数字存储示波器的设计与制作报告

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1、课程报告学校：姓名：班级：学号：日期：2009年05月07日9数字存储示波器的设计与制作摘要本文介绍了一种基于单片机和FPGA的简易数字存储示波器的设计方案。与传统模拟示波器相比，数字存储示波器不仅具有可存储波形、体积小、功耗低、使用方便等优点，而且还具有强大的信号实时分析处理功能。在电子测量领域，数字存储示波器正在逐渐取代模拟示波器。本系统是以FPGA为核心，包括前端模拟信号处理模块、单片机模块、显示模块和键盘输入模块。单片机AT89S52控制整个系统键盘和点阵液晶模块实现人机交互。通过面板按键可方便调整波形显示方式。关

2、键词：FPGA；示波器；AT89S52AbstractInthispaper,asingle-chipandFPGA-baseddigitalstorageoscilloscopesimpledesign.Comparedwithtraditionalanalogoscilloscopes,digitalstorageoscilloscopecanstorenotonlyhasthewaveform,smallsize,lowpowerconsumption,easytouse,etc.,butalsohaspowerfu

3、lreal-timeprocessingofthesignalanalysisfunction.Inthefieldofelectronicmeasurement,digitalstorageoscilloscopeisgraduallyreplacinganalogoscilloscope.FPGAsystemisatthecore,includingthefront-endanalogsignalprocessingmodules,single-chipmodule,displaymoduleandthekeyboar

4、dinputmodule.AT89S52Single-chipcontrolofthesystemkeyboardanddotmatrixLCDmoduletoachievehuman-computerinteraction.Throughthebuttonpanelcanbeeasilyadjustthewaveformdisplay.Keywords:FPGA；Oscilloscopes;AT89S5291方案论证与分析1.1核心处理器选择方案方案一：纯单片机方式。完全由单片机来实现前级信号程控调理、采样保持电路及A/

5、D转换器的控制、数据的处理及存储、波形显示和控制电路等功能。方案二：单片机与FPGA结合的方式。由单片机来完成信号调理和人机界面等顶层控制功能，而由FPGA来完成采集和信号处理等底层的核心计算。方案一的最大特点是只用单片机，系统规模可以做得很小，成本较低。但是，单片机在处理高速信号时有些吃力，而且在时序控制方面也显得精度不足。相比之下，方案二则更加合理和可靠。FPGA的应用已经相当的普遍和成熟。用其进行采样时钟控制和信号处理，是提高系统性能和指标最有效的方法。因此，选择单片机与FPGA的结合来作为系统的核心处理器。1.2前

6、级信号调理方案设计方案一：一路调理。所有信号都通过同一路信号调理电路，经过相应的衰减或放大设计，将信号幅度控制在合适的范围内，以便后级的数据采样。方案二：多路调理。将不同频率范围或不同幅度范围的信号经过各自的电路进行调理。示波器选择不同的档位，则选择了不同的信号通路。方案一电路简洁，但由于信号的频率和幅度跨度都很大，给硬件电路的调试带来较大困难；方案二虽然可以对不同频率和幅度范围内的信号进行单独调试，降低了每一路通道对硬件电路的要求，但电路规模大、结构繁琐。因此，选择方案一，精心设计实现电路，采用高速运放LM6361和高速

7、比较器AD744组成的相应电路对输入信号进行调整。1.3信号采样方式的选取方案一：实时A/D采样。根据奈奎斯特采样定理，采样速率必须高于2倍的信号最高频率分量。对于正弦信号，一周期内应有2个采样点。为了不失真恢复被测信号，通常一周期内需要采样8个点以上。为了配合高速模数转换器，采用FPGA控制M/D转换器的采样速率，以实现高速实时采样。实时采样可以实现整个频段的全速采样，本系统设计选用ADI公司的12位高速A/D转换器AD9220，其最高采样速率可达10MHz。方案二：随机等效采样。对于输入信号，设其周期为T，如果能够准确

8、地得到其T/n的时间，那么就可以每隔一定时间采样一次，采n个数据点。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得多，因此分周期逐次比较可以对频率更高的输入信号进行采样。1.4双踪显示本系统设计的