基于单片机的简易数字存储示波器-学士论文

基于单片机的简易数字存储示波器-学士论文内容摘要：

不同时刻的波形。 这种预触发特性，特别有利于分析故障产生的原因。 另外，窗口触发和数字组合触发在数字电路、计算机的调试中十分有用。 图 数字存储示波器的预置触发功能 4． 观察慢速信号时无闪烁现象 慢速信号使用传统示波器观测时光迹存在闪烁现象。 在数字存储示波器中，由于存储器的写入和读出是不相关的，写入存储器的时间可以很慢，而从存储器中读出信号是以固定频率 进行的，所以显示时，光迹无闪烁现象。 5． 存储时间无限长 数字存储示波器是将模拟信号经模 /数变换器转换成数字信号存储于半导体存储器中，只要仪器不停电存储信号就可长期保持，需要时可随时取出进行显示且质量不会变差。 若采用 CMOS 存储器，则耗电很小，在机内装一电池，即可实现关机后仍能存储信号的功能。 CRT 模拟存储示波器是利用特殊的示波管作为存储器件，以电荷的形式存储记录波形，它的存储波形在较短时间内出现模糊和变暗现象，所以波形存储时间和显示时间是有限的。 它的存储时间因存储技术不同而异，一般从几十秒至几十分钟，最 长也不过数天。 另外，数字存储示波器与 CRT 模拟存储示波器或传统示波器相比较，它的模拟输出还可以用标准笔记录仪做廉价的永久性存储数据硬拷贝。 而后者只能使用昂贵的胶片照相作长期保存。 6． 多波形比较分析 数字存储示波器能够存储多个波形，并能够在屏幕上同时显示不同时间或相 8 同时间发生的几个波形，因而能够方便地将已存储下来的波形与更新波形进行比较分析。 对于实时 /存储示波器，还可将存储波形同实时波形进行对比。 7．多种灵活的显示方式 由于被测信号是多种多样和复杂的，因此需要有多种灵活的显示方式。 （ 1） 存储显示 它可稳定、不 闪烁地显示所存储的瞬变信号，同时显示的波形还可以扩展和移动，便于对瞬变波形进行仔细分析和研究。 （ 2） 滚动显示 这好似数字存储示波器特有的工作方式，主要用于连续观察低速变化信号和低重复频率信号，并可检测数据中随机出现的偶发信号。 （ 3） 自动抹迹 当一个触发脉冲到来，触发存储该瞬变并进行显示，其显示观察时间可以控制在给定范围，当观察时间过后再有触发脉冲到来，则又能重新存储新的信号。 8． 测量精度高 传统示波器的扫描速度有锯齿波扫描信号决定，而数字存储示波器的扫描速度由取样的时间间隔和扫线上单位长度所具有的取样点数来决定。 由于使用晶振时钟，所以具有很高的测量精度。 采用高分辨率的 A/D 变换器也使幅度测量精度大大提高。 另外，现代数字存储示波器普遍采用电压时间光标数字测量，能够减少输入放大器和示波管的线性精度的影响，可使精度做的比较高。 当移动被测波形上光标点（或线）位置时，可迅速精确地测量出电压时间等波形参数，并可用数字显示。 9．便于波形数据分析处理 由于数字存储示波器是以模拟输入信号数字化和数字存储为基础的，所以便于波形数据进行各种数字处理分析。 特 别是以微处理器为基础的数字存储示波器，可以编程自动程控操作。 同时对存储信号还可 进行信息处理，如平均迭加、信号的相关处理、频谱分析、能谱分析和 FFT 分析等。 亦 可方便的通过标准的GP1B 接口，将存储信号传送至计算机或其他外部设备，进行更复杂的数据运算和分析处理。 亦 可构成自动测试系统，成为强有力的系统单元。 上述两种不同存储方式的示波器，各有其优缺点和应用特点，但由于数字存 9 储示波器比 CRT 模拟存储示波器有更多优点和高的性能价格比，所以近年来得到了显著的发展和广泛的应用。 设计任务与目标 设计并制作一台用普通示波器显示被测波形的简易数字存储示波器 ，示意图如图 图 简 易数字存储示波器示意图 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；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；要求设置 、 、 20us/div 三档扫描速度，仪器的频率范围为DC~50KHZ,误差不大于 5%；要求设置 、 1v/div 二档垂直灵敏度，误差不大于 5%；一起的触发电路采用内触发方式，要求上升沿触发且触发电平可调；观测波形无明显失真。 