简易等效采样数字示波器的设计与实现【开题报告+文献综述+毕业设计】

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毕业设计开题报告电子信息科学与技术简易等效采样数字示波器一、选题的背景与意义电子示波器兴起于上个世纪四十年代，由于电子设备的开发需要性能良好的波形观察工具，示波器成为电子产品开发者检测电子线路最有效的工具之一。后随着半导体和电子计算机的问世，尤其是电子系统的性能随着半导体集成度及功能的稳步提高,对示波器性能的要求越来越高，促进了示波器的发展。在国外，早期主要是模拟示波器的开发，其带宽等性能都比较低。随着半导体和电子计算机的问世，促进电子示波器的带宽达到100MHz。六十年代美国开发出带宽6GHz的取样示波器、带宽6GHz的多功能插件式示波器，标志着当时科学技术的高水平，为测试数字电路又增添逻辑示波器和数字波形记录器。从此模拟示波器发展缓慢，而数字示波器发展迅猛。由于竞争的激烈性，一些国家甚至退出示波器市场，目前美国在示波器方面的技术处于领先地位。在国内，近几年厂商在数字示波器市场开发上取得了很好的成绩。但与国外大公司相比，国内企业仍有很大的差距，如产品主要针对中低端市场，无法满足高速测试需要，测试解决方案扩展低。在国内很多厂家、研究机构以及一些高校等都在加快示波器的更新换代。目前市场上出现的示波器不断向中高端产品发展，市场不断推出性能更加强大的多功能示波器以满足更高更准的测试要求。示波器是显示被测量的电信号的瞬时值轨迹变化情况的仪器，分为模拟示波器和数字示波器。使用者通过使用示波器观察和测量线路电压电流波形来检测电子设备中线路工作异常情况，验证设备性能是否达标等，给使用者设计电子设备带来很大的帮助。示波器除观测电流电压的波形外，还可以测定频率、延时等信号特性。目前，示波器在各种科学研究、工程研究、工业生产及学校教育等众多领域有着极其广泛的应用。传统的模拟示波器采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪），电子枪向屏幕发射电子，发射的电子经聚焦形成电子束,并打到屏幕上。屏幕的内表面涂有荧光物质,这样电子束打中的点就会发出光来。模拟示波器在早期的应用中很好的满足了当时的应用要求。53 模拟示波器可以清晰的获得信号波形，但是其带宽频率、存储能力、扩展性等受到限制，而且不能和计算机很好的融合使用。所以随着新型电子设备对信号检测的要求的逐步提高，数字示波器异军突起。数字示波器是数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器克服了模拟示波器的很多缺点，它应用了采样技术，在信号记忆、存储和处理以及多种触发和超前触发能力上具有很大优势，加上可以在电脑上分析数据等优点，数字示波器迅速普及，有取代模拟示波器的趋势。本次设计的简易数字示波器，采用实时采样和等效采样两种工作方式，具有校准信号输出、波形存储、回放显示和频率测量等一系列功能，突破了奈奎斯特采样定理的限制，具有较高的使用价值。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：研究的基本内容：本次设计研究的基本内容是采样原理技术的理解与应用并且制作一个简易等效采样数字示波器。本设计采用实时采样和等效采样两种工作方式，以C8051f020单片机和FPGA为核心制作一个更高的等效采样率、更宽的测量范围及更好的可靠性的简易数字采样示波器。本次制作的简易数字采样示波器样机的主要性能要求如下：(1)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，能测量1MHz以内的周期信号。(2)垂直灵敏度要求含1V/div、0.1V/div、2mV/div三档。电压测量误差≤5%。(3)实时采样速率≤1MSa/s，要求含有三档扫描速度，能完整观察示波器测量范围内波形，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)显示部分采用液晶显示器。(6)能提供频率为1kHz的方波校准信号，频率误差≤5%。(7)其它功能模块。拟解决的主要问题：1.等效采样原理的理解应用与功能实现2.系统硬件的整体设计53 1.芯片的选取2.触发功能的实现方式3.系统软件设计三、研究的方法与技术路线：1.采样技术性能采样技术是数字示波器制作一个重要技术点，也是此次设计的关键。采样技术大体分为两类：实时采样和等效采样两种。实时采样是示波器在一次触发后即能完成整个采集过程，常常受到采样速率和带宽等的限制。为了突破实时采样的固有限制，后来提出了等效采样。等效采样（EquivalentSampling）是指对多个信号周期连续样来复现一个信号波形，采样系统能以扩展的方式复现频率大大超过奈奎斯特极限频率的信号波形，在高速数据周期信号采集系统中有广泛的应用[2][3]。与实时采样不同，等效采样只能用于重复信号，但信号频率可以很高。在很多场合中，高频信号都是周期或者准周期的信号，所以我们在保证设计成本的同时利用等效采样就可以采集和复现高频信号。本次设计两种采样原理都采用，低频时使用实时采样，高频时使用等效采样。2.等效采样原理等效采样分为顺序和随机等效采样两种方法。等效采样又可分为顺序等效时间采样和随机等效时间采样，两者的区别在于，其采样不仅仅局限于在触发点后，还能在触发点之前。顺序采样是按照一个固定的次序进行采集，每到来一个新的触发事件就采集一个点，经过若干个信号周期后就可以将被测信号的各个部分采样一遍，从而复现波形[7]。这种采样方法没有预触发的信息。随机等效采样就可提供预触发和触发信息以及触发后的信息。在随机等效采样示波器中，每一组采样点是在随机的时刻采集的，而与触发事件无关。这些采样点之间的时间间隔为一已知的时问，由采样时钟来确定。当示波器在等待触发事件到来时，其内部就在连续的进行采集并将采集数据存储起来。当触发事件到时我们测出触发事件到下一个采样点的时间，由于采样间隔时间是固定的，因此就可以从该测量时间推算出所有采样点相对触发的时间。经过多次的重复以上过程，就可以复现一个完整的随机采样的波形。