【正文】 2KB的雙口 RAM器件 IDT 7132 3. 存儲(chǔ)器的選擇 簡易數(shù)字示波器的設(shè)計(jì) (本題要求最高采樣速率不小于2MHz)，控制的實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，并且采集與存儲(chǔ)要求保持嚴(yán)格的同步，因此采用普通單片機(jī)直接控制很難勝任。 本設(shè)計(jì)采用了 “ CPLD＋單片機(jī)”的兩層控制方案，底層控制由 CPLD或普通 IC為核心的高速邏輯控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制和高速的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與傳輸；互、數(shù)據(jù)處理等項(xiàng)工作。 這種控制方案使單片機(jī)和高速邏輯器件揚(yáng)長避短地 4. 控制方案的確定 輸入電路主要作用是將輸入信號(hào)的幅度調(diào)整到 A/D轉(zhuǎn)換器允許的電壓范圍內(nèi)。題目要求垂直靈敏度擋位范圍在 ～ 1V/div之間，示波器顯示屏的垂直刻度為 8div，則對(duì)應(yīng)被測(cè)信號(hào)電壓幅度的范圍應(yīng)在 ～ 8V之間。 如果選擇的 A/D轉(zhuǎn)換器最大輸入電壓幅度為 2V，則計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的輸入電路的衰減放大系數(shù)的范圍應(yīng)為 ～ 25。若考慮 Autoscale功能的要求，則應(yīng)按 1－ 2－ 5分配原則設(shè)置 7擋垂直靈敏度的量程（覆蓋題目要求的 3擋量程）。 不同垂直靈敏度（ V/div擋）與對(duì)應(yīng)的衰減放大系數(shù)的關(guān)系如表所示。 1. 很顯然，輸入電路應(yīng)是一個(gè)寬帶的數(shù)控衰減放大電路。根據(jù)表 87提供的數(shù)據(jù)，輸入電路可以由二擋量程的程控衰減器 ( )和四擋量程的程控放大器 ( 、 、 25)組合而成，或者采用具有 7擋量程的程控衰減器和放大倍數(shù)固定為 25的放大器組成等方案。 垂直靈敏度 (V/div) 10mV 20mV 50mV 1V 衰減放大系數(shù) 25 5 0. 25 1. 本題要求儀器輸入帶寬不小于 50kHz，選用集成運(yùn)放 LF356(GBW為 5MHz)；實(shí)際輸入電路設(shè)計(jì)還要考慮雙蹤輸入，單雙蹤控制由多路選擇器 IC6完成，當(dāng) 為高電平時(shí)，儀器為雙蹤示波功能；主放大器 IC3是根據(jù)表 87設(shè)計(jì)的具有七擋量程的程控放大器，通過控制模擬選擇開關(guān) IC7實(shí)現(xiàn)垂直靈敏度的選擇； IC4組成電平移位電路，以使輸入信號(hào)的電平移位到 A/D轉(zhuǎn)換器所要求的 0～ 2V范圍內(nèi)。 （典型的輸入電路設(shè)計(jì)方案舉例） 2. 采樣與存儲(chǔ)控制電路的設(shè)計(jì) 存儲(chǔ)示波器的采樣與存儲(chǔ)控制電路一般由時(shí)t /div控制器、寫地址計(jì)數(shù)器、 RAM讀 /寫控制等組成，圖 8 22給出了能滿足本設(shè)計(jì)要求的采樣與存儲(chǔ)控制電路原理簡要框圖。 輸入信號(hào)經(jīng)輸入電路分送至 A/D轉(zhuǎn)換器與觸發(fā)電路?？刂齐娐芬坏┙拥絹碜杂|發(fā)電路的觸發(fā)信號(hào)，就啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)采集及 RAM寫入過程： 一方面，“ t/div” 控制器產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)控制轉(zhuǎn)換速率的采集信號(hào)，使 A/D轉(zhuǎn)換器按設(shè)定的轉(zhuǎn)換速率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集；另一方面，使寫地址計(jì)數(shù)器按順序遞增，以選通 RAM中對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元。 