10 数字示波器总体结构 数字存储示波器主要包括模拟信号调理模块，高速采集存储模块，触发控制模块，数据处理模块，菜单波形的显示控制模块以及键盘控制模块等这几部分组成。 图 所示是本系统的总体方案框图，主单片机 MEGA128 是系统的核心控制芯片。 在前端与高速的采集系统，触发系统协调动作，接收采样数据；后 端通过 LCD 显示模块和外部键盘实现人机通讯。 探 头程 控 衰 减 电 路高 速A DF P G A触 发 电 路主 M C U从 M C U显 示 及键 盘 图 示波器总体框图 模拟信号调理电路包括垂直通道调理电路、耦合控制机构、触发信号发生器等。 垂直放大器调整输入波形的幅度和范围，放大和衰减、上下移动波形等。 必须把不同幅度的信号进行变换以适应 AD 采样的范围，这样就可以按照标尺刻度对波形进行测量，为此就要求对大信号进行衰减、对小信号进行放大。 通道触发信号发生器产生通道的同步触发信号，使采集的波形在屏幕上稳定地显示出来。 高速采样电路：高速 A/D 采集经过模拟信号调理电路后的信号，采样值在FPGA 的控制之 下被存入其内部的 FIFO 中，当存储数据满后，单片机将数据取走。 高速 A/D 转换器的采集时钟由 FPGA 产 生，其输出频率是由单片机通过总线控制的。 触发控制电路：由外部的高速模拟比较器和 D/A 组成，由单片机控制 D/A 11 产生预置较信号，与用户选定的触发输入信号进行比较，产生触发信号送入FPGA 内，形成触发。 触发信号进入 FPGA 内后，触发信号前的采样数据才被保存，触发之后的数据写满之后，等待数据的处理和传输。 数字示波器采样速率 示波器按一定的时间间隔对信号电压进行采样，然后用 A/D 转换器对这些瞬时值或采样值 进行转换从而生成代表每一个采样电压的二进制数字，这个过程称为数字化。 数字化包括“采样”和“量化”两个过程。 采样是获得模拟量输入信号离散值的过程，而量化则是使每个取得的离散值转换成二进值数字。 在此过程中，通常采用采样保持电路，使模拟输入保证在足够的时间内保持稳定，以便转换器完成转换动作，并降低模 /数转换器的孔径时间。 当模拟输入送到 A/D 转换器后，它将按照示波器面板上“ t/div”开关（时基）设定的采样速率进行采样和量化处理，从而得到一串数据流 (二进制编码信号 )，并在逻辑电路控制下，将数字信号依次写入波形存储器。 对输入信号进行采样的速度称为采样速率。 最高采样速率由 A/D 转换器的转换速率决定，采样速率由采样时钟控制。 测量分辨率是存储信号波形细节分析的综合特性，它包括电压分辨率（或垂直分辨率）和时间分辨率（或水平分辨率）。 电压分辩率是每个采样点的模拟量对应的二进制数字的位数，也就是对信号所能识别的电压细节的多少。 它是由 A/D 转换器的分辨率决定，常以 A/D 转换器具有的数据的位数（ Bit）、百分数及每格的分级数（级数 /div）来表示。 在数字存储示波器中，电压分辨率是决定系统精度的主要因素，一般地说，位数多分辨率高 ，但位数多转换时间长，采样速率降低，随着输入信号频率的升高，电压分辨率反而下降。 因此考虑到各种因素的限制，如成本等， A/D 转换器的分辨率通常采用 8 位。 考虑到本系统的指标要求，选用了 8Bits 的 A/D 转换器。 水平系统的作用是确保对输入信号采集足够数量的采样值，并且每个采样值取自正确的时刻，和模拟示波器一样，水平偏转的速度取决于时基的设置（ s/格）。 通常示波器可以显示的采样点数是固定的，时基设置的改变是通过改变采样速率来实现的，因此一台特定的示波器所给出的采样速率只有在某一特定的时基设置之下才是有效的。 在较 低的时基设置之下，示波器使用的采样速率也比较低。 了解这一时基设置值是非常重要的，因为这个值是示波器采集非重复性信号时的最快的时基设置，使用这个时基设置时示波器能给出其可能的最好的时间分辨率。 此时基设置值称为“最大单次扫描时基设置值”，在这个设置值之下示波器使用“最大实时采样速率”进行工作。 这个采样速率也就是在示波器的技术指 12 标中所给出的采样速率。 根据奈奎斯特定理：要从抽样信号中无失真的恢复原始信号，采样频率必须大于等于 2 倍信号最高频率，即奈奎斯特频率为信号频率的两倍。 示波器是用来研究波形信号的，为了更好的研究 主要事情，不仅要求正确的表示信号频率并且还要求准确地表示信号波形的幅度。 