRAMACEX1K103 5ns时钟I OEBA 512byte 可以在线编程 从存储器的配置来说 如此选择是极其有利的 4 控制器电路图 3 部分电路设计及模拟 3 部分电路设计及模拟 底层控制器电路 3 部分电路设计及模拟 顶层控制器电路 两层控制器总线连接 PartA 锁存器连接直接连接 3 部分电路设计及模拟 对控制电路的说明CPLD部分 时钟信号产生电路 PartB 时钟信号种类 输入10MHz 3种采样时钟 由扫选择 和100Hz 选择时钟的编码自PartD 信号采集时 数据来自A D Reset开始存储 00H 写时钟来自PartB 信号恢复时 读时钟自单片机 读允许信号自PartD 读出数据经过数据选择器至单片机 3 部分电路设计及模拟 数据存储器 PartC 锁存器 a 输出时钟选择码 锁存器 b 输出产生扫描电压的数据 锁存器 c 至前向通道控制开关 缓冲器 d 传递键值编码它们的选通由单片机P1口通过138实现 3 部分电路设计及模拟 有关的控制信号 PartD 扫描时钟100Hz 自PartB 输出行扫描信号 读入列信号 输出键值编码 至PartD 向单片机申请中断 3 部分电路设计及模拟 键盘扫描电路 PartE 对控制电路的说明单片机部分 显示器是其外设 与CPLD的连接是P0 P1口 键盘中断优线于触发中断 输出信号恢复和产生扫描电压的数据 单片机的有关设定P1口 表6 4内RAM的设定 表6 5前向通道的控制信号 表6 6补充说明 扫描速度为0 2s div时 每采样一点就显示一次 否则要产生闪烁现象 4 控制器的软件设计 根据DSO的工作过程编写 自顶向下 充分利用子程序和中断功能一个主程序和两个中断子程序 3 部分电路设计及模拟 3 部分电路设计及模拟 向单片机申请中断 再至CPLD的Reset引脚 使其从地址00H开始存储采集的数据 安装调试理论设计与实际工作之间 单元电路和级连电路之间 电路的实际负载能力 5测试结果5 1拟定测试方案 方案的组成对测试仪器的精度要求 5 2测试结果记录 测试项目要针对设计要求 单次和连续扫描 扩展功能 双踪示波 垂直灵敏度 扫描速度5 3测试结果总评价 误差 5 实事求是 中肯 5测试结果 6小结 1 模拟电路部分设计较合理 2 两层控制 3 充分利用片内存储器 4 充分利用新颖电子技术 7展望 1 采用程控电阻 2 扩展功能的再扩展 利用双扫描和CRT的Z通道 3 数字信号处理 电子设计竞赛是一项千军万马的活动 让我们在不同的岗位上共同努力