数字示波器陈林辉 夏效禹 伍玉摘要：本系统基于数字示波器原理，以单片机和FPGA为控制核心，由阻抗变换模块、峰值检波模块、程控放大模块、采样模块、频率测量模块以及校准信号产生模块等构成。实时采样速率小于1MHz，等效采样速率大于200MHz，系统输入频率范围10Hz10MHz，幅度范围16mV 8V。垂直灵敏度有1V/div、0.1V/div、2mV/div三档，水平灵敏度有20ms/div、2ms/div、1ms /div、40s /div、20s /div、2s /div、200 ns/div、100 ns/div八档。信号幅度测量误差小于5%，周期测量误差小于5%。关键字：示波器 程控放大 等效采样1 方案比较与选择1.1 采样方案选择方案一：实时采样。在信号的周期内对其采样，可以在信号经历的时间内显示其波形。根据奈奎斯特采样定理，能不失真地恢复信号的条件是抽样信号的频率需要为信号频率的2倍以上。在实现过程中，事实上需要一个周期内采样8个点以上才能比较正确地恢复原来波形。由此，对于10MHz的信号，需要大于80MHz的采样率的A/D转换器。方案二：等效采样。将周期信号的一个周期分为N个部分，分别在不同周期内采集N个部分的点，可以等效为在一个周期内采集到了N个点，于是可以用较低频率的采样时钟以很高的等效采样率对高频信号进行采样。本系统需要以小于1MHz的实时采样率对频率10Hz到10MHz的信号进行采样，且一个周期至少采集20个样本点，因此对于频率小于50KHz的信号进行实时采样，对于频率高于此的信号进行等效采样。最高等效采样率为200MHz。1.2 触发方案选择 系统要求采用内部触发方式，即以输入信号本身为系统提供触发。方案一：模拟电路方案。采用比较器电路，将被测信号与触发电平进行比较，以整形后得到的方波信号的上升沿产生触发。该方案电路简单，但是随机噪声经过比较器容易引发尖脉冲而导致误触发。方案二：数字方案。在FPGA内设触发电平，用A/D对输入信号进行实时采集，当采集到的电压等于触发电平时，产生触发。但是由于A/D的采样率和位数有限，不可能每次都采集到等于触发电平的点。若将触发电平设置为一段合适的电压范围，可以保证输出信号波形稳定。综上所述，采用方案二。1.3 峰值检测方案选择方案一：二极管峰值检波电路。该峰值电路是由二极管和电压跟随器构成，当输入信号正半周通过时，检波管导通，对电容充电；适当选择电容值，使得电容充电速度大于放电速度，这样电容两端的电压可以保持在最大电压处而实现峰值检波。该电路能够检测信号的频率范围很宽，但是信号频率低，检波输出波纹很大；且当输入信号幅值小于0.6V时，检波误差很大。方案二：有效值检波。采用真有效值检波芯片AD637，实际应用时只需要在芯片的外围添加适当的电阻、电容即可。该方案硬件简单，精度很高，但是被测信号频率无法达到10MHz。方案三：数字方法检测。将采集到的一个周期内的信号进行数据处理，找出其最大值点，即为信号峰值。由于系统已经进行了波形信号的采集，若能在示波器上输出一个完整、不失真的正弦波形，那么有理由认为采集到的点的最大值即为信号的峰值。该方案简单，且无需额外的电路，只需做简单的数字信号处理。综上所述，选择方案三。1.4 频率测量方案 将信号比较整形为等频率的方波，再送入FPGA内进行频率测量。方案一：直接测频法。在确定的闸门时间内，利用计数器记录待测信号通过的周期数，从而计算出待测信号的频率。此方案对低频信号测量的精度很低，较适合于高频信号的测量。方案二：测周法。以待测信号为门限，记录在此门限内的高频标准时钟的数量，从而计算出待测信号的频率。但被测信号频率过高时，由于测量时间不足会存在精度不够的问题，此方案适于低频信号的测量。方案三：等精度测频法。其精确门限由被测信号和预制门控制共同控制，测量精度与被测信号的频率无关，只与基准信号的频率和稳定度有关，因此可以保证在整个测量频段内测量精度不变。因此我们选取方案三。2 系统整体框图 根据以上方案论证与比较，信号经过阻抗变换网络和程控放大环节，幅度被调理到一定的范围之内。调理后的信号输入到比较整形模块，将输出的等频率的方波信号送进FPGA内的测频模块进行频率测量；同时，调理后的信号经过采样保持电路送进采样模块，用MAX118对频率小于和大于50KHz的信号分别进行实时采样和等效采样。采集的信号存储在FPGA内部的双口RAM中，并能在通用示波器中显示信号波形，其中，扫描速度要求含20ms/div、2ms/div、1ms /div、40s /div、20s /div、2s /div、200 ns/div、100 ns/div八档，垂直灵敏度要求含1V/div、0.1V/div、2mV/div三档。并具有单次触发和连续触发、存储波形、波形水平移动、垂直移动、产生100KHz校准信号等功能。其系统框图如图1所示。图1 系统框图3 理论分析与计算3.1 等效采样分析等效采样法是一种用较低频率的采样时钟对高频信号进行采样的方法。根据Nyquist采样定理，在一个周期内至少要采样2个点，才能不失真地恢复出原始信号。实际上，在信号一个周期内需要至少采样8个点。那么对于10MHz的信号，A/D转换器需要至少80MHz的采样率。而等效采样则可以大大降低对A/D转换器采样率的要求。