【正文】 散值的過(guò)程，而量化則是使每個(gè)取得的離散值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)值數(shù)字。必須把不同幅度的信號(hào)進(jìn)行變換以適應(yīng) AD 采樣的范圍，這樣就可以按照標(biāo)尺刻度對(duì)波形進(jìn)行測(cè)量，為此就要求對(duì)大信號(hào)進(jìn)行衰減、對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大。亦 可構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，成為強(qiáng)有力的系統(tǒng)單元。由于使用晶振時(shí)鐘，所以具有很高的測(cè)量精度。而后者只能使用昂貴的膠片照相作長(zhǎng)期保存。另外，窗口觸發(fā)和數(shù)字組合觸發(fā)在數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)的調(diào)試中十分有用。與此相比數(shù)字存儲(chǔ)示波器就簡(jiǎn)單的多。 （ 2）模擬示波器是一個(gè)完全的硬件結(jié)構(gòu)，做好之后很難進(jìn)行功能升級(jí)，而數(shù)字示波器不同，它的控制以及其他功能的實(shí)現(xiàn)在保證基本硬件后都是由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其波形更新速率（每秒鐘在屏幕上描畫(huà)掃描軌跡的次數(shù)）很高，所以信號(hào)的任何變化都會(huì)立即顯示出來(lái)。而數(shù)字示波器的掃描軌跡亮度和掃描速度與信號(hào)重復(fù)速率無(wú)關(guān)。數(shù)字示波器首先對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行高速采樣獲得相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并存儲(chǔ)。 沙漏實(shí)驗(yàn) 可以清晰地顯示這個(gè)隨時(shí)間變化的波形：用沙漏充當(dāng)重物，并且在沙漏底下的桌面上平鋪一張紙，當(dāng)沙漏開(kāi)始擺動(dòng)時(shí)，讓紙勻速移動(dòng)。 盡管在國(guó)際上數(shù)字示波器已經(jīng)有了較為成熟的發(fā)展，我國(guó)目前在數(shù)字示波器生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)基本上處于起步階段。TDS2020 示波器具有 100MHZ 的帶寬， 1GS/s 等效采樣率，記錄長(zhǎng)度可達(dá) ，內(nèi)部采取高保真讀的獲取技術(shù)，操作簡(jiǎn)單。當(dāng)時(shí)這臺(tái)用于觀察“生物電信息”的示波器成為我國(guó)自己研制的第一臺(tái)示波器。 1971 年問(wèn)世的微處理器，更為示波器的智能化增添了雙翅。 20 世紀(jì) 30~50 年代是電子管示波器階段。 1931 年，美國(guó)通用無(wú)線電公司利用曼弗雷德 .馮 .阿德奈研制的示波管制成了示波器。電子測(cè)量，從廣義上來(lái)說(shuō)是指利用電子技術(shù)進(jìn)行的測(cè)量。實(shí)現(xiàn)了低速率 A/D 采集高速率信號(hào)的功能，驗(yàn)證了等效采樣的可行性。等效采樣是對(duì)多個(gè)信號(hào)周期連續(xù)采樣來(lái)復(fù)現(xiàn)一個(gè)信號(hào)波形，采樣系統(tǒng)能以擴(kuò)展的 方式復(fù)現(xiàn)頻率大大超過(guò)奈奎斯特極限頻率的信號(hào)波形 。通過(guò)等效采樣可以使用較低的采樣頻率獲得較高信號(hào)的輸入采集，從而降低了對(duì) A/D 速度的要求，降低了示波器的硬件成本。 摘要： 單片機(jī)； CPLD；等效采樣；數(shù)字示波器 II Abstract In this paper, the working principle of the oscilloscope were introduced, the MCU and CPLDbased digital storage oscilloscope of the 20M design. FPGA through the control of highspeed A / D converter ADS831 samples the input signal, the signal input frequency in real time when less than 4MHz sampling, higher than the equivalent time sampling 4MHz. Equivalent Sampling is sampling for a number of signal cycles to rehabilitation is a signal waveform, the sampling system can be a way to extend the plex is much higher than the Nyquist frequency limit of the signal wave frequency. Through the use of low equivalent sampling can obtain a higher sampling frequency of the input signal collection, thereby reducing the speed of the AD to reduce the hardware cost oscilloscopes. In this paper, designed by the oscilloscope for the development and manufacture of oscilloscopes have a certain significance. This paper studied the equivalent in the digital sampling oscilloscope in the development of applications, given the production of Digital Oscilloscope 20M