根据经验通常认为每周期最少要十个采样点才能给出足够的信号细节，在有些情况下，对信号的细节要求低一些，这时每周期取五个样点可能就足以给出有关信号的特性。 本次设计以要求最大的采样率为 50MSa/s，能够准确采集的最大信号频率为 20MHz。 对正弦波来说，点显示要给出精确的信号重现，需要大约每周 25 次采样，矢量显示也需要每周约 10 次采样。 显然要用 50MSa/s 的采样速率来显示20MHz 的信号是不可能的，在这种情况下，还可以使用特殊的方法来提 高示波器的保真度，其方法是通过等效采样的方法来采集数据。 因此示波器在测量4MHz 以下的信号时采用实时采样，测量 4MHz 以上信号时使用等效采样，使用这种方案能够实现性价比计较高的示波器制作。 数字示波器采样原理 为了测量高速模拟信号，必须采用高速的模数转换技术。 乃奎斯特采样定理告诉我们：要不失真的还原输入信号，对信号的采样频率必须大于或者等于输入信号频率的两倍。 但是在现实中，要想准确的还原输入信号，对输入信号在一个周期内的采样必须大于 10 个点，这样绘制出来的波形才能比较准确的反应输入信号。 因此在对输入 信号进行采集的时候，可以采用以下两种方案： （ 1）实时采样技术 图 实时采样 实时采样原理图如图 所示，高速 AD 等间隔的对输入信号进行采样，将模拟信号数字化，然后将数字化的信号经过相应的坐标变换之后，以设定的s/div 间隔将采集到的信号以点显示在 LCM 上面。 通常示波器为了使显示的波形 13 更加完美漂亮，一般都会将显示波形中相邻的两点用直线或者曲线连接起来，这样看起来的波形更加接近实际输入信号的波形。 使用此种原理进行采样的优点是硬件设计简单，有很多资料可以参考。 其缺点在于对 AD 的速度要求比较高，这直接 关系到示波器的成本和使用范围，因此较低速的 AD 只能得到较低的性能 （ 2）等效采样 在测量高频信号时，示波器可能不能在一次扫描中收集足够的样值。 如图 所示，当信号频率超过示波器采样频率的一半时，等效时间采样可以精确捕获这些信号。 等效时间数字化器（采样器）利用的原理是，大多数自然产生和人为构造的对象都具有重复性。 为构建重复信号的图象，在每一个重复期内，等效时间只采样采集少量的信息。 象一串灯一盏一盏依次点亮那样，波形逐渐累积而成。 利用这样的方式，即使信号的频率成分远远高于示波器的采样速率，也能形成精确地采 样。 连续等效时间采样在每一个触发捕获一个样值，而不依赖于时间 / 格（ time/div）的设置和扫描速度，如图 6 所示。 每发现一个触发，经过一段虽然非常短却明确的延迟，就获得样值。 当发生下一次触发时，延迟增加一段小的时间增量（Δ t），数字转换器则又采下一个样值。 该过程重复多次，Δ t 不断增加到前一个捕获量中，直到时间窗口填满。 当需要显示到示波器屏幕中的时候，样点从左到右沿着波形顺序出现。 图 等效采样 从现实实现的角度，产生一个非常短非常精确的Δ t 与准确测量与采样触发点相关的垂直和水平位置相比 ，前者要容易的多。 精确的测量延迟使连续采样器很难控制时间间隔分辨能力。 既然如此，如果采用连续采样，一旦发现触发电平，就对信号进行采样，如果没有模拟延迟线，触发点不可能得到显示，但是延迟线的存在会减少仪器的带宽。 14 如图 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 Tnm  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。 15 3 数字示波器硬件设计 数字示波器可以划分为三个基本组成部分：前端信号调理部分、数据采集处理部分、交互输入输出部分及相关的附属电路。 前端模拟部分包括输入电路、衰减电路、程控放大器电路、低通滤波电路、电平移位电路、触发电路和 A/D 转换器，其主要功能是对信号进行调理、采集、量化和对控制器产生触发。 数据采集处理部分主要为 CPLD，其主要功能是高速的控制 AD采集数据实现数据缓冲。 交互输入输出部分主要由 MCU 构成，其主要功能是实现对 DSO 系统的控制和管理处理数据，实现波形的显示和键盘界面的输入。 信号调理电路 在数字存储示波器中， A/D 器件对输入模拟信号的幅度有一定的要求范围，例如本设计所采用的 ADS831 的输入电压范。