数字示波器.docx
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数字示波器
数字示波器(C题)
一、任务
设计并制作一台具有实时采样方式和等效采样方式的数字示波器,示意图如图1所示。
图1数字示波器示意图
二、要求
1.基本要求
(1)被测周期信号的频率范围为10Hz~10MHz,仪器输入阻抗为1M,显示屏的刻度为8div×10div,垂直分辨率为8bits,水平显示分辨率≥20点/div。
(2)垂直灵敏度要求含1V/div、0.1V/div两档。
电压测量误差≤5%。
(3)实时采样速率≤1MSa/s,等效采样速率≥200MSa/s;扫描速度要求含20ms/div、2μs/div、100ns/div三档,波形周期测量误差≤5%。
(4)仪器的触发电路采用内触发方式,要求上升沿触发,触发电平可调。
(5)被测信号的显示波形应无明显失真。
2.发挥部分
(1)提高仪器垂直灵敏度,要求增加2mV/div档,其电压测量误差≤5%,输入短路时的输出噪声峰-峰值小于2mV。
(2)增加存储/调出功能,即按动一次“存储”键,仪器即可存储当前波形,并能在需要时调出存储的波形予以显示。
(3)增加单次触发功能,即按动一次“单次触发”键,仪器能对满足触发条件的信号进行一次采集与存储(被测信号的频率范围限定为10Hz~50kHz)。
(4)能提供频率为100kHz的方波校准信号,要求幅度值为0.3V±5%(负载电阻≥1M时),频率误差≤5%。
(5)其他。
数字示波器
参赛队员:
曾杜,温智宁,彭涛指导老师:
黄根春
摘要:
本系统基于MCU8051和FPGA的控制平台,采用实时采样与等效采样两种方式实现了对频率为10Hz~10MHz的波形数据的实时采样,存储与回放。
做到垂直灵敏度含1v/div,0.1v/div和2mv/div三档,扫描速度含20ms/div,2
v/div,100ns/div三档。
本系统的频率测量精度达10
级,电压测量精度达0.05v。
本系统自带100KHz方波信号为系统测频时钟与电压基准源的进行自动校准,此外,本系统还实现了对波形数据的单次触发存储与调出功能和AUTO显示功能,而且系统的显示输出设备采用128*64点阵液晶,3*8键盘为输入设备,操作简单,界面友好。
关键词:
等效采样采样保持触发
一、方案论证与选择
1.题目任务要求及相关指标的分析
(1)题目要求仪器测量的波形频率范围为10Hz~10MHz。
由此可知,题目要求的波形频率范围较广,包括低中高频,在频率测量方案中,要选用合适的比较器。
此外,由于涉及高频信号在对信号的处理时,应注意做好抗干扰工作。
(2)垂直灵敏度含1v/div,0.1v/div和2mv/div三档,即要求我们对信号进行三级的程控放大,且增益可控范围至少为500倍。
(3)实时采样速率<=1Msa/div,等效采样速率>=200Msa/s。
要求系统同时具有实时采样方式与等效采样方式。
而且,要做到等效采样速率>=200Msa/s,要求系统可控制的采样间隙至少为5ns。
选择等效采样方式时要注意该要求。
2.方案的比较与选择
(1)等效采样方案
方案一:
等间距采样。
先对被采信号进行测频,得到该信号的精确频率,然后由系统产生与该信号频率有一定差值的采样时钟对被测信号进行采样,每个周期仅采样一个点,由于差值每次的累加,采到的点将是波形信号的各相位点。
该方案的优点是原理简单,容易实现,但仅限于采样频率较低的等效采样。
这是因为要用该方法做等效采样,随着采样频率的升提高,要求两频率差不断减少。
根据题目的要求,要实现等效采样率高于200MHz,被测信号频率为freq则1/(freq-
freq)-1/freq=1/200MHz,由上述公式可知,
freq值的确定与被测信号频率的确定有直接关系,故当等效采样率很高时,会由于频率测量的精度不足导致采样率难以确定。
方案二:
等差距采样。
以信号的某相位点为触发,用一足够快的脉冲作为计数脉冲(该脉冲可由低频脉冲经过锁相环倍频得到),每次FPGA内部控制器被触发后,计数器清零,同时开始对高频脉冲进行计数,每次计到一定的脉冲数,开始采样。
而每一次计到的脉冲数为一等差数列,从而采到波形数据中的各相位点。
由于每次采样都由被测信号触发,故该方案有采样点的的位置严格可控的优点。
该方案的难点是要求对软件控制时序严格控制,代码的编写有一定的难度。
此外,由于计数脉冲的频率相当的高,在对外围采样保持电路控制时容易计数的错误导致误动作,以致采到坏点。
经过考虑,我们认为方案一虽然实现简单,但难以满足题目的要求,误差较大,故我们决定选用方案二。
(2)采样保持方案
方案一:
