【文章內容簡介】 不同時刻的波形。這種預觸發(fā)特性，特別有利于分析故障產生的原因。另外，窗口觸發(fā)和數(shù)字組合觸發(fā)在數(shù)字電路、計算機的調試中十分有用。 圖 數(shù)字存儲示波器的預置觸發(fā)功能 4． 觀察慢速信號時無閃爍現(xiàn)象 慢速信號使用傳統(tǒng)示波器觀測時光跡存在閃爍現(xiàn)象。在數(shù)字存儲示波器中，由于存儲器的寫入和讀出是不相關的，寫入存儲器的時間可以很慢，而從存儲器中讀出信號是以固定頻率 進行的，所以顯示時，光跡無閃爍現(xiàn)象。 5． 存儲時間無限長 數(shù)字存儲示波器是將模擬信號經模 /數(shù)變換器轉換成數(shù)字信號存儲于半導體存儲器中，只要儀器不停電存儲信號就可長期保持，需要時可隨時取出進行顯示且質量不會變差。若采用 CMOS 存儲器，則耗電很小，在機內裝一電池，即可實現(xiàn)關機后仍能存儲信號的功能。 CRT 模擬存儲示波器是利用特殊的示波管作為存儲器件，以電荷的形式存儲記錄波形，它的存儲波形在較短時間內出現(xiàn)模糊和變暗現(xiàn)象，所以波形存儲時間和顯示時間是有限的。它的存儲時間因存儲技術不同而異，一般從幾十秒至幾十分鐘，最 長也不過數(shù)天。另外，數(shù)字存儲示波器與 CRT 模擬存儲示波器或傳統(tǒng)示波器相比較，它的模擬輸出還可以用標準筆記錄儀做廉價的永久性存儲數(shù)據硬拷貝。而后者只能使用昂貴的膠片照相作長期保存。 6． 多波形比較分析 數(shù)字存儲示波器能夠存儲多個波形，并能夠在屏幕上同時顯示不同時間或相 8 同時間發(fā)生的幾個波形，因而能夠方便地將已存儲下來的波形與更新波形進行比較分析。對于實時 /存儲示波器，還可將存儲波形同實時波形進行對比。 7．多種靈活的顯示方式 由于被測信號是多種多樣和復雜的，因此需要有多種靈活的顯示方式。 （ 1） 存儲顯示 它可穩(wěn)定、不 閃爍地顯示所存儲的瞬變信號，同時顯示的波形還可以擴展和移動，便于對瞬變波形進行仔細分析和研究。 （ 2） 滾動顯示 這好似數(shù)字存儲示波器特有的工作方式，主要用于連續(xù)觀察低速變化信號和低重復頻率信號，并可檢測數(shù)據中隨機出現(xiàn)的偶發(fā)信號。 （ 3） 自動抹跡 當一個觸發(fā)脈沖到來，觸發(fā)存儲該瞬變并進行顯示，其顯示觀察時間可以控制在給定范圍，當觀察時間過后再有觸發(fā)脈沖到來，則又能重新存儲新的信號。 8． 測量精度高 傳統(tǒng)示波器的掃描速度有鋸齒波掃描信號決定，而數(shù)字存儲示波器的掃描速度由取樣的時間間隔和掃線上單位長度所具有的取樣點數(shù)來決定 。由于使用晶振時鐘，所以具有很高的測量精度。采用高分辨率的 A/D 變換器也使幅度測量精度大大提高。另外，現(xiàn)代數(shù)字存儲示波器普遍采用電壓時間光標數(shù)字測量，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。當移動被測波形上光標點（或線）位置時，可迅速精確地測量出電壓時間等波形參數(shù)，并可用數(shù)字顯示。 9．便于波形數(shù)據分析處理 由于數(shù)字存儲示波器是以模擬輸入信號數(shù)字化和數(shù)字存儲為基礎的，所以便于波形數(shù)據進行各種數(shù)字處理分析。特 別是以微處理器為基礎的數(shù)字存儲示波器，可以編程自動程控操作。 同時對存儲信號還可 進行信息處理，如平均迭加、信號的相關處理、頻譜分析、能譜分析和 FFT 分析等。亦 可方便的通過標準的GP1B 接口，將存儲信號傳送至計算機或其他外部設備，進行更復雜的數(shù)據運算和分析處理。亦 可構成自動測試系統(tǒng)，成為強有力的系統(tǒng)單元。 上述兩種不同存儲方式的示波器，各有其優(yōu)缺點和應用特點，但由于數(shù)字存 9 儲示波器比 CRT 模擬存儲示波器有更多優(yōu)點和高的性能價格比，所以近年來得到了顯著的發(fā)展和廣泛的應用。 設計任務與目標 設計并制作一臺用普通示波器顯示被測波形的簡易數(shù)字存儲示波器 ，示意圖如圖 圖 簡 易數(shù)字存儲示波器示意圖 要求儀器具有單次觸發(fā)存儲顯示方式，即每按動一次“單次觸發(fā)”鍵，儀器在滿足觸發(fā)條件時，能對被測周期信號或單次非周期信號進行一次采集與存儲，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 /div，水平分辨率為 20點 /div；設示波器顯示屏水平刻度為 10div，垂直分辨率為 32級 /div， 水平分辨率為 20 點 /div；設示波器顯示屏水平刻度為 10div，垂直刻度為 8div；要求設置 、 、 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)電路采用內觸發(fā)方式，要求上升沿觸發(fā)且觸發(fā)電平可調；觀測波形無明顯失真。 