53 对比上述两种采样方式，随机等效采样算法比较复杂，需要开辟大量数据空间进行波形重建。其次，随机等效采样的采样序列在波形中的位置是随机的，需要遍历时间窗内的所有采样序列才能重建出一个完整的波形，对采样的控制要求较高。而顺序采样以采样时间为顺序，在系统组成结构上相对简单。故本设计采用顺序采样方式来实现。图1-1即为顺序等效采样时显示波形的构成情况[4]。图1-1顺序等效采样时显示波形的构成情况3.系统硬件设计本设计以C8051f020单片机和FPGA为核心来实现本数字示波器系统的主要功能。系统总体结构框图如图2-1所示。图2-1系统总体结构框图FPGA完成时基产生和采集时序控制功能。信号的调理是将输入的信号经放大、量程转换、保护、滤波、线性化等操作，使其变成一个能够被A/D正常转换的信号[8]。本设计中，信号调理电路分电压跟随、电压放大、加法电路及比较选择电路四部分。由于常见的集成采样保持器(如LF398)的性能不符合本系统的要求，所以本设计将采用分立元件按照采样保持器结构图搭建一个采样保持电路。A/D转换电路设计采用LTC1196。LTC119653 是一款采样率可达1MHz的8位串行A/D，它能工作在3V或5V的电压下，典型环境下消耗功率仅为50mW。4.系统软件设计本数字示波器采用以C8051F020为控制核心，完成人机交互、数据提取、数据处理和波形显示等功能，相关软件采用C语言在Keil集成开发环境中编写、调试和下载。主程序负责数据的读取、处理、更新，以及人机交互方面的处理，其流程图如图3-1所示。图3-1主程序流程图四、研究的总体安排与进度：1、2010.10.20-2010.11.20；确定课题，熟悉课题的研究内容；2、2010.11.21-2010.12.23；完成开题报告并且参加开题答辩；3、2010.12.23-2011.3.10；按照课题内容或自定内容，完成实习，并完成实习报告；4、2011.3.10-2011.3.20；完成文献综述和文献翻译；5、2011.3.20-2011.4.5；完成示波器的样机，做好各种调试工作。6、2011.4.5-2011.5.20；完成毕业论文的撰写工作，并准备答辩。五、主要参考文献：[1]赖树明等，数字存储示波器等效采样的研究[J]，计算机测量与控制，2010.18（5）53 [1]朱英时，数字示波器原理与测试分析[J]，测试技术，2007(Z1)[2]贾春霞、张洪艳，数字存储示波器现状初探[J]，仪器仪表用户，2005(1)[3]侯伯亨等，现代数字系统设计[M]，西安电子科技大学出版社，2004.1[4]陈尚松等，电子测量与仪器[M]，电子工业出版社,2005,1:56-67[5]田良等，综合电子设计与实践[M]，东南大学出版社，2002[6]韩峰,单片机等效采样示波器的设计[J],鸡西大学学报，2006(12)[7]马忠梅．单片机的C语言应用程序设计[M]．北京航空航天大学出版社，2007[8]王瑛等，等效采样技术中的采样率误差分析[J]，国外电子测量技术，2003（4）[9]FastdataacquisitionsystembasedondigitaloscilloscopesforfluctuationmeasurementsinalongpulseJT-60Utokamakplasma[M],FusionEngineeringandDesign82(2007)207–213.[10]Improvementinthegamma-raytimingmeasurementsusingafastdigitaloscilloscope[J],RadiationPhysicsandChemistry68(2003)431–434[11]IntegratingasamplingoscilloscopecardandspectroscopyADCsinadataacquisitionsystem[J],NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA465(2001)571–57653 毕业设计文献综述电子信息科学与技术等效采样数字示波器综述摘要：示波器是一种非常高效的波形观察与检测工具，尤其的数字示波器的应用更是如此。数字示波器中的等效采样（EquivalentSampling）是指对多个信号周期连续样来复现一个信号波形，在高速数据周期信号采集系统中有广泛的应用。本文主要对电子示波器的研究历史、研究现状，以及电子示波器的发展动向与趋势进行了介绍。关键词：数字示波器；等效采样；发展趋势。0、引言电子示波器兴起于上个世纪四十年代，由于电子设备的开发需要性能良好的波形观察工具，示波器成为电子产品开发者检测电子线路最有效的工具之一。后随着半导体和电子计算机的问世，尤其是电子系统的性能随着半导体集成度及功能的稳步提高,对示波器性能的要求越来越高，促进了示波器的发展。1、研究历史与现状在国外，早期主要是模拟示波器的开发，其带宽等性能都比较低。随着半导体和电子计算机的问世，促进电子示波器的带宽达到100MHz。六十年代美国开发出带宽6GHz的取样示波器、带宽6GHz的多功能插件式示波器，标志着当时科学技术的高水平，为测试数字电路又增添逻辑示波器和数字波形记录器。从此模拟示波器发展缓慢，而数字示波器发展迅猛。由于竞争的激烈性，一些国家甚至退出示波器市场，目前美国在示波器方面的技术处于领先地位。在国内，近几年厂商在数字示波器市场开发上取得了很好的成绩。但与国外大公司相比，国内企业仍有很大的差距，如产品主要针对中低端市场，无法满足高速测试需要，测试解决方案扩展低。在国内很多厂家、研究机构以及一些高校等都在加快示波器的更新换代。目前市场上出现的示波器不断向中高端产品发展，市场不断推出性能更加强大的多功能示波器以满足更高更准的测试要求。2、示波器技术的发展53 2.1示波器介绍示波器是显示被测量的电信号的瞬时值轨迹变化情况的仪器，分为模拟示波器和数字示波器。使用者通过使用示波器观察和测量线路电压电流波形来检测电子设备中线路工作异常情况，验证设备性能是否达标等，给使用者设计电子设备带来很大的帮助。示波器除观测电流电压的波形外，还可以测定频率、延时等信号特性。