软件数字数据采样保持。
该方案的实现是让模数转换器件以较高的采样频率采样,把模数转换器的数据口连到FPGA内部的锁存器中,当需要采样保持时就控制锁存器把当时的数据保持,从而实现采样保持。
该方案的优点是不需增加外围硬件电路,而且软件实现也较简单。
该方案的缺点是,对模数转换器件的抗干扰能力要求很高,这是因为这方法并没有降低进入模数转换器件的波形的频率,高频数据对模数转换器件的电源口和数据进行干扰,会使读进的波形数据误差很大。
方案二:
硬件采样保持电路。
采用运算放大器,模拟开关,以及电容搭建的采样保持电路,应用于本方案,其优点是,经过软件分时打开和关闭模拟开关,采样保持电路能保持波形数据中某一相位点的电压值,以供AD转换器件采集,只要控制适时,可通过该电路实现波形频率的搬移(保持电路的输出是经过多周期等效采样得出的),得到低频率的波形,避免对高频波采样,也不会对AD转换器件造成干扰。
(3)测频方案选择
方案一:
周期法。
即以待测信号的周期为门限时间T,用计数器记录在此门限时间T内的高频标准时钟脉冲数,从而确定待测信号的频率。
当选定高频时钟脉冲而被测信号频率较低时可以获得很高的精度,而被测信号频率过高时由于测量时间不够会有精度不够的问题,适用于低频信号的测量。
方案二:
等精度测频法。
这种方法和测周期法很相似,不同的是测周期法测量时间T为被测信号的一个周期,而等精度测量法的测量时间T是由人为设定和被测信号共同决定的。
即,在人为设定的时间内,闸门的开启和闭合由被测信号的上升沿来控制,计数器真正开始计数的时刻不是预置闸门的开始时刻,而是预置闸门打开后被测信号的第一个上升沿到来的时刻;同样闸门的关闭时刻不是预置闸门的结束时刻,而是预置闸门关闭后被测信号的第一个上升沿到来的时刻,这种计数方法叫做同步计数法。
最后根据计数结果、标准时钟频率和被测信号上升沿个数就可以精确得到被测信号的频率。
经过比较,我们决定分不同情况采用不同的采样方法,对低频信号采用周期法,对中高频信号采用等精度测频法。
二、系统总体设计方案及实现方框图
整个系统主要分为前级程控放大电路,采样保持电路,ADC转换电路,比较器整形电路和检波电路,以及波形回放电路组成。
前级三路程控放大分别对应垂直灵敏度为1v/div,0.1v/div和2mv/div三档;采样保持电路实现波形数据的量化和等效频率搬移;比较器电路主要用来将信号整形,以便于FPGA进行测频,而且整形信号为系统的采样提供了触发源;单片机完成系统的控制和部分计算任务,FPGA则完成系统底层的控制。
系统的总框图如下图所示:
三、理论分析与计算
1.等效采样分析
等效采样,就是从若干连续的信号周期中采集到多组采样点来构成波形,第一组新的触发点都是由一个新的触发事件来启动采集的,在这种模式下,一个触发事件到来以后,示波器就采集信号波形的一部分,经过若干周期以后存储器内存贮了足够的采样点,就可以在屏幕上重建一个完整的波形。
题目要求采样的触发方式为内触发,即由被测信号的某相位点位为触发,然后进行一次存储,其实现过程如下。
每一次完整地采样,要采256个点,可分为256个状态。
在每个状态中,先由FPGA计不同的高频脉冲数,然后进行采样,该高频脉冲的频率f与每次相差的脉冲数n决定了等效采样的频率。
采样率为f/n。
根据题目要求,等效采样频率〉=200Mhz,我们取f=200MHz,n=1,采样频率正好为200MHz。
2.垂直灵敏度分析
题目要求,垂直灵敏度含1v/div,0.1v/div和2mv/div三档,即要求前级的程控放大的增益变化范围至少为500倍,故我们的前级程控放大电路分三路,一路的放大倍数为1倍,第二路的放大倍数为10倍,第三路放大倍数为500倍,足以满足题目要求。
3.扫描速度分析
题目要求,扫描速度含20ms/div,2
s/div,100ns/div三档,显示屏的刻度为8div*10div,即扫描全屏的分别为200ms,20
s和1000ns,扫描频率f分别为发5Hz,50KHz,与1MHz。
由于我们三个量程的存储深度d分别为1024,256,256字节,故在三个量程中,根据采样率为f*d,要求三量程中的采样频率为5kHz,12.5MHz,256MHz。
四、主要功能电路的设计
1.整形电路设计
题目要求的频率范围很广,由于信号跨度为10Hz~10MHz,在实际测试中发现,使用LM311的电压比较器整形效果很差,所以本系统中采用MAX912对信号进行电压比较。
同时采用一片D/A(MAX500)调节MAX912的正端输入,实现触发电平可调。
具体电路图见附录(图1)。
2.ADC电路设计
ADC采样电路主要由MAX1425组成,MAX1425是单通道,10位ADC转换芯片,最高20MHz采样频率,具体电路图见附录(图2)。