10 數(shù)字示波器總體結構 數(shù)字存儲示波器主要包括模擬信號調理模塊，高速采集存儲模塊，觸發(fā)控制模塊，數(shù)據處理模塊，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 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)調動作，接收采樣數(shù)據；后 端通過 LCD 顯示模塊和外部鍵盤實現(xiàn)人機通訊。 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 模擬信號調理電路包括垂直通道調理電路、耦合控制機構、觸發(fā)信號發(fā)生器等。垂直放大器調整輸入波形的幅度和范圍，放大和衰減、上下移動波形等。必須把不同幅度的信號進行變換以適應 AD 采樣的范圍，這樣就可以按照標尺刻度對波形進行測量，為此就要求對大信號進行衰減、對小信號進行放大。 通道觸發(fā)信號發(fā)生器產生通道的同步觸發(fā)信號，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 采集經過模擬信號調理電路后的信號，采樣值在FPGA 的控制之 下被存入其內部的 FIFO 中，當存儲數(shù)據滿后，單片機將數(shù)據取走。高速 A/D 轉換器的采集時鐘由 FPGA 產 生，其輸出頻率是由單片機通過總線控制的。 觸發(fā)控制電路：由外部的高速模擬比較器和 D/A 組成，由單片機控制 D/A 11 產生預置較信號，與用戶選定的觸發(fā)輸入信號進行比較，產生觸發(fā)信號送入FPGA 內，形成觸發(fā)。觸發(fā)信號進入 FPGA 內后，觸發(fā)信號前的采樣數(shù)據才被保存，觸發(fā)之后的數(shù)據寫滿之后，等待數(shù)據的處理和傳輸。 數(shù)字示波器采樣速率 示波器按一定的時間間隔對信號電壓進行采樣，然后用 A/D 轉換器對這些瞬時值或采樣值 進行轉換從而生成代表每一個采樣電壓的二進制數(shù)字，這個過程稱為數(shù)字化。數(shù)字化包括“采樣”和“量化”兩個過程。采樣是獲得模擬量輸入信號離散值的過程，而量化則是使每個取得的離散值轉換成二進值數(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間內保持穩(wěn)定，以便轉換器完成轉換動作，并降低模 /數(shù)轉換器的孔徑時間。當模擬輸入送到 A/D 轉換器后，它將按照示波器面板上“ t/div”開關（時基）設定的采樣速率進行采樣和量化處理，從而得到一串數(shù)據流 (二進制編碼信號 )，并在邏輯電路控制下，將數(shù)字信號依次寫入波形存儲器 。對輸入信號進行采樣的速度稱為采樣速率。最高采樣速率由 A/D 轉換器的轉換速率決定，采樣速率由采樣時鐘控制。 測量分辨率是存儲信號波形細節(jié)分析的綜合特性，它包括電壓分辨率（或垂直分辨率）和時間分辨率（或水平分辨率）。 電壓分辯率是每個采樣點的模擬量對應的二進制數(shù)字的位數(shù)，也就是對信號所能識別的電壓細節(jié)的多少。它是由 A/D 轉換器的分辨率決定，常以 A/D 轉換器具有的數(shù)據的位數(shù)（ Bit）、百分數(shù)及每格的分級數(shù)（級數(shù) /div）來表示。在數(shù)字存儲示波器中，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)多轉換時間長，采樣速率降低，隨著輸入信號頻率的升高，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 轉換器的分辨率通常采用 8 位?？紤]到本系統(tǒng)的指標要求，選用了 8Bits 的 A/D 轉換器。 水平系統(tǒng)的作用是確保對輸入信號采集足夠數(shù)量的采樣值，并且每個采樣值取自正確的時刻，和模擬示波器一樣，水平偏轉的速度取決于時基的設置（ s/格）。通常示波器可以顯示的采樣點數(shù)是固定的，時基設置的改變是通過改變采樣速率來實現(xiàn)的，因此一臺特定的示波器所給出的采樣速率只有在某一特定的時基設置之下才是有效的。在較 低的時基設置之下，示波器使用的采樣速率也比較低。了解這一時基設置值是非常重要的，因為這個值是示波器采集非重復性信號時的最快的時基設置，使用這個時基設置時示波器能給出其可能的最好的時間分辨率。此時基設置值稱為“最大單次掃描時基設置值”，在這個設置值之下示波器使用“最大實時采樣速率”進行工作。這個采樣速率也就是在示波器的技術指 12 標中所給出的采樣速率。