為了保證下一個(gè)數(shù)據(jù)能可靠寫入到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元中，應(yīng)安排在時(shí)鐘的上升沿將數(shù)據(jù)寫入到存儲(chǔ)器，在其下降沿將地址計(jì)數(shù)器加 1。一旦 200個(gè)存儲(chǔ)單元寫滿，就完成了一個(gè)寫入循環(huán)。 2. 采樣與存儲(chǔ)控制電路的設(shè)計(jì) t /div 控制器用于控制 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率和對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器的寫入地址，它是采集與存儲(chǔ)控制電路的核心。 t /div 控制器實(shí)際上是一個(gè)時(shí)基分頻器，題目要求掃描速度范圍在～ 20μs/div之間，水平分辨率為 20點(diǎn) /div，則根據(jù)式 ()進(jìn)行推算，得 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的范圍在 100Hz～ 1MHz之間。若考慮 Autoscale功能的要求，應(yīng)按 125分配原則設(shè)置 13擋掃描速度量程。經(jīng)計(jì)算得到不同 t/div 3. 波形顯示電路的設(shè)計(jì) 波形顯示控制電路一般由時(shí)鐘、讀地址計(jì)數(shù)器、 RAM讀控制等部分組成，用以控制雙口 RAM的一組地址和控制總線。波形顯示控制電路和采集與存儲(chǔ)控制電路在邏輯關(guān)系上是可以分離的，但在設(shè)計(jì)中兩者可以設(shè)計(jì)在同一可編程邏輯器件中。 數(shù)字存儲(chǔ)示波器區(qū)別于模擬示波器的一個(gè)重要方面是，波形的顯示與波形的采集和存儲(chǔ)在管理上是分離的，即不管數(shù)據(jù)以何種速度寫入到存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)均以固定的速度讀出，因而可以得到清晰而穩(wěn)定的波形。這樣我們就可以無閃爍地觀察極慢信號(hào)，同時(shí)也可以穩(wěn)定地顯示很高頻率的信號(hào)。這是模擬示波器所不能及的。 3. 波形顯示電路的設(shè)計(jì) 簡易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的控制電路如圖所示。圖中，讀地址計(jì)數(shù)器一方面提供連續(xù)的 RAM讀地址，依次將存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)送至 D/A轉(zhuǎn)換器恢復(fù)為模擬信號(hào)Ｙ (ｔ ) ，然后送至示波器 CRT的 Y軸；另一方面，提供的地址信號(hào)也同時(shí)經(jīng)另一 D/A轉(zhuǎn)換器形成鋸齒階梯波送至 CRT的 X軸做同步的掃描信號(hào)Ｘ (ｔ ) 。很顯然，由于Ｘ (ｔ )和Ｙ (ｔ ) 信號(hào)都來源于同一地址發(fā)生器，因 三、 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 在數(shù)字存儲(chǔ)示波器軟件的作用除表現(xiàn)在底層控制和人機(jī)界面的控制外，更重要的是體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理方面。這是因?yàn)楸粶y(cè)信號(hào)已按預(yù)定的速率取樣、量化并存儲(chǔ)在儀器中，因而通過軟件可以很自如地對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，從而擴(kuò)展出許多儀器功能。