program. Designed hardware oscilloscope analog signal processing circuit, CPLD sampling control circuit and the needs of humanputer interaction by singlechip control circuit. Software, depending on the frequency of the input signal the option of using realtime sampling and equivalent sample equivalent, at the same time to achieve a good human interface. The results show that the use of the equivalent sampling technique that can solve highspeed signal measurement cycle brought about by the issue of the need for highspeed sampling to reduce the conversion rate for the requirements of AD to reduce the hardware cost oscilloscopes. This article is in addition to the use of the general characteristics of the equivalent sampling to collect the signal in addition to the use of the equivalent sampling techniques to collect the signal. AD achieved a low rate of highspeed signal acquisition functions, verify the feasibility of the equivalent sampling. Abstract: Singlechip。電子測(cè)量?jī)x器則是采用電子技術(shù)測(cè)量電量或非電量的測(cè)量?jī)x器，一個(gè)國(guó)家的電子測(cè)量技術(shù)水平，在一定程度上反映了該國(guó)的電子技術(shù)水平。這種示波器分成陰極射線管和裝有聚焦旋鈕的主機(jī)兩部分，售價(jià) 265 美元，這在當(dāng)時(shí)是十分昂貴的。 到 1958 年示波器的帶寬達(dá)到了 100MHZ 后便停滯不前。 1971 年，示波器的帶寬提高到 500MHz， 1979 年達(dá)到了 1GHz的高峰。 1951 年上海成立新建電議工業(yè)社，當(dāng)時(shí)職工僅 6 人，從事示波器和其它電子測(cè)量 儀器的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。力科公司在示波器方面世界排行第三，它也推出了各種型號(hào)的示波器，并具有獨(dú)自的特點(diǎn)，能夠自動(dòng)測(cè)試 32 種參數(shù)。 國(guó)內(nèi)示波器主要生產(chǎn)廠家有上海無(wú)線電二十一廠、西安紅華無(wú)線 電廠、遼寧無(wú)線電二廠、江蘇綠揚(yáng)集團(tuán)、北京普源精電科技有限公司等。這樣，沙漏中流出的細(xì)沙，就在紙上留下了一個(gè)正弦波 痕跡，如圖 所示。用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)采樣得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理與運(yùn)算，從而獲得所需的各種信號(hào)參數(shù)。故可以很好地反映出來(lái)。與模擬示波器相反，數(shù)字示波器所顯示的是用采集的波形數(shù)據(jù)重建的波形。 存儲(chǔ)示波器是在傳統(tǒng)示波器設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是傳統(tǒng)示波器功能的擴(kuò)展和補(bǔ)充 。而且存儲(chǔ) 波形還可以擴(kuò)張、壓縮和移動(dòng)。 圖 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的預(yù)置觸發(fā)功能 4． 觀察慢速信號(hào)時(shí)無(wú)閃爍現(xiàn)象 慢速信號(hào)使用傳統(tǒng)示波器觀測(cè)時(shí)光跡存在閃爍現(xiàn)象。 6． 多波形比較分析 數(shù)字存儲(chǔ)示波器能夠存儲(chǔ)多個(gè)波形，并能夠在屏幕上同時(shí)顯示不同時(shí)間或相 8 同時(shí)間發(fā)生的幾個(gè)波形，因而能夠方便地將已存儲(chǔ)下來(lái)的波形與更新波形進(jìn)行比較分析。采用高分辨率的 A/D 變換器也使幅度測(cè)量精度大大提高。 上述兩種不同存儲(chǔ)方式的示波器，各有其優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用特點(diǎn)，但由于數(shù)字存 9 儲(chǔ)示波器比 CRT 模擬存儲(chǔ)示波器有更多優(yōu)點(diǎn)和高的性能價(jià)格比，所以近年來(lái)得到了顯著的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。 通道觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生通道的同步觸發(fā)信號(hào)，使采集的波形在屏幕上穩(wěn)定地顯示出來(lái)。在此過(guò)程中，通常采用采樣保持電路，使模擬輸入保證在足夠的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，以便轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換動(dòng)作，并降低模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器的孔徑時(shí)間。因此考慮到各種因素的限制，如成本等， A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率通常采用 8 位。