根據奈奎斯特定理：要從抽樣信號中無失真的恢復原始信號，采樣頻率必須大于等于 2 倍信號最高頻率，即奈奎斯特頻率為信號頻率的兩倍。示波器是用來研究波形信號的，為了更好的研究 主要事情，不僅要求正確的表示信號頻率并且還要求準確地表示信號波形的幅度。根據經驗通常認為每周期最少要十個采樣點才能給出足夠的信號細節(jié)，在有些情況下，對信號的細節(jié)要求低一些，這時每周期取五個樣點可能就足以給出有關信號的特性。 本次設計以要求最大的采樣率為 50MSa/s，能夠準確采集的最大信號頻率為 20MHz。對正弦波來說，點顯示要給出精確的信號重現(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。因此示波器在測量4MHz 以下的信號時采用實時采樣，測量 4MHz 以上信號時使用等效采樣，使用這種方案能夠實現(xiàn)性價比計較高的示波器制作。 數(shù)字示波器采樣原理 為了測量高速模擬信號，必須采用高速的模數(shù)轉換技術。乃奎斯特采樣定理告訴我們：要不失真的還原輸入信號，對信號的采樣頻率必須大于或者等于輸入信號頻率的兩倍。但是在現(xiàn)實中，要想準確的還原輸入信號，對輸入信號在一個周期內的采樣必須大于 10 個點，這樣繪制出來的波形才能比較準確的反應輸入信號。因此在對輸入 信號進行采集的時候，可以采用以下兩種方案： （ 1）實時采樣技術 圖 實時采樣 實時采樣原理圖如圖 所示，高速 AD 等間隔的對輸入信號進行采樣，將模擬信號數(shù)字化，然后將數(shù)字化的信號經過相應的坐標變換之后，以設定的s/div 間隔將采集到的信號以點顯示在 LCM 上面。通常示波器為了使顯示的波形 13 更加完美漂亮，一般都會將顯示波形中相鄰的兩點用直線或者曲線連接起來，這樣看起來的波形更加接近實際輸入信號的波形。使用此種原理進行采樣的優(yōu)點是硬件設計簡單，有很多資料可以參考。其缺點在于對 AD 的速度要求比較高，這直接 關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 在測量高頻信號時，示波器可能不能在一次掃描中收集足夠的樣值。如圖 所示，當信號頻率超過示波器采樣頻率的一半時，等效時間采樣可以精確捕獲這些信號。等效時間數(shù)字化器（采樣器）利用的原理是，大多數(shù)自然產生和人為構造的對象都具有重復性。為構建重復信號的圖象，在每一個重復期內，等效時間只采樣采集少量的信息。象一串燈一盞一盞依次點亮那樣，波形逐漸累積而成。利用這樣的方式，即使信號的頻率成分遠遠高于示波器的采樣速率，也能形成精確地采 樣。 連續(xù)等效時間采樣在每一個觸發(fā)捕獲一個樣值，而不依賴于時間 / 格（ time/div）的設置和掃描速度，如圖 6 所示。每發(fā)現(xiàn)一個觸發(fā)，經過一段雖然非常短卻明確的延遲，就獲得樣值。當發(fā)生下一次觸發(fā)時，延遲增加一段小的時間增量（Δ t），數(shù)字轉換器則又采下一個樣值。該過程重復多次，Δ t 不斷增加到前一個捕獲量中，直到時間窗口填滿。當需要顯示到示波器屏幕中的時候，樣點從左到右沿著波形順序出現(xiàn)。 圖 等效采樣 從現(xiàn)實實現(xiàn)的角度，產生一個非常短非常精確的Δ t 與準確測量與采樣觸發(fā)點相關的垂直和水平位置相比 ，前者要容易的多。精確的測量延遲使連續(xù)采樣器很難控制時間間隔分辨能力。既然如此，如果采用連續(xù)采樣，一旦發(fā)現(xiàn)觸發(fā)電平，就對信號進行采樣，如果沒有模擬延遲線，觸發(fā)點不可能得到顯示，但是延遲線的存在會減少儀器的帶寬。 14 如圖 所示：對于輸入信號，設其周期為 T，如果能夠準確地得到其 T/n的時間，那么就可以每隔 Tnm ??????? ?1時間采樣一次，采 n 個數(shù)據點，實際上與在一個周期內采 n 個數(shù)據點是等價的。 15 3 數(shù)字示波器硬件設計 數(shù)字示波器可以劃分為三個基本組成部分：前端信號調理部分、數(shù)據采集處理部分、交互輸入輸出部分及相關的附屬電路。 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 轉換器，其主要功能是對信號進行調理、采集、量化和對控制器產生觸發(fā)。數(shù)據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)據實現(xiàn)數(shù)據緩沖。交互輸入輸出部分主要由 MCU 構成，其主要功能是實現(xiàn)對 DSO 系統(tǒng)的控制和管理處理數(shù)據，實現(xiàn)波形的顯示和鍵盤界面的輸入。 信號調理電路 在數(shù)字存儲示波器中， A/D 器件對輸入模擬信號的幅度有一定的要求范圍，例如本設計所采用的 ADS831 的輸入電壓范