【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 不同時(shí)刻的波形。這種預(yù)觸發(fā)特性，特別有利于分析故障產(chǎn)生的原因。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。 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。在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中，由于存儲(chǔ)器的寫入和讀出是不相關(guān)的，寫入存儲(chǔ)器的時(shí)間可以很慢，而從存儲(chǔ)器中讀出信號(hào)是以固定頻率 進(jìn)行的，所以顯示時(shí)，光跡無閃爍現(xiàn)象。 5． 存儲(chǔ)時(shí)間無限長(zhǎng) 數(shù)字存儲(chǔ)示波器是將模擬信號(hào)經(jīng)模 /數(shù)變換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中，只要儀器不停電存儲(chǔ)信號(hào)就可長(zhǎng)期保持，需要時(shí)可隨時(shí)取出進(jìn)行顯示且質(zhì)量不會(huì)變差。若采用 CMOS 存儲(chǔ)器，則耗電很小，在機(jī)內(nèi)裝一電池，即可實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)后仍能存儲(chǔ)信號(hào)的功能。 CRT 模擬存儲(chǔ)示波器是利用特殊的示波管作為存儲(chǔ)器件，以電荷的形式存儲(chǔ)記錄波形，它的存儲(chǔ)波形在較短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)模糊和變暗現(xiàn)象，所以波形存儲(chǔ)時(shí)間和顯示時(shí)間是有限的。它的存儲(chǔ)時(shí)間因存儲(chǔ)技術(shù)不同而異，一般從幾十秒至幾十分鐘，最 長(zhǎng)也不過數(shù)天。另外，數(shù)字存儲(chǔ)示波器與 CRT 模擬存儲(chǔ)示波器或傳統(tǒng)示波器相比較，它的模擬輸出還可以用標(biāo)準(zhǔn)筆記錄儀做廉價(jià)的永久性存儲(chǔ)數(shù)據(jù)硬拷貝。而后者只能使用昂貴的膠片照相作長(zhǎng)期保存。 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)下來的波形與更新波形進(jìn)行比較分析。對(duì)于實(shí)時(shí) /存儲(chǔ)示波器，還可將存儲(chǔ)波形同實(shí)時(shí)波形進(jìn)行對(duì)比。 7．多種靈活的顯示方式 由于被測(cè)信號(hào)是多種多樣和復(fù)雜的，因此需要有多種靈活的顯示方式。 （ 1） 存儲(chǔ)顯示 它可穩(wěn)定、不 閃爍地顯示所存儲(chǔ)的瞬變信號(hào)，同時(shí)顯示的波形還可以擴(kuò)展和移動(dòng)，便于對(duì)瞬變波形進(jìn)行仔細(xì)分析和研究。 （ 2） 滾動(dòng)顯示 這好似數(shù)字存儲(chǔ)示波器特有的工作方式，主要用于連續(xù)觀察低速變化信號(hào)和低重復(fù)頻率信號(hào)，并可檢測(cè)數(shù)據(jù)中隨機(jī)出現(xiàn)的偶發(fā)信號(hào)。 （ 3） 自動(dòng)抹跡 當(dāng)一個(gè)觸發(fā)脈沖到來，觸發(fā)存儲(chǔ)該瞬變并進(jìn)行顯示，其顯示觀察時(shí)間可以控制在給定范圍，當(dāng)觀察時(shí)間過后再有觸發(fā)脈沖到來，則又能重新存儲(chǔ)新的信號(hào)。 8． 測(cè)量精度高 傳統(tǒng)示波器的掃描速度有鋸齒波掃描信號(hào)決定，而數(shù)字存儲(chǔ)示波器的掃描速度由取樣的時(shí)間間隔和掃線上單位長(zhǎng)度所具有的取樣點(diǎn)數(shù)來決定 。由于使用晶振時(shí)鐘，所以具有很高的測(cè)量精度。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。另外，現(xiàn)代數(shù)字存儲(chǔ)示波器普遍采用電壓時(shí)間光標(biāo)數(shù)字測(cè)量，能夠減少輸入放大器和示波管的線性精度的影響，可使精度做的比較高。當(dāng)移動(dòng)被測(cè)波形上光標(biāo)點(diǎn)（或線）位置時(shí)，可迅速精確地測(cè)量出電壓時(shí)間等波形參數(shù)，并可用數(shù)字顯示。 9．便于波形數(shù)據(jù)分析處理 由于數(shù)字存儲(chǔ)示波器是以模擬輸入信號(hào)數(shù)字化和數(shù)字存儲(chǔ)為基礎(chǔ)的，所以便于波形數(shù)據(jù)進(jìn)行各種數(shù)字處理分析。特 別是以微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器，可以編程自動(dòng)程控操作。 同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)信號(hào)還可 進(jìn)行信息處理，如平均迭加、信號(hào)的相關(guān)處理、頻譜分析、能譜分析和 FFT 分析等。亦 可方便的通過標(biāo)準(zhǔn)的GP1B 接口，將存儲(chǔ)信號(hào)傳送至計(jì)算機(jī)或其他外部設(shè)備，進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算和分析處理。