数字示波器对偶成.doc

简易数字存储示波器设计报告

摘 要

本设计分为四个模块，分别是：信号前向调整模块，数据采集模块，数据输出模块和控制模块。信号前向调整模块采用高速低噪音模拟开关(MAX4545)和宽带运算放大器(MAX817)构成可编程运算放大器，对幅度不等的输入信号分别进行不同等级的放大处理。数据采集模块采用可编程器件(EPM7128SLC84-15)控制高速Ａ／Ｄ(TLC5510)对不同频率的输入信号分别以相应的采样速度予以采样，并将采样数据存在双口ＲＡＭ(IDT7132)中。数据输出模块采用另一片可编程器件(EPM7128SLC84-15)控制两片Ｄ／Ａ(DAC0800)分别输出采样信号和锯齿波,在示波器上以Ｘ－Ｙ的方式显示波形。控制模块以AT89C52单片机为控制核心，协调两片可编程器件的工作，并完成其它的测量，计算及控制功能。

一． 总体方案设计与论证：
方案一：数字示波器采用数字电路，将输入信号先经过Ａ／Ｄ变换器，把模拟波形变换成数字信息，暂存于存储器中。显示时通过Ｄ／Ａ变换器将存储器中的数字信息变换成模拟波形显示在模拟示波器的示波管上。对于存储器的地址计数及数据存取可通过数字电路对时钟脉冲计数产生地址，并选通存储器来实现；对输入信号何时触发采集可通过模拟比较器及其它简单的模拟电路实现。但是，这种方法的硬件电路过于复杂，调试起来也不方便，不利于系统的其它功能扩展，因而不可采取。
方案二：采用AT89C52单片机。单片机软件编程灵活，自由度大。可通过软件编程实现对模拟信号的采集，存储数据的输出以及各种测量，逻辑控制等功能。但是，系统要求的频带上限为５０ＫＨＺ，根据采样定理，采样速度的下限为１００ＫＨＺ，需要用高速Ａ／Ｄ进行采样。假设单片机系统用12M的晶体振荡器作为系统时钟，那麽一条指令就需要1us或2us，根本无法控制Ａ／Ｄ高速工作。因此，单纯用软件是不可能实现该系统的。
方案三：采用AT89C52单片机作为控制核心，采用可编程器件（ALTERA公司的EPM7128SLC84-15）来实现对数字系统的控制。由于可编程器件的工作频率很高，所以用它控制高速Ａ／Ｄ工作是合适的，同时又有着MAXPLUSII这样强大的软件予以支持，所以设计调试都会变得十分方便。为了稳定实时的显示
波形，必须使采样数据输出与扫描信号同步，同时扫描速度要快，所以也应该用可编程器件来控制波形数据的输出。由于EPM7128SLC84-15的硬件资源不是十分丰富，为了以后功能扩展方便，所以我们选用了两片该器件分别控制着模拟信号的采样以及采样数据的输出，用单片机控制并协调它们之间的工作。
系统框图如下：