3.采样保持电路设计
其电路图如下:
该电路由两片运算放大器A1,A2和模拟开关A3构成,采样时令通过FPGA控制时钟使A3的通道S1导通。
A1,A2接成单位增益的电压跟随器,故uo=uc=uo,此时电容充电至uc。
因电压跟随器的输出电阻十分小,故对电容的充电很快结束.。
然后断开S1,由于uc无放电通路,其上的电压值基本不变,使uo得以保持,即将采样所得的结果保持下来。
四.其它电路设计
采用继电器选择放大倍数,用模拟开关AD7501选择采样方式,采样保持后加50K低通滤波滤除高频信号。
采用真有效值转换芯片AD637转换信号的有效值(电路图见附录图3),选用8位串行A/D(TL548IP)读取有效值。
波形显示选用2通道D/A(DAC7801)(电路图见附录图4)。
100K方波校准信号选用DAC7541。
五、系统软件的设计
1.基本内容
本系统软件部分由单片机和FPGA组成,单片机主要完成用户的输入输出处理和系统的控制,FPGA完成波形采集与显示的控制。
整个软件系统的设计中模块化思想贯穿始终,采用菜单选择所用功能。
软件流程图如下:
六、测试数据与分析
1.使用仪器及型号
清华同方计算机:
Pentium(R)4,1.8GHz,512M
直流稳压稳流电源:
型号SG1733SB3A
60M数字存储示波器:
型号TektronixTDS1002
数字信号源:
型号Agilent33120A
万用表:
型号Fluke17B
2.校准
本系统自带100KHz方波的校准信号,在系统初始化时,先对校准信号进行测频和测幅,从而较准FPGA内部的测频时钟,与测幅的基准电压。
3.输入阻抗测量
给信号输入端5V直流电压,同时串联一已知的电阻R,测量R两端的电压为UV,则输入阻抗为R*(5-U)/U。
4.水平分辨率测量
给仪器一个有效值为2V,不同频率的正弦波信号,测量数据如表1:
表1水平分辨率测量
Fin/Hz
10.00M
5.000M
1.000M
100.00K
50.00K
10.00K
Fout/Hz
10.00M
5.000M
1.000M
99.99K
49.99K
10.18K
误差δ
0.0
0.0
0.0
0.01%
0.02%
0.01
Fin/Hz
5.000K
1.000K
500.00
100.00
50.00
10.00
Fout/Hz
5.000
1.000K
499.93
100.04
49.964
10.0032
误差δ
0.0
0.0
0.014%
0.04%
0.072%
0.032%
5.垂直分辨率测量
给仪器一个频率为10K的正弦波信号,测量有效值数据如表2:
表2垂直分辨率测量
1v/div
0.1v/div
2mv/div
Vin/v
V测/V
误差δ
Vin/mv
V测/mV
误差δ
Vin/mv
V测/V
误差δ
0.71
0.69
2.8%
141.4
140.3
0.7%
7.0
7.2
2.8%
1.41
1.41
0.0%
282.8
282.7
0.4%
5.0
5.2
4.0%
2.82
2.81
0.35%
424.2
425.1
0.2%
2.8
3.O
7.1%
4.45
4.43
0.45%
565.6
553.6
2.1%
1.4
1.5
7.1%
由测量数据分析可知频率精度完全达到要求。
有效值在1v/div和0.1v/div两档精度很高,完全达到要求;而2mv/div档部分数据误差较大,究其原因很可能是小信号放大并不是线性的。
七、总结分析与结论
等效采样过程中,坏点比较多,用示波器把采样保持电路出来的波形展开看,采样保持效果很好,坏点不是模拟电路方面产生的,很可能AD转换器件的误读。
另外放干扰措施做的还不够好。
总体来说,这个系统还是比较成熟的。
八、附录
图1MAX912整形电路
图2MAX1425采样电路
图3有效值转换电路
图4D/A波形显示电路
参考文献
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北京理工大学出版社,2005
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【6】EmmanuelC.Ifeachor,BarrieW.Jervis.DigitalSignalProcessing,APracticalApproach,(SecondEdition)
【7】夏宇闻.Verilog数字系统设计教程.北京:
北京航空航天大学出版社
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