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。 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，所以近年來得到了顯著的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。 設(shè)計(jì)任務(wù)與目標(biāo) 設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)用普通示波器顯示被測(cè)波形的簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器 ，示意圖如圖 圖 簡(jiǎn) 易數(shù)字存儲(chǔ)示波器示意圖 要求儀器具有單次觸發(fā)存儲(chǔ)顯示方式，即每按動(dòng)一次“單次觸發(fā)”鍵，儀器在滿足觸發(fā)條件時(shí)，能對(duì)被測(cè)周期信號(hào)或單次非周期信號(hào)進(jìn)行一次采集與存儲(chǔ)，然后連續(xù)顯示；要求儀器的輸入阻抗大于 100KΩ，垂直分辨率為 32 級(jí) /div，水平分辨率為 20點(diǎn) /div；設(shè)示波器顯示屏水平刻度為 10div，垂直分辨率為 32級(jí) /div， 水平分辨率為 20 點(diǎn) /div；設(shè)示波器顯示屏水平刻度為 10div，垂直刻度為 8div；要求設(shè)置 、 、 20us/div 三檔掃描速度，儀器的頻率范圍為DC~50KHZ,誤差不大于 5%；要求設(shè)置 、 1v/div 二檔垂直靈敏度，誤差不大于 5%；一起的觸發(fā)電路采用內(nèi)觸發(fā)方式，要求上升沿觸發(fā)且觸發(fā)電平可調(diào)；觀測(cè)波形無明顯失真。 10 數(shù)字示波器總體結(jié)構(gòu) 數(shù)字存儲(chǔ)示波器主要包括模擬信號(hào)調(diào)理模塊，高速采集存儲(chǔ)模塊，觸發(fā)控制模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，菜單波形的顯示控制模塊以及鍵盤控制模塊等這幾部分組成。圖 所示是本系統(tǒng)的總體方案框圖，主單片機(jī) MEGA128 是系統(tǒng)的核心控制芯片。在前端與高速的采集系統(tǒng)，觸發(fā)系統(tǒng)協(xié)調(diào)動(dòng)作，接收采樣數(shù)據(jù)；后 端通過 LCD 顯示模塊和外部鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)通訊。 探 頭程 控 衰 減 電 路高 速A DF P G A觸 發(fā) 電 路主 M C U從 M C U顯 示 及鍵 盤 圖 示波器總體框圖 模擬信號(hào)調(diào)理電路包括垂直通道調(diào)理電路、耦合控制機(jī)構(gòu)、觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器等。垂直放大器調(diào)整輸入波形的幅度和范圍，放大和衰減、上下移動(dòng)波形等。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。 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。 高速采樣電路：高速 A/D 采集經(jīng)過模擬信號(hào)調(diào)理電路后的信號(hào)，采樣值在FPGA 的控制之 下被存入其內(nèi)部的 FIFO 中，當(dāng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)滿后，單片機(jī)將數(shù)據(jù)取走。高速 A/D 轉(zhuǎn)換器的采集時(shí)鐘由 FPGA 產(chǎn) 生，其輸出頻率是由單片機(jī)通過總線控制的。 觸發(fā)控制電路：由外部的高速模擬比較器和 D/A 組成，由單片機(jī)控制 D/A 11 產(chǎn)生預(yù)置較信號(hào)，與用戶選定的觸發(fā)輸入信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)送入FPGA 內(nèi)，形成觸發(fā)。觸發(fā)信號(hào)進(jìn)入 FPGA 內(nèi)后，觸發(fā)信號(hào)前的采樣數(shù)據(jù)才被保存，觸發(fā)之后的數(shù)據(jù)寫滿之后，等待數(shù)據(jù)的處理和傳輸。 數(shù)字示波器采樣速率 示波器按一定的時(shí)間間隔對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行采樣，然后用 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)這些瞬時(shí)值或采樣值 進(jìn)行轉(zhuǎn)換從而生成代表每一個(gè)采樣電壓的二進(jìn)制數(shù)字，這個(gè)過程稱為數(shù)字化。數(shù)字化包括“采樣”和“量化”兩個(gè)過程。采樣是獲得模擬量輸入信號(hào)離散值的過程，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。在此過程中，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。