目前，示波器在各种科学研究、工程研究、工业生产及学校教育等众多领域有着极其广泛的应用。传统的示波器主要讲的是模拟示波器。模拟示波器主要的部件是示波管，示波管里的电子枪打出的电子束打到涂有特殊物质的屏幕上来显示波形。模拟示波器在早期的应用中很好的满足了当时的应用要求。模拟示波器可以清晰的获得信号波形，但是其带宽频率、存储能力、扩展性等受到限制，而且不能和计算机很好的融合使用。所以随着新型电子设备对信号检测的要求的逐步提高，数字示波器异军突起。数字示波器克服了模拟示波器的很多缺点，它应用了采样技术，在信号记忆、存储和处理以及多种触发和超前触发能力上具有很大优势，加上可以在电脑上分析数据等优点，数字示波器迅速普及，有取代模拟示波器的趋势。2.2采样技术介绍采样技术是数字示波器制作一个重要技术点。采样技术大体分为两类：实时采样和等效采样两种。实时采样是示波器在一次触发后即能完成整个采集过程，常常受到采样速率和带宽等的限制。为了突破实时采样的固有限制，后来提出了等效采样。等效采样（EquivalentSampling）是指对多个信号周期连续样来复现一个信号波形，采样系统能以扩展的方式复现频率大大超过奈奎斯特极限频率的信号波形，在高速数据周期信号采集系统中有广泛的应用。等效采样的优点是可以测量高频率的重复信号。在很多场合中，高频信号都是周期或者准周期的信号，所以我们在保证设计成本的同时利用等效采样就可以采集和复现高频信号。等效采样分为顺序和随机等效采样两种方法。等效采样又可分为顺序等效时间采样和随机等效时间采样，两者的区别在于，其采样不仅仅局限于在触发点后，还能在触发点之前。顺序采样是按照前后触发事件对波形依次进行采样，经过若干个信号周期后就可以将被测信号的各个部分采样一遍，从而复现波形[7]53 。这种采样方法没有预触发的信息。随机等效采样就可提供预触发和触发信息以及触发后的信息。随机等效采样中，示波器在随机的时间点以相同的时间间隔对信号进行采样，它和触发事件没有关系。在没有触发事件发生时，示波器就将采集的数据信息存储起来。我们只需知道当前触发事件到下一个采样点的时间，就可以从该测量时间推算出所有采样点相对触发的时间。就这样反反复复进行上面的操作，我们就能够重现所测的波形。3、示波器的发展趋势与展望当今的技术瞬息万变，随着示波器应用环境的变化示波器的也在一直在不断地改变来适应新的应用要求。市场上推出了许多结合了最新应用的多用途示波器和专业示波器。就现在示波器发展情况看，示波器将来可能在以下几个方面会有大的发展。首先，未来的示波器可能对混合信号的测量和分析能力会加强。由于混合信号的信息比较复杂，现阶段的示波器对混合信号处理的不是很出色，但是将来随着软硬件的发展，这种对混合信号进行处理的示波器会出现在市场。其次，将来的示波器将拥有自动检测能力。现在的示波器多作为调试工具，但随着示波器的自动检测技术的发展，应用者工作量会大大减少。还有，示波器的便携和显示器也会变得越来越好。将来的示波器体积会越来越小，越来越轻便。而且示波器的显示器也会越来越大，越来越清晰。主要参考文献：[1]国际电子商情：示波器发展的历史[OL]http://forum.esm-cn.com/FORUM_POST_1000163994_1200499534_0.HTM[2]百度百科：示波器[OL]http://baike.baidu.com/view/130973.htm[3]赖树明等，数字存储示波器等效采样的研究[J]，计算机测量与控制，2010.18（5）[4]朱英时，数字示波器原理与测试分析[J]，测试技术，2007(Z1)[5]贾春霞、张洪艳，数字存储示波器现状初探[J]，仪器仪表用户，2005(1)[6]韩峰,单片机等效采样示波器的设计[J],鸡西大学学报，2006(12)[7]马忠梅．单片机的C语言应用程序设计[M]．北京航空航天大学出版社，2007[8]王瑛等，等效采样技术中的采样率误差分析[J]，国外电子测量技术，2003（4）[9]示波器发展趋势展望，中国技术核心期刊[J]，2009（5）53 [1]FastdataacquisitionsystembasedondigitaloscilloscopesforfluctuationmeasurementsinalongpulseJT-60Utokamakplasma[M],FusionEngineeringandDesign82(2007)207–213.[2]Improvementinthegamma-raytimingmeasurementsusingafastdigitaloscilloscope[J],RadiationPhysicsandChemistry68(2003)431–43453 本科毕业设计（20届）简易等效采样数字示波器的设计与实现53 摘　要【摘要】目前，数字示波器在各种电子信号测量设备的应用中有着非常广泛的应用。本文研究了等效采样技术，利用顺序等效采样的方式成功设计了一款等效采样数字示波器。该系统以C8051f020单片机为控制核心，以FPGA为数据处理核心。系统主要包括输入调理、跟踪触发、信号采集、数据处理等模块，含有四个扫描时基档，三个垂直灵敏度档，具有波形存储、回放显示和频率测量等功能。经过测定，该示波器的等效采样率能够达到100Msa/s，有效地扩展了示波器的工作带宽，具有较高的实用价值。【关键词】等效采样；C8051f020；FPGA；数字示波器。