【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 進(jìn)行顯示，這就是說水平軸的長(zhǎng)為 512/50=格。據(jù)此，兩個(gè)采樣之間的時(shí)間間隔可按下式計(jì)算： 采樣間隔 =時(shí)基設(shè)置 (s/格 )/采 樣點(diǎn)數(shù) (式 21) 若時(shí)基設(shè)置為 lms/格，且每格有 50個(gè)采樣，則可以計(jì)算出采樣間隔為： 采樣間隔 =1ms/50=20us (式 22) 采樣速率是采樣間隔的倒數(shù)： 采樣速率 =1/采樣間隔 (式 23) 通常示波器可以顯示的采樣點(diǎn)數(shù)是固定的，時(shí)基設(shè)置的改變是通過改變采樣速率來實(shí)現(xiàn)的，因此一臺(tái)特定的示波器所給出的采樣速率只有在某一特定的時(shí)時(shí)設(shè)置之下才是有效的。在較低的時(shí)基設(shè)置之下，示波器使用的采樣速率也比較低。 8 存儲(chǔ)深度 存儲(chǔ)深度又叫記錄長(zhǎng)度或采集長(zhǎng)度，是示波器可以存儲(chǔ)的采樣點(diǎn)數(shù)。一臺(tái)DSO 的記錄時(shí)間長(zhǎng)度是由采樣速率和存儲(chǔ)深度決定的，三者之問的關(guān)系可以用式(24)表示： 記錄時(shí)長(zhǎng) =存儲(chǔ)深度 247。 采樣速率 (式 24) 對(duì)于給定的存儲(chǔ)深度，采樣速率越大，可記錄的時(shí)間就越短。然而， 在實(shí)際的測(cè)量工作中，用戶在需要一個(gè)高采樣速率的同時(shí)，還需要較長(zhǎng)的記錄時(shí)間，這樣才能避免走樣，并且便于觀察信號(hào)波形。 要滿足這些要求就需要 DSO 有足夠大的存儲(chǔ)深度，才可以在高采樣速率的情況下，獲得較長(zhǎng)的波形記錄時(shí)間。但是，很多 DSO或是邏輯分析儀的內(nèi)存都不夠大，僅能存儲(chǔ)幾千個(gè)采樣點(diǎn) (有時(shí)甚至低至幾百個(gè)采樣點(diǎn) )，存儲(chǔ)時(shí)間也只 有幾個(gè)毫秒。 9 3 數(shù)字示存儲(chǔ)示波器的總體設(shè)計(jì) 本文中 設(shè)計(jì)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器 由硬件電路和計(jì)算機(jī)軟件部分組成， 系統(tǒng) 如圖31 所示。 被測(cè)信號(hào) 硬件電路 計(jì)算機(jī)軟件 圖 31 系統(tǒng)示意圖 圖 32是基于 PC機(jī)的 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的系統(tǒng)框圖 。 該系統(tǒng) 采用 AT89C52 單片機(jī)作為控制核心，采用可編程器件（ ALTERA 公司的EPM7128SLC8415）來實(shí)現(xiàn) 對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的控制。由于可編程器件的工作頻率很高，所以用它控制高速 A/D 工作是合適的，同時(shí)又有著 MAXPLUSII 這樣強(qiáng)大的軟件予以支持，所以設(shè)計(jì)調(diào)試都會(huì)變得十分方便。 控制邏輯從總線上監(jiān)控這些數(shù)據(jù)以等待觸發(fā)點(diǎn)的到來。采用這樣的觸發(fā)設(shè)計(jì)方法就無需設(shè)計(jì)通常所需的觸發(fā)電路，并且可以縮短模擬信號(hào)路徑，從而減少噪聲干擾。它的另一個(gè)好處在于，用作邏輯分析儀時(shí)，還可在觸發(fā)點(diǎn)處停止對(duì)數(shù)字信號(hào)的采集。 除了觸發(fā)控制之外，控制邏輯中還包含了其他高級(jí)模式，比如預(yù)觸發(fā)模式?？刂七壿嬛羞€將產(chǎn)生存儲(chǔ)器控制信號(hào)，當(dāng)存儲(chǔ)器被寫滿時(shí)，就會(huì)停 止數(shù)據(jù)采集，并通過并口將數(shù)據(jù)送往 PC機(jī)。 從圖 32中可以看出， 兩個(gè)通道之間完全是相互分離的，那么，它們就可以單獨(dú)使用。例如，可以讓通道 A用作邏輯分析儀，同時(shí)通道 B處于模擬輸入方式。如果選擇用兩路模擬輸入，并使得二者的相位相差 180度，就可能得到雙倍 的等效采樣率 。 當(dāng)數(shù)據(jù)被送入 PC機(jī)之后，通過軟件對(duì)其進(jìn)行交叉存儲(chǔ)再重建波形。