显示器
键盘

触发电路

Ａ／Ｄ
Ｄ／Ａ
AT89C52

８２５５
锯齿波
ＥＰＭ７１２８
ＥＰＭ７１２８

X

程控放大电路
普通示波器
高速Ａ／Ｄ电路
Ｄ／Ａ输出电路
双口ＲＡＭ
信号选择
信号调整电路
Z

Y

信号二
信号一

二．单元电路的设计与论证
1． 信号前向调整模块的设计：
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0.59V~2.59V，即当输入0.59V的直流信号时，Ａ／Ｄ输出为00H，输入2.59V的直流信号时输出为FFH，而Ｄ／Ａ(DAC0800)电路输出为0~5V,所以当A/D的输入信号峰峰值为2V时,设示波器的垂直灵敏度定在0.5v/div,那末Y轴显示10格(实际上Y轴只有8格),这相当于将输入信号放大了2.5倍。为使垂直灵敏度为1v/div，即在示波器上Y轴显示两格，则输入信号需要衰减５倍，同理可得当垂直灵敏度为0.1V/div和0.01V/div时前向通道需要放大2倍和20倍。由于A/D本身的输入动态范围就很小,为了保护ＡＤ，所以在ＡＤ前端加入了５倍衰减，因此程控放大倍数应分别为１倍，１０倍，１００倍。
方案一：采用现有的集成程控放大器(例如:PGA103)作为信号的前向输入通道，根据输入信号的幅度选择不同的放大／衰减倍数，以达到Ａ／Ｄ所要求的输入范围。在系统前端采用集成器件，对抑制系统的噪声是很有帮助的,而且这种器件控制简单,使用方便。但是，该器件货源短缺，无法实现。
方案二：采用四象限乘法型D/A转换器AD7528和运算放大器来实现程控放大／衰减。AD7528内部具有两个匹配良好的D/A转换器。按照下图的接法，即可构成可编程增益/衰减电路。从每个D/A转换器的基准输入到其输出的等效电阻用于取代标准反相放大器的输入电阻和反馈电阻，将合适的数据置入到两个
D/A中，即可实现-48DB到+48DB的可编程增益/衰减。经理论推导，输入Vin与输出Vout之间的关系是：
Vout/Vin=-Na/Nb
其中，Na,Nb分别指的是A，B两D/A的预置值，范围在1到２５５之间。但是，根据实验发现ＡＤ７５２８在频率较高时有衰减，放大倍数比预定值小，无法满足垂直灵敏度在全频段内误差小于５％的要求，所以不可选用。
Vout
Vin

　　方案三：采用高速低噪声模拟开关MAX4545选择不同的反馈电阻和模拟运算放大器MAX817构成标准的反相运算放大器来实现。MAX817的单位增益３ＤＢ截止频率为５０ＭＨＺ，可保证对频率小于５０ＫＨＺ的信号进行１００倍放大。将
MAX4545的四根控制线接在最小系统的扩展接口上，即8255的PA0~PA3，控制信号与放大倍数的对应关系如下表：

PA3~PA0
放大倍数
1000
1
0100
10
0010
20
0001
100

电路如下图：

２．高速数据采集模块的设计与论证：
　该模块由三部分组成，分别是：高速Ａ／Ｄ，控制电路和存储电路。
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是100HZ，100KHZ，1MHZ。但是，从100HZ到100KHZ的跨度太大,不利于中间频段信号的显示，因此我们又多加了1KHZ和10KHZ两档扫描速度。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，适用于可编程器件控制。Ａ／Ｄ电路如下：
该Ａ／Ｄ电路的输入信号的动态范围很小为0.59V~2.59V。为了将动态范围扩展至0~10V，需在其前级加入如下调整电路。该电路除了对输入信号进行5倍衰减外，还在输入信号上迭加
1.5V的直流。

仿真结果
２）控制电路：
控制电路做在可编程器件里，主要有地址累加单元，采样速度选择单元和可编程器件与单片机接口单元。
其中，地址累加单元电路如下：

CLK为系统时钟，计数前首先由chfa端输入一个负脉冲信号，对计数器和D触发器复位，而后对时钟脉冲计数。当计满时，该电路自动停止工作，并在INT端产生一个低电平信号，标志计数结束。Onf信号为锁存信号，当其为低电平时，锁存当前采样。仿真如下：

３） 存储芯片的选择与实时性的考虑：
方案一：采用一片RAM存储采样数据，以先采后放的方法工作。该方法优点是电路简单，控制简单，易于实现。但其只在输入信号频率较高时能输出较稳定的波形，当信号频率很低时，输出波形更新周期过长，缺乏实时性，并且在输出波形的同时无法进行数据采集，将丢失信号部分信息。
方案二：采用两片RAM,用一片RAM存储采集数据，另一片RAM输出数据,即两片RAM交替进行存储与输出。该方法解决了丢失信号部分信息的问题，但是采放的速率必须一致，否则必然引起数据冲突。对于低频信号该方法无任何意义，没能很好的解决实时性问题，并且电路较复杂，占用口线资源多，造成浪费。
方案三：采用一片双口RAM ,边采边放。该方法电路简单，较好的解决了实时性问题所以采用该方案。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我们选择的双口RAM是IDT7132，该芯片有两组对称的信号线，即每个端口都有独立的地址线,数据线和控制线。它的存取时间为25ns~35ns ，存储量为２Ｋ，在非选通时自动处于低耗状态，可异步操作，输入和输出三态，与TTL电平兼容。该芯片的应用电路如下：