53 Abstract【ABSTRACT】Currently, digitalscilloscope applicationsisalwaysusedinavarietyofelectronicequipment.To theelectronicsindustry,the scilloscopehasplayedanextremelyimportantrole. Withthe functionalityandintegrationofelectronicdevicesadvanced,thescilloscopehas beengreatlydeveloped. Inparticular, therapiddevelopmentof digitaloscilloscopehasmadeabigadvancewhichlovedbythemajorityof electronic developers.Inthispaper,adigitaloscilloscopeusingsequenceequivalentsamplingmethodispresented.Theoscilloscopeconsistsofinputconditioning,trackingtrigger,signalacquisition,dataprocessingfunctionmodules,andcontainsfourscanningstalls,threeverticalsensitivitystalls.Italsohasfunctionsofthewaveformstorage,playback,andfrequencymeasurement.Real-timesamplingmethodandsequenceequivalentsamplingmethodareadopted,whichhaswidenthefrequencybandoftheoscilloscope.Thesystemhashighpracticalvalue.【KEYWORDS】equivalentsampling；C8051f020；FPGA；digitaloscilloscope。53 目　录摘　要IIAbstractIII目　录IV1前言11.1示波器的特点11.2当前国内外示波器发展的历史与现状11.3课题研究的主要内容21.4本章小结22采样原理的介绍与分析32.1实时采样32.2等效采样42.2.1顺序等效采样42.2.2随机等效采样52.3采样方案的选择62.4本章小结73系统总体设计方案选取83.1系统总体设计方案一：单片机+单片机83.2系统总体设计方案二：FPGA+单片机83.3系统总体设计方案的选择83.4系统方案的具体设计93.5本章小结94系统硬件电路设计104.1外围电路设计104.1.1部分元器件介绍104.1.2外围电路具体设计114.1.3外围电路整体设计144.2FPGA硬件电路设计164.2.1FPGA的发展简介164.2.2锁相环164.2.3TLC5510174.2.4THS5651184.2.5TLV56191953 4.2.6FPGA目标板194.3单片机硬件电路设计214.4本章小结235系统软件设计245.1FPGA软件设计245.1.1QuartusII软件简介245.1.2A/D驱动模块255.1.3采样时序控制模块265.1.4控制模块285.2单片机软件设计295.3本章小结296系统调试与参数测量306.1外围电路调试306.1.1调理及触发电路的调试306.1.2采样保持电路的调试306.2FPGA电路调试306.3系统性能参数测量316.3.1测量仪器316.3.2测量参数记录与数据分析316.4本章小结347总结35参考文献36致谢37附录3853 1前言1.1示波器的特点示波器是用来测量各种电信号的电子仪器，可以简单的视为能够显示图形的电压表。示波器能够非常形象地显示出随着时间变化的电信号的波形，是一款非常有用的电信号测量仪器。先期的示波器主要是模拟示波器的应用。模拟示波器采用模拟电路设计，其核心元器件是示波管。示波管里含有电子枪，电子枪将电子束发射到含有荧光物质的屏幕，这样就显示出了所测电信号的波形特征。直到现在模拟示波器依旧在有关电子行业的各个应用领域中充当着十分重要的角色。但是模拟示波器一直有着一些没有办法克服的缺点，比如信号带宽频率不能太高；不能够有效存储波形；对瞬时信号和单次信号不易观测；不能很好的实现预触发功能等等，所以模拟示波器现在难以满足电子测量的需要。随着模拟示波器在实际应用中表现出来的不足，数字示波器得到了很大的发展。数字示波器是把输入的被测信号通过A/D转换器转变成离散的数字信号，然后将数据存储在存储器中。处理器将采集的波形数据进行处理，然后通过D/A还原成模拟信号就可以在显示器上显示所测的信号波形了。不同于模拟示波器，数字示波器不仅适用于重复规律信号的测量观察，也同样适用于单次信号和瞬态信号的测量观察。与模拟示波器相比，数字示波器能够对数据进行长时间的存储，还能够捕捉采集触发点前的信号波形信息，而且还能够共享实验数据。由于数字示波器加入了数字化处理技术，在结合智能的计算机一起构成了更强大的测试控制系统。数字示波器可以很方便的构成自动测试系统，使得数据可以在不同的测试观察系统中进行数据的传输和数据的处理。随着数字式示波器的价格不断降低和技术的日益成熟,数字示波器在电子信号测试领域大展拳脚，很快占有了示波器的大部分市场。正是有着这样的优点，电子数字示波器在各个不同的领域中扮演着愈来愈重要的角色。不用说电子领域，就是在机械方面、纺织制品、水力水电以及高端军事应用方面都有着不俗的表现。总之，不论是模拟示波器还是数字示波器都是电子设计人员不可或缺的测量调试工具。在实际使用中，示波器不仅可以观察测量信号波形，更为重要的是示波器可以很好的分析被测信号波形的各种参数特性。从而提高了设计人员的工作效率，使得系统设计方案得到更好的优化。53 1.1当前国内外示波器发展的历史与现状在国外，早期主要是模拟示波器的开发，其带宽等性能都比较低。在半导体技术以及电子计算机技术飞速发展的大背景下，电子示波器的带宽也相应的提高跟多。六十年代时期美国等发达国家成功开发生产出带宽达GHz的数字示波器，而且功能相对于模拟示波器强大了许多。从此模拟示波器发展缓慢，而数字示波器发展迅猛。由于竞争的激烈性，一些国家甚至退出示波器市场，目前美国在示波器方面的技术处于领先地位。在国内，近几年厂商在数字示波器市场开发上取得了很好的成绩。但与国外大公司相比，国内企业仍有很大的差距，如产品主要针对中低端市场，无法满足高速测试需要，测试解决方案扩展低。在国内很多厂家、研究机构以及一些高校等都在加快示波器的更新换代。目前市场上出现的示波器不断向中高端产品发展，市场不断推出性能更加强大的多功能示波器以满足更高更准的测试要求。1.2课题研究的主要内容课题研究的主要内容本次设计研究的基本内容是采样原理技术的理解与应用并且制作一个简易等效采样数字示波器。