這種情 10 況下，雖然信號(hào)采樣率比通常情況高一倍，記錄長(zhǎng)度并沒有縮短，因?yàn)閮蓚€(gè)存儲(chǔ)器都用來存儲(chǔ)同一個(gè)波形的數(shù)據(jù)，也就是說存儲(chǔ)深度也增加了一倍 ，同時(shí) 記錄長(zhǎng)度不會(huì)減少。 為了穩(wěn)定實(shí)時(shí)的顯示波形，必須 使采樣數(shù)據(jù)輸出與掃描信號(hào)同步，同時(shí)掃描速度要快，所以也應(yīng)該用可編程器件來控制波形數(shù)據(jù)的輸出。由于EPM7128SLC8415 的硬件資源不是十分豐富，為了以后功能擴(kuò)展方便，所以我們選用了兩片該器件分別控制著模擬信號(hào)的采樣以及采樣數(shù)據(jù)的輸出，用單片機(jī)控制并協(xié)調(diào)它們之間的工作。 圖 32 基于 PC 機(jī)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器的系統(tǒng)框圖 器件的選擇 本文要設(shè)計(jì)的是一個(gè)低成本的 價(jià)廉物美的數(shù)字示波器，所以我在選擇器件時(shí)首先考慮的是在合理的價(jià)位上盡量選擇性價(jià)比最高的器件。還有是考慮到目前電路設(shè)計(jì)的主流為 ，為了使 DSO系統(tǒng)具有更好的兼容性，在器件選擇AT89C52 信號(hào)調(diào)整電路 信號(hào)選擇 雙口ＲＡＭ Ｄ／Ａ輸出電路 高速Ａ／Ｄ電路 普通示波器 EPM240 EPM240 鋸齒波 Ｄ／Ａ 觸發(fā)電路 鍵盤 顯示器 Ａ／Ｄ 程控放大電路 ８２５５ X Y Z 信號(hào)一 信號(hào)二 11 上，盡量選用 。 核心控制 —— AT89C52 數(shù)字存儲(chǔ)示波器是由單片機(jī) AT89C52 來進(jìn)行控制。 AT89C52 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位 單片機(jī) ，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 FLASH 只讀程序存儲(chǔ)器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司 的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元， AT89C52 單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。 AT89C52 為 8 位通用微處理器 ，采用工業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)的 C51 內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的 8xc52 相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。功能包括對(duì)會(huì)聚主 IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù) RAM 及外部接口等功能部件的初始化，會(huì)聚調(diào)整 控制，會(huì)聚測(cè)試圖控制，紅外遙控信號(hào) IR 的接收解碼及與主板 CPU 通信等。主要管腳有： XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接 12MHz 晶振。 RST（ 9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。 VCC（ 40腳）和 VSS（ 20腳）為供電端口，分別接 +5V電源的正負(fù)端。 P0P3 為可編程通用 I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計(jì)中， P0 端口（ 3239 腳）被定義為 N1 功能控制端口，分別與 N1 的相應(yīng)功能管腳相連接， 13 腳定義為 IR 輸入端， 10 腳和 11 腳定義為 I2C 總 線控制端口，分別連接 N1 的 SDAS（ 18 腳）和SCLS（ 19 腳）端口， 12 腳、 27 腳及 28 腳定義為握手信號(hào)功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測(cè)及會(huì)聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。 