根據(jù)奈奎斯特定理：要從抽樣信號(hào)中無(wú)失真的恢復(fù)原始信號(hào)，采樣頻率必須大于等于 2 倍信號(hào)最高頻率，即奈奎斯特頻率為信號(hào)頻率的兩倍。乃奎斯特采樣定理告訴我們：要不失真的還原輸入信號(hào)，對(duì)信號(hào)的采樣頻率必須大于或者等于輸入信號(hào)頻率的兩倍。為構(gòu)建重復(fù)信號(hào)的圖象，在每一個(gè)重復(fù)期內(nèi)，等效時(shí)間只采樣采集少量的信息。 圖 等效采樣 從現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)的角度，產(chǎn)生一個(gè)非常短非常精確的Δ t 與準(zhǔn)確測(cè)量與采樣觸發(fā)點(diǎn)相關(guān)的垂直和水平位置相比 ，前者要容易的多。 信號(hào)調(diào)理電路 在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中， A/D 器件對(duì)輸入模擬信號(hào)的幅度有一定的要求范圍，例如本設(shè)計(jì)所采用的 ADS831 的輸入電壓范圍為 ~。但當(dāng)要測(cè)量幅度較大的信號(hào)時(shí)，就需要接入衰減器。 二極管 D D2 的作用鉗制輸入信號(hào)，防止輸入信號(hào)的電壓過(guò)高或者過(guò)低對(duì)信號(hào)處理后面的電路產(chǎn)生危害，將輸入信號(hào)鉗制在一定的電壓范圍之內(nèi)。 圖 程控放大電路 程控放大器電路如圖 所示，被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)衰減耦合之后被送往程控放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的放大，放大倍數(shù)根據(jù)所選擇的電壓值檔位確定。本系統(tǒng)選用的模擬開(kāi)關(guān)的型號(hào)為 CD74HC4052， CD74HC4052 為二選一模擬開(kāi)關(guān)，供電電壓為 ? 5V，輸入信號(hào)的范圍為 ? 5V，導(dǎo)通阻抗典型值為 70? ，帶寬為 100MHz。 硬件觸發(fā)電路 觸發(fā)電路的作用就是保證每次時(shí)基掃描或采集的時(shí)候，都從輸入信號(hào)上與定義的相同的觸發(fā)條件開(kāi)始，這樣每一次掃描或采集的波形就同步，可以每次捕獲的波形相重疊，從而顯示穩(wěn)定的波形，或保證單次信號(hào)的捕獲?？勺冸娮?R28 主要在調(diào)試階段用于手動(dòng)調(diào)節(jié)觸發(fā)電平。 圖 AD 轉(zhuǎn)換電路 ADS831 的采樣精度為 8 位， 8 位轉(zhuǎn)換器對(duì)于示波器來(lái)說(shuō)是夠用的，就本系統(tǒng)來(lái)計(jì)算，本系統(tǒng)選用的 LCD 顯示模塊的分辨率為 320*240，垂直分辨率為 240格，而 8 為轉(zhuǎn)換精度的分辨率為 256 格，比顯示器的分辨率還高，所以絕對(duì)夠用。信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放 U4A 之后電平被提升了 ，從而使輸入信號(hào)1V~+1V 對(duì)應(yīng) ADS831 輸入的 ～ 。本系統(tǒng) MCU 選擇 MEGA128， CPLD 選用ALTERA 公司的 EP1C6T144 器件，可在系統(tǒng)編程。 圖 時(shí)鐘分頻電路 圖 為 CPLD 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘產(chǎn)生電路，其輸出時(shí)鐘的頻率由選擇輸入端。 PB0~PB3 作為SPI 通信端口與主 MCU 相連進(jìn)行兩個(gè)單片機(jī)之間的通信。 PDC~PC5 共 6 個(gè) IO 口接通道 1 的模擬部分的程控電路來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的調(diào)理。 主 MCU 在初始化 LCD、 SPI 之后就一直等待 FIFO 中寫(xiě)滿數(shù)據(jù)，只要一幀數(shù)據(jù)被寫(xiě)滿立即將數(shù)據(jù)讀入 MCU 之中， MCU 在計(jì)算之后直接將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。 所以軟觸發(fā)在達(dá)到觸發(fā)條件后可以非常穩(wěn)定的工作，在本示波器的主 MCU 中控制觸發(fā)的語(yǔ)句見(jiàn)以下程序段： for(i=0。 if(j=374) //若存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不足則跳出循環(huán) break。 SPI 典型的時(shí)序圖 如圖 所示： 圖 SPI 時(shí)序圖 串行外設(shè)接口 SPI 允許 AVR 單片機(jī)和外設(shè)之間進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。 33 圖 SPI 主 /從機(jī)互連 本系統(tǒng)中只用只使用主 MCU 控制從 MCU，所以主 MCU只用于發(fā)送控制數(shù)據(jù)，而從 MCU 只用于接收控制數(shù)據(jù)，所以將主 MCU 配制成 SPI 主機(jī)，將從MCU 配制成 SPI 從機(jī)即可。從 MCU 狀態(tài)機(jī)接收程序如下所示。 else SPI_Status=SPI_START。 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)約定數(shù)據(jù)格式，即兩個(gè)單片機(jī)之間的通信協(xié)議：每次發(fā)送通信三個(gè)個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)為起始字 節(jié)、第二個(gè)字節(jié)為命令字節(jié)，第三個(gè)字節(jié)為參數(shù)字節(jié)。 SPI 主機(jī) 從機(jī)的互連如圖 所示，系統(tǒng)包括兩個(gè)移位寄存器和一個(gè)主時(shí)鐘發(fā)生器。 //顯示波形 程序的意思是只有當(dāng)