本设计采用实时采样和等效采样两种工作方式，以C8051f020单片机和FPGA为核心制作一个更高的等效采样率、更宽的测量范围及更好的可靠性的简易等效采样数字示波器。本次制作的简易数字采样示波器样机的主要性能要求如下：(1)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，能测量1MHz以内的周期信号。(2)垂直灵敏度要求含1V/div、0.1V/div、2mV/div三档。电压测量误差≤5%。(3)实时采样速率≤1MSa/s，要求含有三档扫描速度，能完整观察示波器测量范围内波形，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)显示部分采用液晶显示器。(6)其它功能模块。1.3本章小结本章节简单的介绍了示波器的应用以及示波器的发展历史。文中就示波器在国外与国内的发展做了分析对比。最后提出了本次课题设计的主要内容。53 53 采样原理的介绍与分析随着电子技术的飞速发展，示波器技术也突飞猛进。从1931年含有示波管的第一台电子示波器到现在采样速率达到GHz的数字示波器，采样技术也不断地快速来发展来适应示波器应用。先期的采样技术主要是实时采样技术，到后来又提出了等效采样技术。等效采样又可分为顺序等效采样和随机等效采样。本章节主要研究分析采样技术，通过对各种采样技术的分析对比，最终确定本次设计所采用的采样技术方案。1.1实时采样实时采样（Real-TimeSampling）即我们一般所谓的采样定理，也可称为奈奎斯特采样定理，有的文章中也称为香农采样定理。在示波器中，实时采样是指触发一次后示波器就完成整个波形的采样过程，而且采样点按照前后顺序依次采集。实时采样可以处理规律的周期信号，也可以处理不规律的非周期信号以及单次信号。一般用实时采样率来表示实时采样的性能，大部分的示波器标出来的采样率一般都指的是实时采样率。采样率（SamplingRate）是每秒采集被测波形信息样本的次数，单位用Hz表示。采样率的倒数即是信号的采样周期，也就是相邻采样点之间的时间间隔。对于示波器来说，采样率越高也即采样周期越短，示波器恢复的波形也就越接近原始波形。我们知道，A/D转换器（ADC）的转换速率是示波器采样速率的一个最主要的因数，一般用每秒所采集的样点数目表示ADC的速度，符号为Sa/s（sample/second）。除了转换速率以外，分辨率也是A/D转换器的一个技术指标，一般用位数来表示。分辨率可以表示ADC转换的位数精度：分辨率越高，那么AD的转换就越精确。但是，增加分辨率一般会导致转换速率的降低。根据奈奎斯特采样定理要求，要重新获得原来信号的信息采样频率至少为原来信号频率的两倍，这样我们才能获得原始信号的信息从而重建信号。如果采样率低于这个要求，那么重建的波形会发生失真或者混叠的现象，有时候也可能会得不到任何波形信息。下面图2-1给出了以原始信号波形频率f的1倍、4/3倍、2倍即采样率以f、4/3f、2f进行采样的结果图。依据图2-1给出的信息，我们可以看出：如果以采样率f对原始信号进行采样，我们几乎得不到原始信号的任何信息。如果以采样率以4/3f对原始信号进行采样，我们可以重建一个类似波形。但是这个重建波形除了形状和幅度和原始波形一样外，信号波形的频率发生了变化。如果以采样率2f53 对原始信号进行采样并且正好在峰值处采集样点，这样我们可以恢复重建原始信号波形。在实际应用中，采样率一般达到原始信息波形频率的3~5倍才能比较全面的再现原始波形，这还需要一些比较好的内插算法。图2-1不同频率实时采样效果图1.1等效采样对于很多技术人员来讲，只含有实时采样的示波器提供的时间分辨率低使得很多时候不能够满足测量工作的要求。但是很多情况下，需要测量分析的信号都是规律的重复性信号。这些信号的频率很高，受到设备器材的限制实时采样的时间分辨率不能满足测试要求。这种情况下，技术人员发展了等效采样技术。等效采样利用不同信号周期采集到的采样点来重构信号波形。等效采样需要多次触发，每次触发采集一个样本点。这些采样点来自信号的不同周期，然后将这些信号重新组合来重构原始信号波形。这种方式可以以相对较低的采样率来获得相对较高的带宽，从而使示波器的时间分辨率相应的提高了很多。等效采样不受奈奎斯特采样定理的限制，但是测量的信号必须是规律重复信号。目前，等效采样有两种不同的实现方式，分为顺序等效采样和随机等效采样。1.1.1顺序等效采样顺序等效采样的样本点采集的过程是依照一个固定的次序来进行采集的。采集样本点时一个触发对应一个采样点。然后将采集到得样本点存储起来，直到存储空间被填满。最后根据这些依次采集的样本点就可以复现信号波形。在采集样本点的过程中，存储空间决定了触发事件的次数。53 图2-2顺序等效采样由图2-2可以清晰地解释说明顺序等效采样的基本原理。如图2-2所示，当第一个触发信号来临时进行第一个样本的采集并且把样本点存储起来。这个时候任务开了一个定时系统，计时△t后进行第二次触发。第二个触发信号来临后进行第二个样本点的采集并且存储样本点。这个时候采集的第二个样本点与第一个样本点之间就有了时间差△t。在此时，定时系统又计时△t，进行第三次触发。第三个触发信号来了以后进行第三个样本点的采集并且存储样本点。如果以第一次触发的时间点为时间准轴，采集第二个样本点的时候相当于延迟△t后进行的采样，那么采集的第三个样本点的时候相当于延迟2△t后进行的采样。这样，采集第n个样本点是在延迟（n-1）△t时进行操作采集的。再按照这样的采样方式，接连进行以后的采样操作。假如我们按照这样的采样方式采集了十个样本点，图3就表示了这十个样本点恢复重构原始信号波形的情况。由图可看出，重构波形时的采样点是按照采样时的先后顺序来进行排列组合的，即第一个采集的样本点在重构信号波形的最左端，往右依次是第二个样本点、第三个样本点……顺序等效采样就是以这样的方式恢复重构信号波形。可以看得出，这些采样点都是在不同的周期采集的而不是在在一个周期内采集的。图2-3顺序等效采样原理重构的原始波形53 1.1.1随机等效采样不同于顺序等效采样，随机等效采样样本点的采集过程是随机进行的。在随机等效采样中，对信号波形采集使用的频率必须是固定的。