當(dāng)模擬輸入送到 A/D 轉(zhuǎn)換器后，它將按照示波器面板上“ t/div”開關(guān)（時(shí)基）設(shè)定的采樣速率進(jìn)行采樣和量化處理，從而得到一串?dāng)?shù)據(jù)流 (二進(jìn)制編碼信號(hào) )，并在邏輯電路控制下，將數(shù)字信號(hào)依次寫入波形存儲(chǔ)器 。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣的速度稱為采樣速率。最高采樣速率由 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率決定，采樣速率由采樣時(shí)鐘控制。 測(cè)量分辨率是存儲(chǔ)信號(hào)波形細(xì)節(jié)分析的綜合特性，它包括電壓分辨率（或垂直分辨率）和時(shí)間分辨率（或水平分辨率）。 電壓分辯率是每個(gè)采樣點(diǎn)的模擬量對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字的位數(shù)，也就是對(duì)信號(hào)所能識(shí)別的電壓細(xì)節(jié)的多少。它是由 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率決定，常以 A/D 轉(zhuǎn)換器具有的數(shù)據(jù)的位數(shù)（ Bit）、百分?jǐn)?shù)及每格的分級(jí)數(shù)（級(jí)數(shù) /div）來表示。在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中，電壓分辨率是決定系統(tǒng)精度的主要因素，一般地說，位數(shù)多分辨率高 ，但位數(shù)多轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)，采樣速率降低，隨著輸入信號(hào)頻率的升高，電壓分辨率反而下降。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?？紤]到本系統(tǒng)的指標(biāo)要求，選用了 8Bits 的 A/D 轉(zhuǎn)換器。 水平系統(tǒng)的作用是確保對(duì)輸入信號(hào)采集足夠數(shù)量的采樣值，并且每個(gè)采樣值取自正確的時(shí)刻，和模擬示波器一樣，水平偏轉(zhuǎn)的速度取決于時(shí)基的設(shè)置（ s/格）。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)基設(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。了解這一時(shí)基設(shè)置值是非常重要的，因?yàn)檫@個(gè)值是示波器采集非重復(fù)性信號(hào)時(shí)的最快的時(shí)基設(shè)置，使用這個(gè)時(shí)基設(shè)置時(shí)示波器能給出其可能的最好的時(shí)間分辨率。此時(shí)基設(shè)置值稱為“最大單次掃描時(shí)基設(shè)置值”，在這個(gè)設(shè)置值之下示波器使用“最大實(shí)時(shí)采樣速率”進(jìn)行工作。這個(gè)采樣速率也就是在示波器的技術(shù)指 12 標(biāo)中所給出的采樣速率。根據(jù)奈奎斯特定理：要從抽樣信號(hào)中無失真的恢復(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。示波器是用來研究波形信號(hào)的，為了更好的研究 主要事情，不僅要求正確的表示信號(hào)頻率并且還要求準(zhǔn)確地表示信號(hào)波形的幅度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通常認(rèn)為每周期最少要十個(gè)采樣點(diǎn)才能給出足夠的信號(hào)細(xì)節(jié)，在有些情況下，對(duì)信號(hào)的細(xì)節(jié)要求低一些，這時(shí)每周期取五個(gè)樣點(diǎn)可能就足以給出有關(guān)信號(hào)的特性。 本次設(shè)計(jì)以要求最大的采樣率為 50MSa/s，能夠準(zhǔn)確采集的最大信號(hào)頻率為 20MHz。對(duì)正弦波來說，點(diǎn)顯示要給出精確的信號(hào)重現(xiàn)，需要大約每周 25 次采樣，矢量顯示也需要每周約 10 次采樣。顯然要用 50MSa/s 的采樣速率來顯示20MHz 的信號(hào)是不可能的，在這種情況下，還可以使用特殊的方法來提 高示波器的保真度，其方法是通過等效采樣的方法來采集數(shù)據(jù)。因此示波器在測(cè)量4MHz 以下的信號(hào)時(shí)采用實(shí)時(shí)采樣，測(cè)量 4MHz 以上信號(hào)時(shí)使用等效采樣，使用這種方案能夠?qū)崿F(xiàn)性價(jià)比計(jì)較高的示波器制作。 數(shù)字示波器采樣原理 為了測(cè)量高速模擬信號(hào)，必須采用高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)。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。