３．波形显示电路：
波形显示方式有Ｘ－Ｙ方式及外部触发方式。但是为了在示波器上显示字符就必须选用Ｘ－Ｙ方式。
１） 数据输出速率的分析：
由于数据采集的最高速度为1MHZ，因此数据回放系统的扫描速率应大于1MHZ，才能实时的显示数据更新的过程。根据实验比较，我们选定输出频率为2MHZ。在该输出频率下，系统的实时性较好，而且波形稳定，不失真。我们选用的DA是DAC0800，它的输出电流建立时间为100ns,即10MHZ，满足数据输出的速度要求。Ｄ／Ａ电路如下：

输出数据的地址由地址累加器得到我们在地址累加器的后级加入了一级数据选择器，通过扫描信号的进位脉冲切换数据通道，即可实现锁存后或单次触发后显示波形的水平移动。局部电路图如下：

其中，db[10..0]为地址累加步进量,DQ[10..0]为已锁存的起始地址,sel为水平扫描信号的进位脉冲,该脉冲即为通道切换信号。仿真如下：

２）锯齿波形成电路：
根据实验发现，在可编程器件EPM7128SLC84-15的内部搭建的计数电路很容易产生毛刺，使输出锯齿波不稳定，因而我们选用硬件电路计数产生锯齿波。锯齿波的时钟由数据输出电路提供，以保证扫描信号与数据信号同步。将锯齿波计满后输出的进位脉冲经过一定的延时放大后，送给模拟示波器的Ｚ轴，以消隐
回扫线。锯齿波产生电路如下图：

锯齿波产生电路

仿真波形

４．触发电路：
触发电平由单片机通过D/A(MAX508)输出，通过比较器与输入信号相比较，从而得到触发信号。该触发信号使单片机产生中断，经单片机处理后启动ＥＰＭ７１２８开始采集。
这里选用的比较电路是由高增益，低噪声，低漂移运放OP37
开环构成的。其输出用两个二极管限幅，以得到标准的TTL信号。电路见下图。
触发电路

５．双踪示波电路：
理论上严格的双踪示波器应对两路信号同时采样，那麽就需
要两个高速A/D，及其前端电路。但是普通模拟示波器分辨率一般不高，因而就没有任何意义去要求两路信号严格的同时。因此我们采用一路采集电路对两路输入信号交替采样，将采集数据分别存储于原存储器的奇偶地址内，再分别示波，同样可以以较高的精度作到双踪示波，并且使系统的性价比提高。开关切换电路如下图：
双踪电路

输入一路交流信号一路直流信号的仿真波形

两路输入交流信号的仿真波形
６．最小系统电路：
本系统以AT89C52为核心。键盘由20个按键组成，对其扫描由MM74C923完成。系统的显示器用的是DCM-162A，它是
字符型LCD，共有两行十六列，每个字符位由8行5列组成，由于其分辨率不高，难以进行汉字显示，因此我们采用全英文界面。此外该系统还带有32K的RAM（62256）和一片82C55作为端口扩展备用。系统的电源部分为+5V，+12V及-12V三种供电方式。

７. A/D 及 D/A 的选用:
为了方便系统测量及控制我们又另外选用了一片A/Ｄ和D/A，分别是MAX197及MAX508。

８．测频模块：
利用单片机的计数器对信号进行测量。因为触发脉冲与输入信号频率相同，所以只需对触发脉冲进行测频即可。当频率低于5Khz时，利用测周的方法，以被测信号的一个周期为闸门时间，以单片机的一个机器周期（1us）为时间基准，对其计数即得周期，其最大误差为：

其中，Tx为被测信号周期，Fc为定时器频率。
当输入信号在5K-50K时用测频的方法，以被测信号为时间基准，定时1S为闸门时间，对时基计数，即得频率，测得的最大误差为