邏輯控制 —— ALTERA EPM240 控制邏輯是 DSO的硬件系統(tǒng)的控制單元，設(shè)計(jì)者們通常采用一塊或多塊 FPGA或是 CPLD來實(shí)現(xiàn)。 FPGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列 (Field Programmable Gate Array)的英文縮寫，是可編程邏輯器件的一種。 CPLD是復(fù)雜可編程邏輯器件 (Complex Programmable Logic Device)的英文縮寫，也是一種可編程邏輯器件。 FPGA/CPLD通常由許多邏輯單元組成，每個(gè)邏輯單元都由一個(gè)觸發(fā)器 (flipflop)和一些簡(jiǎn)單的組合邏輯構(gòu)成。邏輯塊是由多個(gè)邏輯單元就構(gòu)成的，同一個(gè)塊內(nèi)部的邏輯單元之間都有可編程的連接關(guān)系。通過對(duì)邏輯單元和他們之間的連接關(guān)系進(jìn)行配 12 置，構(gòu)建復(fù)雜的邏輯系統(tǒng)。這個(gè)配置的過程，是通過用硬件編程語(yǔ)言 (如 Verilog HDL， NHDL， AHDL等 )的編程設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的。編程設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)有很多，比如ALTERA公司的 Quartus II軟件， XILINX公司的 ISE Foundation等。 了解了一些 FPGA/CPLD的相關(guān)知識(shí)之后，結(jié)合本次課題設(shè)計(jì)的需要，決定選擇 ALTERA公司的 EPM240T100C5器件，它是 MAXU系列的成員之一。 它是 ALTERA推出的 MAX II器件系列，是迄今成本最低的 CPLD。 MAX II器件采用了全新的 CPLD體系結(jié)構(gòu)，在所有 CPLD系列中單位 I/O成本最低，功耗最低。它有 240個(gè)邏輯單元，是TQFP封裝，有 100個(gè)引腳，其中 80個(gè)是用戶可配置的 I/O引腳。器件型號(hào)中的 C5表示速度等級(jí)，同 類型的產(chǎn)品有 3個(gè)速度等級(jí)，分別是 C3， C4， C5，其中 C3的速度最快。 (由于購(gòu)買時(shí)供應(yīng)商只能提供帶 C5后綴的器件，所以我們沒有選擇速度最快的 EPlVl240T100C3。 )整個(gè)芯片的核心電壓是 ，外部供電電壓是 。 EPM240是基于 EEPROM技術(shù)的一款 CPLD，只需使用 ByteblasterII下載電纜和Quartus II軟件配置即可實(shí)現(xiàn) 對(duì) 其在線編程 。對(duì)比基于 SRAM技術(shù)的 FPGA/CPLD而言， EPM240的在線配置大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程，因?yàn)榛?SRAM技術(shù)的器件在系統(tǒng)加電時(shí)都需 要進(jìn)行配置下載，這樣，它們的在線編程通常是通 過單片機(jī)配置的方法來實(shí)現(xiàn)，而采用單片機(jī)配置就需要增加許多額外的外圍電路，并且在配置 FPGA或 CPLD之前，還需要進(jìn)行單片機(jī)調(diào)試工作，這無疑給系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加了不必要的麻煩。所以我們選用了基于 EEPROM技術(shù)的 EPM240。 A/D 轉(zhuǎn)換器 —— AD9238 A/D轉(zhuǎn)換器 （ 也就是 ADC） 是具有對(duì)模擬信號(hào)波形進(jìn)行采樣并產(chǎn)生數(shù)字化輸出的功能器件。作為示波器的核心模塊之一， A/D轉(zhuǎn)換器的性能直接決定著示波器的帶寬，而帶寬作為示波器的三大基本指標(biāo)之一，決定了示波器對(duì)信號(hào) 的基本測(cè)量能力。 基本工作原理： ADC首先對(duì)輸入波形進(jìn)行采樣，再將采樣點(diǎn)處的信號(hào)電平轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字表示。 轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)字的位數(shù)就是 ADC的分辨率。