例如 基于幅度和頻率測(cè)量算法的自動(dòng)測(cè)試功能 基于幅度和頻率測(cè)量算法的自動(dòng)測(cè)試功能： 這類算法的主要思想是：通過查找存儲(chǔ)在 RAM中波形數(shù)據(jù)的最大值、最小值以及過零值等特征數(shù)據(jù)，按照定義計(jì)算出信號(hào)的頻率、周期、峰峰值、有效值等波形參數(shù)。 這里特別要說明 Autoscale功能，由于儀器已具備測(cè)頻和測(cè)幅的功能，所以儀器就能根據(jù)已經(jīng)測(cè)得的信號(hào)頻率和幅度，計(jì)算并設(shè)置好最合理的垂直靈敏度及掃描速度量程，使信號(hào)波形能自動(dòng)地以適當(dāng)?shù)姆群椭芷跀?shù)穩(wěn)定地顯示在示波器的屏幕上。該功能 等效時(shí)間采樣方式數(shù)字示波器的設(shè)計(jì) 本節(jié)擬通過對(duì)探地雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及回波顯示系統(tǒng)的分析，討論基于等效時(shí)間取樣方式的數(shù)字示波器的設(shè) 探地雷達(dá)的回波信號(hào)有兩個(gè)特點(diǎn)：一是回波信號(hào)的最高頻率分量高達(dá) GHz量級(jí)，這就對(duì) A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速率提出了很高的要求；二是信號(hào)幅度變化的動(dòng)態(tài)范圍很大，要求采用 14～ 16位A/D轉(zhuǎn)換器。很顯然，如果采用實(shí)時(shí)取樣方式，這種高轉(zhuǎn)換速率、高分辨率的 A/D轉(zhuǎn)換器，無論從技術(shù)條件還是從價(jià)格上都是困難的。所幸的是，探地雷達(dá)回波信號(hào)在一定的時(shí)間內(nèi) (ms級(jí) )，可以認(rèn)為是重復(fù)出現(xiàn)的周期信號(hào)。因此，該系統(tǒng)采用等效時(shí)間取樣方案是非常合適的。 擬定的探地雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如圖示。 系統(tǒng)采用了“ CPLD＋單片機(jī)＋ PC機(jī)”三層控制方案。 底層控制由以 CPLD為核心的高速控制邏輯電路構(gòu)成，直接控制高速數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸?shù)倪^程； 中層控制由單片機(jī)組成，一方面接收并執(zhí)行由 PC機(jī)發(fā)送的控制命令，實(shí)施對(duì)底層控制器的控制，同時(shí)將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中讀出并迅速上傳至 PC機(jī)； 上層控制由便攜式 PC機(jī)完成，一方面為用戶提供一個(gè)操作窗口，完成對(duì)儀器功能和參數(shù)的設(shè)置，向單片機(jī)發(fā)送相關(guān)的控制命令；另一方面，實(shí)時(shí)接收單片機(jī)上傳的回波信號(hào)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理及顯示波形。 系統(tǒng)的時(shí)基電路按照 PC機(jī)的設(shè)置，產(chǎn)生具有特定頻率的觸發(fā)脈沖信號(hào)，該信號(hào)一路送至發(fā)射天線裝置，以產(chǎn)生用于向地下發(fā)射的 ns級(jí)寬度的窄脈沖電磁波信號(hào)； 電磁波在地下不同介質(zhì)的界面上會(huì)產(chǎn)生反射而形成一系列回波信號(hào)，這些回波信號(hào)由接收天線接收后經(jīng)過低噪放大，送往取樣門電路； 時(shí)基電路送出的觸發(fā)脈沖信號(hào)也同時(shí)送給步進(jìn)脈沖系統(tǒng)，以產(chǎn)生步進(jìn)脈沖信號(hào)，步進(jìn)脈沖信號(hào)經(jīng)取樣脈沖發(fā)生器整形成取樣脈沖，送往取樣門電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行取樣； 取樣后的回波信號(hào)經(jīng)保持放大電路處理，就變成了拉寬的低頻信號(hào)，然后再將該信號(hào)進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，并經(jīng) FIFO存儲(chǔ)器的緩沖，傳輸?shù)?PC機(jī)進(jìn)行后處理及顯示； 為保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)向 PC機(jī)傳輸?shù)乃俣?