随机等效采样的核心是测量每次采样的采样点与触发信号之间的微小时间间隔。随机等效采样中的时间间隔是电路随机产生的。随机等效采样也需要对信号波形多个周期的信息进行采集取样存储。然后根据测量得到的幅度值或者采样频率对采集到的信号波形样本点进行排序，这样我们依据这些排列好的样本点就可以恢复重构原始信号波形信息。图2-4随机等效采样过程由图2-4可以清晰地说明随机等效采样的原理。在随机等效采样中，采样频率必须保持始终不变。脉冲和脉冲之间是一个固定的值，如图中的时间T。在图2-4中，我们将固定时间T分为4个相等的部分。在采集样本点中，最大的问题是准确无误地测量触发点与下一次采样脉冲之间的时间间隔，如图中的t1、t2、t3、t4。这个微小的时间间隔是随机的，没有一个固定的值。如图2-4中所示我们可以通过t1、t2、t3、t4时间间隔算出这次采集的样本点相对于触发点的具体位置，然后把采集的数据存储起来进行下一轮采样。在采集足够多的样本点后，将这些随机采集的样本点进行排序。通过这样的方式，我们就可以恢复重构原始信号波形信息。图2-5随机等效采样原理重构的原始波形53 1.1采样方案的选择如果测量的是频率不是很高的信号波形，实时采样可以表现出很多优点。实时采样几乎可以采集任何不同类型的信号波形，只要信号波形输入就可以立即采集样本点。像实时采样可以很好地应用于单次信号的采样或者是连续信号的采样。像规则的或不规则的、周期的或非周期的信号波形，实时采样都可以很好的处理。但有个前提条件，就是硬件要达到奈奎斯特采样定理的要求。实时采样的特点是所有采集到的样本点都是按照时间的先后顺序进行的，所以相对容易恢复原始信号波形的信息。所以，在本次设计中信号波形频率小于1MHz时采用实时采样。由于受到一些硬件的限制，实时采样不能很好的应用于一些较高频率的信号波形。像AD的转换速度限制了实时采样的采样率不能很高。而等效采样却克服了实时采样率不够高的缺点，采集信号波形时等效的采样率可以很高。从前面介绍的等效采样原理可以看出，顺序等效采样以时间的先后为顺序进行采集样本点。顺序等效采样的原理也相对简单，等效换算过来的采样率也很高。因为以时间为序，顺序等效采样比较容易恢复重建原始信号波形。顺序等效采样的关键是延时时间差的有效控制。在实验室中一般可用的器件中，一些芯片可以产生的延时时间差可以达到非常高的精度。例外，顺序等效采样算法编程比较简单可控。在示波器技术的发展应用中，顺序等效采样的开发应用先于随机等效采样，技术相对于随机采样更加成熟。所以，本次设计选择了顺序等效采样进行等效采样。相对于顺序等效采样，随机等效采样能够采集处理触发前的信号波形。但是随机等效采样的采样算法十分复杂。而且随机等效采样对数据空间要求比较大，有了足够大的数据空间才能更好的恢复重建信号波形。由于随机等效采样采集样本点是随机的，所以随机采样要求很高的采样控制。1.2本章小结本章节对采样定理进行了介绍，包括实时采样以及等效采样原理的实现原理做了详尽的描述。文章重点对顺序等效采样原理和随机等效采样原理做了具体地分析对比，最终选择顺序等效采样作为本次设计的等效采样原理。53 1系统总体设计方案选取如前文所讲，这次设计原理上我们采用了实时采样与顺序等效采样。本章节所讲内容是依据设计的大体要求来选择确定设计的总体方案。本次设计要求制作的示波器可以采集到比较高频率的信号波形。在示波器的采样方式上选择了实时采样与顺序等效采样。若被测信号波形的频率低于1MHz，系统应用实时采样来完成采集过程。若被测信号波形的频率高于1MHz，系统选用顺序等效采样来完成采样过程。下面我们就现行的两个系统总体设计方案进行具体介绍，并且根据本次设计的要求选出方案。1.1系统总体设计方案一：单片机+单片机此方案应用纯单片机的工作方式来完成设计要求的的所有功能。其中单片机一来完成信号波形的采样、样本数据的处理以及一些时钟的控制等功能。单片机二来完成信号波形频率的测量以及DA数据输出、键盘控制等功能。3-1单片机+单片机方式简单示意图1.2系统总体设计方案二：FPGA+单片机53 此方案应用FPGA与单片机相结合的方式来完成整个设计的关键部分。FPGA功能强大，设计非常灵活。此方案中，FPGA主要用来产生时基和控制采样时序，还对测信号波形的频率进行测量。单片机主要来完成人机界面、信号波形显示和对部分电路进行控制等功能。3-2FPGA+单片机方式简单示意图1.1系统总体设计方案的选择系统总体设计方案一以单片机为核心来完成设计的各项要求。这个方案的好处是系统的规模比较小，而且设计制作的成本也比较低。但是单片机内部可利用的资源比较少，而且单片机的扩展性也不是很好。尤其在对高速的信号进行处理时，单片机表现的不尽人意。系统总体设计方案二是以FPGA为核心来完成设计的各项要求。FPGA在处理信号的速度方面表现出优良的特性。FPGA可以很好的处理高频率的信号。对于使用FPGA开发的人员来讲，FPGA具有很好的灵活性。相对于单片机来讲，FPGA在精度控制方面表现良好。一般利用FPGA进行开发可以提高电路系统的稳定性。通过对上面两种设计方案的比较，我们可以很明显地看出系统总体设计方案二的优势。本设计主要针对的是高速信号的采样，这也正是设计方案二对于方案一的优势所在。考虑到实验室可提供的实验器件和实验条件，本设计选择了系统总体设计方案二FPGA+单片机的方式来完成本次设计的任务。1.2系统方案的具体设计这次设计方案选择了FPGA+单片机的方式来完成设计。如图所示，整体电路可以分为三大块：外围电路模块、FPGA模块、单片机模块。3-3系统总体设计简单框图53 外围电路模块主要包括信号调理电路、采样/保持电路和A/D转换电路。信号调理电路对输入的被测信号进行放大、滤波和抬升等操作，使得被测信号可以更好地被FPGA进行处理。像电压跟随电路可以增大电路的输入阻抗。电压放大电路可以对被测信号进行放大。采样/保持电路可以很好地对信号进行保持，以便AD顺利的进行采样操作。FPGA模块是本次设计的核心模块，包括硬件设计和软件设计。FPGA模块主要用于产生精确的时基、对AD采样进行控制以及对数据进行缓存等功能。单片机模块主要完成的是人机界面的任务，像数据的简单后续处理、按键的控制、数据的显示等功能。1.1本章小结本章节开始的时候提出了两个系统总体设计方案并且进行了简单介绍。