信号频率为、周期为，在一个周期内需要采样个点，则在一个周期内相邻两个采样点的时间间隔为。若以实时采样方式进行采样，采样频率为。若以等效采样方式进行采样，采样的时间间隔，其中，采样频率为，等效采样频率为。等效采样和实时采样的原理图如图2所示。对于第个样本点，以正弦信号上升沿零点处为基准，延迟时间后进行信号采集。则可实现时间间隔为的等效采样。在题目中，输入的最高信号频率为10MHz，在一个周期内至少采集20个样点，需要最小的。图2 实时采样与等效采样原理图3.2 垂直灵敏度题目要求含有1V/div、0.1V/div、2mV/div三个垂直档位，那么在三个档位下，输出信号在示波器上显示满格8格时对应输入电压值分别为8V、0.8V、16mV。MAX118的输入电压范围为05V，则对于1V/div、0.1V/div、2mV/div三个垂直档位，调理信号的放大倍数分别为：,.3.3 扫描速度 水平方向共有10div，且扫描速度含20ms/div、2s /div、100 ns/div三档。若1div所代表的信号时间长度为，在其中采样点数为，其一个周期内的等效采集信号的时间间隔。在水平显示分辨率=20点/ div时，则等效采集信号的时间间隔分别为1ms、100ns、5ns。4 主要功能电路设计4.1 采样保持电路采样保持电路如图3所示。当模拟开关导通时，输入信号Vin经过模拟开关对电容C1充电，充电结束后，Vc1=Vin。当模拟开关断开时，电容C1上的电压在一段时间内保持不变，电容的漏电越小，运放的输入阻抗越大，Vc1保持的时间越长。选择合适的保持时间，可以保证采样时的A/D输入端信号稳定不变。采用MAX309作为模拟开关，A0和A1控制通道选择。使用模拟开关的NO1通道输出，将A1接地，通过控制A0的电平可以控制信号是否能传输到后级LM6171的输入端。C1采用低漏独石电容，取100pF；MAX309的导通电阻Ron为，Ron与C1构成了一个一阶低通滤波器，截止频率，10MHz的信号输入到采样保持电路，幅度不会有衰减。 前级的MAX477和后级LM6171接成高输入阻抗的射级跟随器，实现信号隔离。 图3 采样保持电路4.2 MAX118采样模块在采样模块中，采用1Msps，8bit的MAX118。使用MODE=0模式，通过控制CS和RD的时序对采样时间间隔进行控制。在A/D输入端为一级由AD811构成的加法器，在同相输入端接1.25V的直流电压，由于该电路同相输入具有2倍增益，在输入端会叠加+2.5V的直流电压值。保证输入到MAX118的电压幅度范围为。4.3 程控放大模块前级用THS4061构成射级跟随器进行阻抗隔离。以MPC508作为输入级的模拟开关，根据信号幅度分三档进入放大倍数分别为的放大电路。在输出端继续采用MPC508选择输出端。为两个MPC508送入相同的控制字Con，可以保证三级放大电路只有一路输入一路输出。三级放大电路相互隔离，互不影响。 4.4比较整形模块采用TI公司的TL3116，典型传输延迟时间为10ns，可以将频率范围为10Hz到10MHz的信号整形成标准方波。将其接为滞回模式，可以抑制噪声引起的误翻转。为了能比较出小信号，在比较器输入前级接一级增益为20的放大器。4.5 垂直移动调节模块将示波器Y方向的D/A转换器输出电压经过经过一级加法器，LM741的，其电压变化范围为。由于同相输入具有2倍增益，在上会叠加上的直流电压。5 程序设计 本系统的软件设计充分利用模块化设计思想。该系统是单片机结合FPGA的控制系统，软件的设计充分利用FPGA的强大逻辑和计算功能，完成采样时序的控制、数据存储、数据处理、幅度测量、频率测量、触发控制、水平移动控制等。单片机控制键盘、显示，并通过与FPGA的接口来实现不同功能。5.1 单片机程序流程图 6 测试方案与测试结果6.1 测试仪器与型号PC机：DELUX多彩科技; Tektronix TDS1002示波器; SG1040 数字合成信号发生器; SG1733SB3A 直流稳压稳流电源6.2 测试方案与主要测试结果6.2.1 垂直灵敏度测试2mV/div档测试，输入信号频率分别为10Hz，10KHz，10MHz，记录在示波器上显示的div数。 真实幅度 div数信号频率 16mV 误差 10Hz16mV010KHz16mV010MHz16mV00.1V/div档测试，输入信号频率分别为10Hz，10KHz，10MHz，记录在示波器上显示的div数。 真实幅度 div数信号频率 0.1V 误差 0.3V误差0.5V误差0.8V误差 10Hz0.1V00.3V00.5V00.8V010KHz0.099V1%0.3V00.5V00.79V1%10MHz0.1V00.3V00.5V00.8V0 1V/div档测试，输入信号频率分别为10Hz，10KHz，10MHz，记录在示波器上显示的div数。 真实幅度 div数信号频率 1V 误差 3V误差6V误差8V误差 10Hz1V03V06V08V010KHz1V03V06V08V010MHz1V03V06V08V06.2.2 水平灵敏度测试20ms/div 档测试，输入信号幅度为5V，改变信号周期，记录在示波器上一个周期的div数周期 20ms误差 100ms 误差 200ms误差测得周期 19ms5% 99ms1%200ms0周期 2us误差10us