但是在現(xiàn)實(shí)中，要想準(zhǔn)確的還原輸入信號(hào)，對(duì)輸入信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的采樣必須大于 10 個(gè)點(diǎn)，這樣繪制出來的波形才能比較準(zhǔn)確的反應(yīng)輸入信號(hào)。因此在對(duì)輸入 信號(hào)進(jìn)行采集的時(shí)候，可以采用以下兩種方案： （ 1）實(shí)時(shí)采樣技術(shù) 圖 實(shí)時(shí)采樣 實(shí)時(shí)采樣原理圖如圖 所示，高速 AD 等間隔的對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，將模擬信號(hào)數(shù)字化，然后將數(shù)字化的信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)變換之后，以設(shè)定的s/div 間隔將采集到的信號(hào)以點(diǎn)顯示在 LCM 上面。通常示波器為了使顯示的波形 13 更加完美漂亮，一般都會(huì)將顯示波形中相鄰的兩點(diǎn)用直線或者曲線連接起來，這樣看起來的波形更加接近實(shí)際輸入信號(hào)的波形。使用此種原理進(jìn)行采樣的優(yōu)點(diǎn)是硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，有很多資料可以參考。其缺點(diǎn)在于對(duì) AD 的速度要求比較高，這直接 關(guān)系到示波器的成本和使用范圍，因此較低速的 AD 只能得到較低的性能 （ 2）等效采樣 在測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)，示波器可能不能在一次掃描中收集足夠的樣值。如圖 所示，當(dāng)信號(hào)頻率超過示波器采樣頻率的一半時(shí)，等效時(shí)間采樣可以精確捕獲這些信號(hào)。等效時(shí)間數(shù)字化器（采樣器）利用的原理是，大多數(shù)自然產(chǎn)生和人為構(gòu)造的對(duì)象都具有重復(fù)性。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。象一串燈一盞一盞依次點(diǎn)亮那樣，波形逐漸累積而成。利用這樣的方式，即使信號(hào)的頻率成分遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于示波器的采樣速率，也能形成精確地采 樣。 連續(xù)等效時(shí)間采樣在每一個(gè)觸發(fā)捕獲一個(gè)樣值，而不依賴于時(shí)間 / 格（ time/div）的設(shè)置和掃描速度，如圖 6 所示。每發(fā)現(xiàn)一個(gè)觸發(fā)，經(jīng)過一段雖然非常短卻明確的延遲，就獲得樣值。當(dāng)發(fā)生下一次觸發(fā)時(shí)，延遲增加一段小的時(shí)間增量（Δ t），數(shù)字轉(zhuǎn)換器則又采下一個(gè)樣值。該過程重復(fù)多次，Δ t 不斷增加到前一個(gè)捕獲量中，直到時(shí)間窗口填滿。當(dāng)需要顯示到示波器屏幕中的時(shí)候，樣點(diǎn)從左到右沿著波形順序出現(xiàn)。 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。精確的測(cè)量延遲使連續(xù)采樣器很難控制時(shí)間間隔分辨能力。既然如此，如果采用連續(xù)采樣，一旦發(fā)現(xiàn)觸發(fā)電平，就對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，如果沒有模擬延遲線，觸發(fā)點(diǎn)不可能得到顯示，但是延遲線的存在會(huì)減少儀器的帶寬。 14 如圖 所示：對(duì)于輸入信號(hào)，設(shè)其周期為 T，如果能夠準(zhǔn)確地得到其 T/n的時(shí)間，那么就可以每隔 Tnm ??????? ?1時(shí)間采樣一次，采 n 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)際上與在一個(gè)周期內(nèi)采 n 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是等價(jià)的。 15 3 數(shù)字示波器硬件設(shè)計(jì) 數(shù)字示波器可以劃分為三個(gè)基本組成部分：前端信號(hào)調(diào)理部分、數(shù)據(jù)采集處理部分、交互輸入輸出部分及相關(guān)的附屬電路。 前端模擬部分包括輸入電路、衰減電路、程控放大器電路、低通濾波電路、電平移位電路、觸發(fā)電路和 A/D 轉(zhuǎn)換器，其主要功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、采集、量化和對(duì)控制器產(chǎn)生觸發(fā)。數(shù)據(jù)采集處理部分主要為 CPLD，其主要功能是高速的控制 AD采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖。交互輸入輸出部分主要由 MCU 構(gòu)成，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì) DSO 系統(tǒng)的控制和管理處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)波形的顯示和鍵盤界面的輸入。 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