文中通过对方案一与方案二的对比分析，并结合实验室能够提供的实验器材以及实验环境，最终选择了方案二作为本次设计的总体设计方案。53 系统硬件电路设计本章节主要讲述整个系统硬件电路的设计，完成示波器样机的制作。章节里对硬件电路中用到的主要元器件进行了简单的介绍，最要的是对硬件电路的各个模块进行了详细的介绍，包括具体电路的工作原理、电路图设计、实现的主要功能等都进行了详细的讲解。本次设计的整个系统硬件电路分为三大块：外围电路模块、FPGA模块和单片机模块。1.1外围电路设计外围电路主要进行的是信号的前期调理，包括滤波、信号放大、线性化等信号处理工作。这样使得被测信号经过外围电路的调理变换成适于AD模块采样的信号。所以，外围硬件电路的设计也很重要。根据本次设计的各项指标要求，外围电路具体包含有电压跟随电路、电压放大电路、电压抬升电路、电压比较电路、采样保持电路。1.1.1部分元器件介绍本小节主要对外围硬件电路中用到的部分主要器件进行简单介绍。像设计中用到的LF353、LM393还有MAX9107的简单介绍。1.运算放大器LF353LF353是一款高速低噪声的双运算放大器。除了具有高速率和低噪声的特点外，LF353还有功耗低、宽增益带宽和输入电压偏移量小等特性。基于这些特性，LF353常用于一些数模转换电路和采样/保持等其它电路中。图4-1LF353的引脚图2.LM393双电压比较器LM393是一款高性能的双电压集成比较器，具有高精度、低功耗和低偏置等特点。LM393的输入方式为差分输入。LM393可以采用单电源工作也可以采用双电源工作，而且它工作电压范围可以很宽，从2V到36V。但是LM393的输入电流不能过大。53 图4-2LM393的引脚图1.MAX9107高速比较器MAX9107是一款低功耗高速比较器，其工作电压为5V，传输延时仅为25ns，共模输入范围很宽，从200mV至距离正端电源1.5V。输出为通用的TTL电平，无需外接上拉电路。较器具有内部滞回，在输入慢变化信号时也能保证干净的输出切换。MAX9107采用常见的8脚SO封装，使用方便。1.1.1外围电路具体设计1.电压跟随电路电压跟随器电路平常都作为缓冲级或者是隔离级使用。因为电压跟随器电路的特性表现为输入的阻抗高，输出的阻抗低，这样减弱了前后级电路的相互影响。在使用中，电压跟随电路可以提高整个电路的输入阻抗，而信号输入前和输入后的电压基本保持不变。这样就保证了后面的电路能够更好的处理信号。电压跟随电路具体设计如图4-3所示。图4-3电压跟随电路原理图2.电压放大电路电压放大电路对输入的被测信号进行放大。我们选择对输入被测信号进行1倍放大、10倍放大和500倍的放大。依据放大倍数，采用两级放大电路来完成放大的任务工作。一级放大电路如图，二级放大电路如图。因为有三种不同的信号放大倍数，设计采用了拨码开关来连接反馈电阻。本次电压放大电路利用同向比例运算电路根据同向比例运算电路输出电压与输入电压关系公式：(4-1)得放大倍数和放大倍数。知道两级放大倍数，我们就容易得出总的放大倍数，53 (4-2)依据公式可以得出一级放大倍数数值为10倍、2倍和1.1倍，同时可以得出二级放大倍数数值为50倍、5倍和1.1倍，电路利用拨码开关选择放大倍数的组合。这样我们就可以得到总的放大倍数1.1倍、10倍、500倍。图4-4一级放大电路与二级放大电路图1.电压抬升电路电压抬升电路用于抬高信号电压的电平。本次设计的电压抬升电路其实是一个加法电路，工作方式是同向求和,见图4-5。在本次设计中，信号电压被抬升2.5V。(4-3)根据条件，输入电压为0时，输出为2.5V；输入为5V时，输出为5V得计算式：(4-4)求得：即53 图4-5加法电路1.电压比较电路本次设计中，电压比较器的同向输入端输入经放大电路放大的信号，而反向输入端则输入经过滑动变阻器控制的触发电平。当电路工作时，只要同向输入端输入电压高于反向输入端输入的电压时，电压比较器就输出高电平，这样电路就获得了一个触发信号，见图4-6。图4-6比较器电路5.采样保持电路等效采样时输入信号达到兆级，在A/D转换期间输入信号变化较大，会引起转换的误差。所以一般情况下采样信号都不直接送至A/D转换器转换，要示输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变。这就需要采样保持器来解决问题。53 图4-7采样保持电路上图5-7就是系统的采样保持电路。MAX4066是一个高速模拟开关，信号从1脚输入，2脚输出，通过13脚来控制开关的闭合。1.1.1外围电路整体设计调理电路、采样保持电路、A/D转换电路三个部分功能共同组成信号处理整体电路，其原理图见图4-8。53 53 图4-8外围电路整体电路图1.1FPGA硬件电路设计本小节将对FPGA硬件电路的设计展开具体地描述。包含对EP2C5T144C8的应用介绍，还有锁相环的工作原理的介绍。最后就整个FPGA目标开发板的应用进行讲解。1.1.1FPGA的发展简介FPGA的全称是现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray），是一种功能非常强大的可编程复杂逻辑器件。自上个世纪末一直到今天，FPGA得到了迅猛的发展。现在很多的电子系统都将FPGA作为平台进行开发产品。目前国际上生产开发FPGA的公司有好几家，排名前两名的是Altera公司和Xilinx公司，两个公司的FPGA的产品差不多占了全球整个市场的60%多的市场份额。目前市场上的FPGA大部分都采用了查找表结构，大部分的是基于SRAM的，小部分是基于Flash和反熔丝工艺的。FPGA有着多元化的配置模式，包括并行模式、串行模式、主从模式和外设模式。FPGA有着很多的优点。相对于过去的一些可编程的逻辑器件，FPGA的集成规模比以往的大很多。FPGA可认为是一种半定制的ASIC电路，所以它具备了ASIC电路的所有特点。除此以外，FPGA自身的许多优势特点。例如：随着电子电路集成制造工艺的飞速发展，FPGA的集成规模越来越大，使得FPGA芯片可以实现越来越多的功能。FPGA的内部提供非常丰富的I/O口和触发器。对于电子电路设计开发人员来讲，FPGA的应用开发非常灵活。