其中，Fx为被测信号频率，T为闸门时间，这里定位一秒，Fc为单片机计数器频率。
９．字符显示模块：
在Ｘ轴输入水平扫描信号，在Ｙ轴输入场扫描信号，在Ｚ轴输入亮度信号即可在示波器上形成字符。其中，场扫描信号由ＥＰＭ７１２８内部计数产生。Ｚ轴的数据存在外部ROM中。
10．峰峰值测量功能：
用普通AD（MAX197）对输入到高速采集电路的信号进行较长时间采样，从中得到输入信号的最大值和最小值，然后将它们的差值乘以前向通道的衰减倍数后，即可得到输入信号的峰峰值。
11．AUTO-SCALE 功能：
此功能实现系统自动调节水平灵敏度和垂直灵敏度，使波形更好的被显示。首先，系统通过普通AD（MAX197）读取输入信号电平作为触发电平，使系统稳定触发。然后，调用测频功能，测得输入信号的频率，由于我们将水平灵敏度分为20us/div,0.2ms/div,2ms/div,20ms/div,0.2s/div五档，为保证示波器上至少显示一个周期的信号，所以当被测信号频率f>5khz时用20us/div档；当500hz5hz时用0.2s/div档。接下来再调用测量峰峰值的功能。由于我们将垂直灵敏度分为1 v/div,0.1v/div,0.05v/div和0.01v/div,所以当输入信号大于0.8v时，系统自动选择 1v/div档，当输入信号大于0.4v小于0.8v时，系统自动选择0.1v/div,当输入信号小于0.4v/div,大于0.08v时，系统自动选择0.05v/div档，当输入信号小于0.08v时，系统自动选择0.01v/div。

三．软件部分：
系统软件的流程如下：
由于液晶的使用，加上软件的设计，使得系统提供了良好的人机
界面。软件主要由多层滚动式菜单组成，功能的设定都在菜单中完成，各个功能模块相互独立，具有很好的交互性。按键主要由数字键、确定键、取消键、四个方向键以及四个功能键组成，并且按键具有重复
按键的功能，当按下某一键不放时，将重复响应此键，操作很方便。

开 始

系统初始化

键盘扫描

选择通道1，2或双踪

以实时方式工作，并等待键盘指令

自适应
测峰峰值
Vpp
测频率
执行或停止
单
次
采
集
single
调节触发电平
调节x轴分辨率
调节y轴分辨率

四．系统测试：
测试仪器：
HG1643功率函数信号发生器
COS5020 模拟示波器(20M带宽)
HP54645D数模混合型示波器（100M带宽）
NFC-1000C-1型多功能计数器
HH1713双路直流稳压电源
HP33120A型函数信号发生器
对本系统进行测量，各项功能及指标均满足题目要求。完成的功能如下：对输入信号可单次触发，触发后可以稳定显示并不随输入信号变化而变化，对信号的一次采样最多可采样2048个点；在连续触发模式下可对输入信号实时采样并显示，并且波形无明显失真,输入信号既可以是交流也可以是直流；按动锁存键，即可锁定当前波形并且可对存储波形通过水平移动进行观测；可通过软件设置选择1通道信号或2通道信号或双踪模式；当输入信号的上升沿达到触发电平时即可产生触发，触发电平稳定可调；对采样信号输出时水平扫描速度有0.2s/div，20ms/div,2ms/div,0.2ms/div,20us/div五档，垂直灵敏度有0.01v/div,0.05v/div,0.1v/div和1v/div共四档；可对输入信号测频，测周，并测量峰峰值；根据输入信号可进行自适应显示，即auto-scale功能。实际测量结果如下：(1)测试垂直灵敏度：当示波器的垂直灵敏度定在0.5v/div,如果系统垂直灵敏度定在0.1v/div，输入信号的峰峰值为500mv时，示波器上显示5格；如果系统垂直灵敏度定在1v/div，输入信号的峰峰值为5v时，示波器上显示4.9格两次测量数据均合乎指标要求。(2)测试水平扫描速度：当输入信号的频率定在1hz，水平扫描速度定在0.2s/div时，示波器上显示5格；输入信号的频率定在10khz，水平扫描速度定在20us/div时，示波器显示5格。两次测量数据也合乎指标要求。(3)输入噪声测量：将输入端接地，在示波器上测得水平扫描线的宽度大约为3mv。
五．结果分析：
根据最终测试证明整体设计方案基本是正确的，题目所要求的各项功能均已实现。各项指标均在系统要求的误差范围内。设计中由于采用了双口RAM，所以系统的实时反应较快，这是本设计的一个特色。根据实测结果说明利用模拟开关频繁切换输入通道，对两路输入信号交替采样完成双踪功能是可行的，这样可使系统的复杂程度大大降低，并且提高了系统的性价比。
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