分辨率越高，能表示的電平級(jí)數(shù)就越多，它們之間的關(guān)系可以用式 31表示： 電平級(jí)數(shù) N=2^分辨率 （式 31） 13 轉(zhuǎn)換的方法之一就是逐位逼近。逐位逼近的數(shù)字化過程是用一系列的基準(zhǔn)電壓與被轉(zhuǎn)換電壓 iu 相比較，由高位至低位逐位確定各位數(shù)碼是 1還是 0。 以上對(duì) ADC的基本原理進(jìn)行了粗略的介紹，對(duì)它有了一定的了解之后，可以開始 為此次的 DSO設(shè)計(jì)選擇合適的 A/D轉(zhuǎn)換器。 本文中 DSO系統(tǒng)采用 8位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換，那么選擇 DSO的條件之一是：分辨率為 8位 ， 最高采樣率約為40MHz?？紤]到 ADC作為硬件系統(tǒng)的一個(gè)模塊時(shí)，其性能不可能達(dá)到其最大規(guī)格，那么選擇 ADC的條件之二是：采樣率約為 60MHz。綜合以上的條件，選擇了 ANALOG公司的 AD9283。 AD9283的模擬信號(hào)輸入可以是差分輸入或者單端輸入。信號(hào)經(jīng)緩沖送入片上的“ sampleandhold”電路。 ADC的核心體系結(jié)構(gòu)采用了一種帶轉(zhuǎn)換電容技術(shù) 的逐位轉(zhuǎn)換器。輸出模塊 把數(shù)據(jù)組成一排，經(jīng)糾錯(cuò)之后送給 8個(gè)輸出緩沖器。 AD9283內(nèi)部帶有參考電壓 ()，由外部的 ENCODE輸入提供時(shí)鐘信號(hào)。其數(shù)據(jù)輸出可以兼容 TTL和 CMOS電平。輸出緩沖由單獨(dú)的電源供電，以便控制數(shù)據(jù)輸出電平為 。 AD9283的 PWRDWN輸入為高時(shí)，輸出都將呈現(xiàn)高阻態(tài)； PWRDWN為低時(shí)，輸出緩沖才能將信號(hào)送出。 存儲(chǔ)器 —— AL422B 本文設(shè)計(jì)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器 對(duì)存儲(chǔ)器的要求： 8位的數(shù)據(jù)總線寬 ， 384Kx8bits的存儲(chǔ)容量 ， 每秒 40M字節(jié)的數(shù)據(jù)傳送率 ， 讀、寫端口分開 (雙端口 )。 雖然選用讀、寫端口分開的存儲(chǔ)器并不是一定需要的，但是選擇雙端口的存儲(chǔ)器將大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。經(jīng)過對(duì)一些存儲(chǔ)器的比較和分析，我們選擇了 AVERLOGIC公司的AL422B作為此 DSO的存儲(chǔ)器模塊。因?yàn)樵诂F(xiàn)有的 FIFO存儲(chǔ)器中，它具有很高的存儲(chǔ)位 /價(jià)格之比。這是一種專用于視頻緩沖的幀緩沖器，由于具有這樣的應(yīng)用背景，它有相對(duì)較大的存儲(chǔ)容量 (每片 AL422B的存儲(chǔ)容量為 384K*8bits)，快速的數(shù)據(jù)傳輸率，和分開的讀寫端口。另外，這樣的幀緩沖器通常集成了基本的存儲(chǔ)器控制邏輯，可以方便和簡(jiǎn)化整個(gè)電路設(shè) 計(jì)。 AL422B是基于 DRAM技術(shù)的存儲(chǔ)器。 DRAM往往需要特殊的控制，并且數(shù)據(jù)傳輸率相對(duì)較低。但是 AL422B采用高集成度設(shè)計(jì)，避免了這些缺點(diǎn)。對(duì)很多幀緩沖器來說，外部數(shù)據(jù)總線雖然是 8位，但其內(nèi)部 的 確使用了很寬的數(shù)據(jù)總線，這樣就 14 可以通過數(shù)據(jù)并行提高數(shù)據(jù)傳送速率。高速邏輯可以將內(nèi)部總線分成 8個(gè)位段，再送給輸出數(shù)據(jù)總線。另外， AL422B中還集成了 DRAM控制器和地址產(chǎn)生邏輯。數(shù)據(jù)被寫入時(shí)，其寫入地址是由寫指針來確定的。寫指針的值會(huì)隨著數(shù)據(jù)的寫入而遞增，或者在開始寫入時(shí)被清零。但是，寫指針不能被任意賦值，所 以，所有的寫操作都必須是順序?qū)懭搿?AL422B內(nèi)部就像一個(gè)循環(huán)緩沖區(qū)，因?yàn)楫?dāng)寫指針到達(dá)存儲(chǔ)器的尾地址時(shí)，它將自動(dòng)回到地址零所在，并覆蓋已存在的數(shù)據(jù)。類似的，讀操作也是使用這樣的讀指針。所以，幀緩沖器也叫做先進(jìn)先出緩沖器 (First In First O