数字存储示波器设计制作报告.doc

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1、哈尔滨工业大学2003年本科生科技创新活动获奖作品选编数字存储示波器设计制作报告孙吉吉孙士友周洪亮（控制科学系0004101）指导教师：蔡惟铮1．立项依据1.1.1课题研究的目的、意义：（1）课题研究的目的：①通过课题的研究进一步巩固所学的知识，同时学习课程以外的知识，培养综合应用知识的能力。②锻炼动手能力与实际工作能力，将所学的理论与实践结合起来。③培养团队精神，加强协作能力，增进同学间的友谊。④尽力研究出预期成果，如有可能的话申报相关的知识产权，并使成果产业化。（2）课题研究的意义：①研究过程本身可以使参与者得到极大的锻炼，为将来参加实际工作做好准备。②研究的预期成果可以弥补现有示波

2、器的不足，如能实现产业化，将在低档型方面有较大市场。1.1.2现状分析：示波器在电子、电气、控制等领域应用十分广泛。随着计算机技术的发展，数字示波器已经实现与计算机互联、共享数据，但市场现有的示波器也有诸多不足，如价格昂贵、体积重量偏大、携带不方便等，而齐全的功能在很多的场合并不一定能够得到充分的应用。本课题所研究的可存储虚拟示波器定位为低档型，即在性能上只需满足大多场合的基本应用，努力实现小型化，价格尽可能低廉，这样在财力有限的小用户（电子爱好者、小型企业）中能够普及，在大用户的使用中发挥便携性强的优势，与高档示波器配合使用，互相取长补短。2．课题研究的主要内容及实施方案2.1.1课题

3、研究的主要内容：101哈尔滨工业大学2003年本科生科技创新活动获奖作品选编本课题研究的主要内容是如何建立一套可存储虚拟示波器系统，其具体组成为：①硬件系统：硬件系统由计算机硬件系统和外部硬件系统组成。这里主要研究外部硬件系统，其主要目标是实现数据采集、AD转换、数据缓冲及压缩、数据存储、向计算机系统传输。②软件系统：软件系统的主要任务是通过计算机硬件系统读取由外部硬件设备传输来的数据，进行解压、变换、排除干扰信号、将波形显示在显示器上，并进行波形的存储、打印与分析。在实现以上基本功能的前提下，还可以进行进一步的扩展国，如硬件系统性能的担高、成本的降低、体积重量的减小、接口的扩展；软件系

4、统功能的完善、用户界面的改进、数据的格式化、网络化，最终目标是产业化。2.1.2实施方案：本系统实施方案如下页图一所示：2.1.3工作条件：信号源、单片机编程器、普通数字示波器、带RS－232串口的计算机系统。模数转换数据处理计算机系统　波形显示、存储、后期处理模数转换输入信号直接传输方式存储方式图一：实施方案示意图随着工作的进展对实验条件的要求可能会有所变化。3．问题的分析与几种主要实施方案的讨论3.1.1问题的分析101哈尔滨工业大学2003年本科生科技创新活动获奖作品选编本课题的主要问题在于模拟信号向数字信号的转换。为了测试高频模拟信号，必须采用高速的模数转换技术。采样定理指出，要

5、不失真地复现输入信号，采样频率必须大于等于输入信号频率上限的二倍，但在实际工作中，要得到较理想的输入信号的波形，在输入信号的每个周期必须采十个以上的数据点。这样绘制出的波形图才能比较准确地反映输入信号的特征。因此，高速采样及模数转换技术成为本课题的主要重难点。3.1.2几种方案的讨论在本课题的研究过程中，我们提出了以下的方案以解决该问题。（1）直接AD采样该方案采用市售高速AD转换芯片，直接对输入信号进行采样、转换，然后存储在单片机或RAM中。该方案的主要优点是软硬件设计简单，且有很多现成的资料可以参考。缺点在于速度与价格难以兼顾，市售高速AD转换芯片的价格与速度基本成指数关系，而且有很

6、多高速AD转换芯片难于购买。因此，以较低的价格只能得到较低的性能。另一方面，从科技创新本身来说，本方案的技术已经相当成熟，真正创新的内容不多。（2）取样示波器方案所谓取样示波器，就是在一个周期信号的不同周期采样，从而获得周期信号的信息。如图二所示：对于输入信号，设其周期为T，如果能够准确地得到其T/n的时间，那么就可以每隔时间采样一次，采n个数据点，实际上与在一个周期内采n个数据点是等价的。此外，如果将逐次比较AD转换的各次比较过程分在各个不同的周期，但都对应相同的相位，从理论上来说于在一个周期内采样是等价的，而每次比较的时间总比完整的转换时间短的多，因此分周期逐次比较可以对频率更高的输

7、入信号进行采样。101哈尔滨工业大学2003年本科生科技创新活动获奖作品选编图二A：直接采样方案示意图图二B：隔周期采样方案示意图该方案的主要优点是可以采集很高频率的周期性输入信号。但该方案的难点也是很明显的：如何准确获取T/n的时间。在本课题的研究过程中，我们曾尝试用集成锁相环CC4046来实现此功能，通过计数器与CC4046可以实现对经过整形的输入信号2101分频，再21倍频，实质上就是锁定输入信号周期的的时间。但发现在倍频时C