，單片機(jī)與 PC機(jī)接口采用 USB總線。 系統(tǒng)的工作流程如下 本節(jié)側(cè)重分析步進(jìn)系統(tǒng)及步進(jìn)控制電路，取樣電路，數(shù)據(jù)采集、 一、步進(jìn)脈沖系統(tǒng)及步進(jìn)控制電路 功能：產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)取樣門電路取樣的取樣脈沖信號(hào)和啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換的步進(jìn)脈沖信號(hào)。本例設(shè)計(jì)的系統(tǒng)產(chǎn)生的步進(jìn)脈沖的最小步進(jìn)時(shí)間達(dá)到 。 步進(jìn)脈沖系統(tǒng)由斜波發(fā)生器、比較器及輔助電路等部分組成。本例采用了美國數(shù)字可編程延時(shí)發(fā)生器 AD 9500芯片，不僅集成了斜波發(fā)生器、比較器等電路，而且還內(nèi)置了 D/A轉(zhuǎn)換器及鎖存器。使用時(shí)只需要提供外部觸發(fā)信號(hào)以及控制步進(jìn)延時(shí)的數(shù)據(jù)，就能產(chǎn)生最小步進(jìn)延時(shí)達(dá) 10ps的步進(jìn)脈沖信號(hào)。 若使用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)對(duì) AD 9500的控制，則整個(gè)步進(jìn)系統(tǒng)的電路將會(huì)大幅度簡化，使系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步增強(qiáng)。 AD 9500是 8位數(shù)字可編程延時(shí)發(fā)生器，其功能方框圖內(nèi)部定時(shí)圖如圖所示。 AD 9500的核心部件線性斜波發(fā)生器由差分模擬輸入級(jí)、定時(shí)控制電路、基準(zhǔn)電流、外接電容 CEXT 和外接電阻 RSET等組成。 從觸發(fā)到比較器翻轉(zhuǎn)之間的這段時(shí)間間隔就是 AD 9500的總延時(shí) t，其值由斜波的斜率和加在內(nèi)置 DAC輸入端 D7～ D0的數(shù)據(jù) 兩個(gè)因素決定。 以 AD 9500為核心的步進(jìn)系統(tǒng)及控制電路原理圖 二、取樣電路的設(shè)計(jì) 取樣電路由低噪放大器、取樣門電路、取樣脈沖發(fā)生器、保持放大器組成。本節(jié)側(cè)重討論取樣門電路和取樣脈沖發(fā)生器電路。 取樣門的種類很多，有單管門、平衡門、雙管門、行波門等。 單管門是最簡單的取樣門電路，圖中二極管 VD為取樣開關(guān)， Cs為取樣電容， E和 R1組成取樣門的偏置電路，取樣脈沖經(jīng) R0加至取樣門。 1. 取樣門電路 單管取樣門電路原理圖 平時(shí)取樣二極管處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)取樣脈沖到來時(shí)，取樣二極管導(dǎo)通，輸入信號(hào)在極短時(shí)間內(nèi)向取樣電容 Cs充電，從而獲得樣品輸出。 單管取樣門電路簡單，元器件少。但是，由于電路中信號(hào)源與取樣脈沖直接耦合，會(huì)產(chǎn)生干擾；另外，由于取樣門開啟時(shí)被測(cè)信號(hào)和取樣脈沖同時(shí)向取樣電容充電，取樣脈沖幅度的不穩(wěn)定會(huì)使取樣門輸出信噪比降低。 1. 