20组-简易数字存储示波器

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1、简易的数字存储示波器20组:张贤谭书伟邓晓平辅导老师:黄根春摘要：本系统基于数字存储示波器的原理，采用89C51单片机和可编程逻辑器件（CPLD）为控制核心，由前期信号处理、触发、采集存储、数据处理、后期信号处理、波形显示和操作界面等功能模块组成。利用CPLD实现大部分的控制逻辑，单片机提供友好的人机界面并协助CPLD对信号进行一些处理，两者通过总线连接。整个系统模块化程度高，接口明确，易于扩展，可靠信高。关键词：示波器单片机现场可编程逻辑器件随机存储器Abstract:OscillographMCUFPGARAM目录1.方

2、案设计与论证31.1设计要求分析31.2方案比较论证与选择31.2.1运算与控制核心41.2.2程控放大实现方案41.2.3采样方式41.2.4频率测量51.2.5触发方式选择51.2.6双踪显示实现方案选择51.2.7存储方案选择61.3系统实现框图62.理论分析与计算62.1模数转换器件位宽的确定62.2存储器容量72.3行扫描速率73.具体电路的设计与实现73.1前级信号处理电路73.2触发信号产生电路83.3采样电路83.4波形显示电路93.5水平/垂直位移实现电路94.软件设计104.1单片机部分104.2FPGA

3、部分105.系统测试与分析105.1测试仪器105.2测试条件105.3测试方法和结果10【参考文献】131.方案设计与论证1.1设计要求分析本题要求设计并制作一台用普通示波器显示被测波形的简易数字存储示波器，示意图如下：a.要求仪器具有单次触发存储显示方式，即每按动一次“单次触发”键，仪器在满足触发条件时，能对被测周期信号或单次非周期信号进行一次采集与存储，然后连续显示；扩展要求增加连续触发存储显示方式，在这种方式下，仪器能连续对信号进行采集、存储并实时显示，且具有锁存（按“锁存”键即可存储当前波形）功能。　　b.要求仪器

4、的输入阻抗大于100kΩ，垂直分辨率为32级/div，水平分辨率为20点/div。（示波器显示屏水平刻度为10div，垂直刻度为8div。）　　c.要求设置0.2s/div、0.2ms/div、20μs/div三档扫描速度，仪器的频率范围为DC～50kHz，误差≤5%。　　d.要求设置0.1V/div、1V/div二档垂直灵敏度，误差≤5%,扩展部分要求垂直灵敏度增加0.01V/div档，以提高仪器的垂直灵敏度，并尽力减小输入短路时的输出噪声电压。e.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。　f.观测波形

5、无明显失真。扩展要求增加双踪示波功能，能同时显示两路被测信号波形；增加水平移动扩展显示功能，存储深度增加一倍，并且能通过操作“移动”键显示被存储信号波形的任一部分。从要求上看，本设计属于典型的模-数混合系统。其难点在于取样速率的提高、触发方式的控制与系统噪声的抑制。在设计中可将设计任务分解为前向信号处理、触发信号产生、采集存储、数据处理、后向信号处理、波形显示和操作界面等功能模块。1.2方案比较论证与选择1.2.1运算与控制核心方案一：用单片机实现所有控制功能。单片机除了完成基本处理分析外，还需要完成信号的采集，数据处理，波

6、形显示等功能。这种方案系统规模小，有一定的灵活性，但是单片机处理速度达不到对信号进行高速采样要求。方案二：采用独立的FPGA作为系统运算与控制核心。利用FPGA丰富的逻辑资源和处理速度上的优势将系统所有的控制与运算任务交由FPGA完成。这种方案能够实现对系统的精确控制，并且可以达到很高的集成度；但系统内部数据不易观察，调试难度较高。方案三：采用FPGA与单片机结合的方式实现。由单片机对信号进行一些简单的控制处理。由FPGA完成触发、采集存储、数据处理及波形显示等功能逻辑控制。这种方案兼顾了前两个方案的特点，能较好的满足题目要

7、求。综合比较以上各方案，我们采用方案三。1.2.2程控放大实现方案方案一：由增益可编程放大器（PGA）实现。此类集成芯片可通过改变其控制端的逻辑电平得到不同的增益，控制简单方便、精确度高并且带宽很大，可以处理高频信号。但是通过PGA得到的增益为定值且挡数有限，灵活性较差、成本太高。方案二：由普通宽带运放LF356、模拟开关CD4051配合精密电位器实现。单片机控制CD4051选通不同通道的接入电阻值，从而得到不同的增益,实现从0.01V/div到1V/div的多挡的垂直分辨率。这种方案易于扩展调试，高频信号失真小，控制简单。

8、综上所述，我们采用方案二。1.2.3采样方式方案一：等效时间采样。采用中高速模数转换器，对于频率较高的周期性信号采用等效时间采样的方法，即对每个周期仅采样一个点，经过若干个周期后就可对信号各个部分采样一遍。而这些点可以借助步进延迟方法均匀地分布于信号波形的不同位置。其中步进延迟是每一次采样