取樣門電路 由于單管取樣門電路存在上述缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了四管平衡取樣門電路。 四管平衡取樣門電路又稱橋式取樣門，圖中，取樣二極管 VD1～ VD4組成橋式門的四臂，＋ Ep， Ep為二極管的反向偏壓。取樣脈沖分別由橋的對(duì)角線兩端加入，橋的另一組對(duì)角線端分別做取樣門的輸入、輸出端。 R1是輸入端匹配電阻， Cs為取樣電容， T 根據(jù)平衡橋原理，加在 VD1～ VD4橋?qū)蔷€ 2, 4兩端的取樣脈沖不會(huì)在 1, 3兩端輸出，即取樣脈沖對(duì)被測(cè)信號(hào)源沒有形成干擾，提高了系統(tǒng)的信噪比。 當(dāng)兩個(gè)方向相反、大小相同的取樣脈沖電流流過磁環(huán)繞組時(shí)，產(chǎn)生的磁通會(huì)相互抵消，可抑制兩個(gè)脈沖的不對(duì)稱。 對(duì)被測(cè)信號(hào)來說，磁環(huán)的兩個(gè)繞組是同相的，信號(hào)電流流過磁環(huán)繞組時(shí)產(chǎn)生的磁通相互疊加，磁環(huán)對(duì)信號(hào)呈現(xiàn)高阻抗，從而形成高阻取樣門。 四管平衡取樣門電路 二、取樣電路的設(shè)計(jì) 取樣脈沖發(fā)生器用于將步進(jìn)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的取樣脈沖進(jìn)一步整形，以產(chǎn)生幅度足夠大、寬度足夠窄并具良好穩(wěn)定性的取樣脈沖。 取樣脈沖發(fā)生器由驅(qū)動(dòng)級(jí)和形成級(jí)兩部分組成。 驅(qū)動(dòng)級(jí)的作用是對(duì)步進(jìn)系統(tǒng)生成的步進(jìn)脈沖信號(hào)整形，以產(chǎn)生高速、大幅度取樣脈沖信號(hào)。驅(qū)動(dòng)級(jí)電路通常采用雪崩晶體三極管電路和間歇振蕩器電路兩種形式。高速半導(dǎo)體器件雪崩晶體三極管可以較方便地產(chǎn)生具有納秒和亞納秒上升時(shí)間以及很大峰值功率的脈沖信號(hào)。因此，采用雪崩晶體三極管電路形 形成級(jí)的作用是將取樣脈沖進(jìn)一步整形為邊沿更加陡峭、底寬很窄的脈沖信號(hào)，一般由階躍恢復(fù)二極管和微分電路組成。當(dāng)階躍恢復(fù)二極管處于正向?qū)顟B(tài)的二極管突然加上反向電壓時(shí)，瞬態(tài)反向電流立即達(dá)到最大值并維持一段時(shí)間，接著又立即恢復(fù)到零，利用階躍二極管的這種階躍特性，可以將脈沖信號(hào)整形為邊沿更快的脈沖信號(hào)。 2. 取樣脈沖發(fā)生器 圖中 Q1是雪崩晶體三極管，基極通過 R1接地，使雪崩管平時(shí)處在截止?fàn)顟B(tài)。集電極由＋ 30V電源通過 R2供電，當(dāng)取樣指令脈沖到達(dá) Q1基極時(shí)，雪崩過程發(fā)生，從而在集電極產(chǎn)生負(fù)極性脈沖而在發(fā)射極產(chǎn)生正極性脈沖。這組脈沖再通過 C3， R4和 C4， R5微分電路以及階躍二極管組成的形成電路處理后，就產(chǎn)生了幅度約 5V、前沿不小于 4ns、底寬不大于 10ns的取樣脈沖。該取樣脈沖送往取樣門電路，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)探地雷達(dá)回波信號(hào)的取樣。 取樣脈沖發(fā)生器電路原理圖 三、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及傳輸電路 由于等效取樣后回波信號(hào)的最高頻率為 50kHz，確定 A/D轉(zhuǎn)換的最高轉(zhuǎn)換速率為 500kHz；若采用程序控制將很難實(shí)現(xiàn)，因而采用 CPLD實(shí)施直接控制；同時(shí)采用 FIFO高速緩存技術(shù)，以協(xié)調(diào)高速采集與后級(jí)傳輸速度之間的關(guān)系。為了達(dá)到 8Mb/s傳輸速率的要求，采用 USB總線將數(shù)據(jù)傳輸至 PC機(jī)。 智能超聲波測(cè)厚儀介紹 謝謝！