设计人员不受编辑器的限制可以反复编程，而且利用FPGA进行开发电子产品可以大大降低成本。这是基于这些优良的特性，FPGA在投入市场不久，便风靡全球电子电路设计市场。EP2C5T144C8是美国Altera公司CycloneII系列产品中的一种FPGA，是一款性价比比较高的芯片。该开发板的核心元件是EP2C5T144C8板载芯片。系统的工作时钟通过50MHz的有源晶体提供，最高工作频率可以达到250MHz。芯片采用了90nm工艺制作，内部具有两个锁相环，26个M4K型RAM块,4068个LE单元。EP2C5T144C8内的I/O口数目达到了142个，总得RAM容量达到了119808位，是一款高性价比较高的FPGA产品。1.1.2锁相环EP2C5T144C8内部具有两个可利用的锁相环，根据电路的需要可以对外部输入的时钟进行倍频和分频，以此来产生一个稳定的内部时钟。53 图4-9锁相环的基本结构图锁相环最基本的结构如图4-9所示，主要有三个重要的部件：鉴相器（PD）、压控振荡器（VCO）以及环路滤波器（LPF）。鉴相器是用来进行相位比较的，它的工作原理是将外部输入信号Si(t)和来自压控振荡器信号So(t)的相位进行相位对比，然后就产生一个相对有相位差的电压信号Se(t)。环路滤波器的工作任务是把误差电压信号Se(t)中的高频部分和噪声部分过滤掉，以此来保证电路工作时所要求的各项性能，大大增加了系统工作的稳定性能。压控振荡器的工作原理是控制电压Sd(t)不断地使压控振荡器的频率越来越接近输入信号的频率，这样直到消除频差从而锁定信号频率。由于本系统要对兆级信号进行等效采样来完成采样，所以需要很高频的时钟计数来产生微小的时间间隔。目标板上时钟的频率为50MHz，我们可以通过锁相环来获得更高的工作频率信号。设置时钟乘法因数（Clockmultiplicationfactor）为12，时钟除法因数为6（Clockdivisionfactor）为5，内部计时时钟频率为：(4-5)1.1.1TLC5510TLC5510是一款8位低功耗高速模数转换器件。它是美国TI公司推出的一款性能不错的新型ADC之一。TLC5510的制造采用了CMOS工艺，能够提供的最大采样率为20Msps。由于采用了CMOS工艺以及半闪速结构，TLC5510的制作中使用的比较器大大地减少了。这样TLC5510能够在非常高的转换速度时还能保持着很低的功耗，一般工作状态下的功耗维持在100mW左右。TLC5510除了高速的转换速度外，其内部含有自带的采样/保持电路。正是有了内部采样/保持电路，这就使得设计人员不必在搭建外围采样/保持电路，简化了电路的设计工作。53 图4-10TLC5510引脚图表4-1　A/D驱动模块管脚功能表端口方向功能AGND输入模拟信号地ANALOGIN输入模拟信号输入端CLK输入时钟输入端DGND输入数字信号地D1~D8输出数据输出端口输出输出使能端VDDA输入模拟电路工作电源VDDD输入数字电路工作电源REFTSREFTREFBREFBS输出内部参考电压引出端1.1.1THS5651THS5651是美国TI公司推出的一款10位数模转换芯片DAC，具有高速率、低功耗的特点。THS5651的数据更新率可达到100MSPS，在正常工作时的功耗为175mW,在休眠状态时是25mW。由于THS5651在数字信号处理和传输表现不错，所以常常被大范围的应用在有线通信和无线通信领域。53 图4-11THS5651引脚图1.1.1TLV5619TLV5619是美国TI公司应市场需要推出的一款高性能的DAC。TLV5619是一款字符型数模转换器，提供的分辨率可以达到12位。它的数可以达到20个，线性误差控制在0.08%，工作时的功耗维持在4.3mW左右。TLV5619在数字信号处理方面应用广泛。图4-12TLV5619引脚图1.1.2FPGA目标板53 53 图4-13FPGA目标板1.1单片机硬件电路设计本次设计中采用C8051F020单片机来进行电路的操作控制。C8051F020单片机是一款集成的高性能MCU芯片。该单片机的一些特性如下：1)64个数字I/O引脚2)2个12位的DAC3)片内ADC4)64k字节的FLASH存储器5)片内RAM6)5个通用16位定时器7)片内集成看门狗定时器8)片内温度传感器9)片内VDD监视器53 53 图4-14单片机目标板1.1本章小结本章节着重介绍了系统硬件电路的具体设计。设计包括外围电路、FPGA硬件电路、单片机硬件电路，还介绍了部分重要元器件以及对锁相环的工作原理做了简单的介绍。通过三大模块电路的制作成功，完成了整个等效采样数字示波器样机的硬件设计。53 系统软件设计本章节将对系统的软件设计进行详细的讲解。本次系统的软件设计主要是对FPGA进行编程，核心是顺序等效采样的软件实现。1.1FPGA软件设计FPGA的内部还有大量的可编程逻辑门电路和相关可用资源。设计人员可以通过对硬件描述语言（HDL）对FPGA进行配置来实现电子系统设计的相关功能。在本次等效采样数字示波器设计中，FPGA用于时基的产生、采样的控制、频率的测量及数据的缓存，也是本次系统设计最重要的一个部分。设计利用软件QuartusⅡ来进行FPGA的编程，通过配置QuartusⅡ的内置元件以及编写VerilogHDL代码程序的组合方式来搭建数字系统，然后下载配置到目标芯片来实现本次系统的设计性能。1.1.1QuartusII软件简介QuartusⅡ软件是MAX+plusⅡ版本的升级版，是美国Altera公司推出的第四代具有强大性能的综合开发软件。该软件为设计人员提供了一个高效完整便捷的设计环境，非常适合各种设计的不同需要，得到了广大设计应用人员的追捧和喜爱。QuartusⅡ提供了简单的设计输入方式、快速便捷的编译和简单易懂的器件编程。该软件还可以支持百万门级别的逻辑门数的设计开发，于此同时其他的第三方设计工具可以通过无缝接口与其进行通信传递信息。QuartusⅡ能够支持的器件有：Stratix系列、MAX系列、FLEX系列、Cyclone系列、APEX系列等。QuartusⅡ软件的核心是软件包里的内嵌编辑器，该模块提供了非常强大的设计处理功能。设计人员可以通过修改添加一些特定的条件就能够轻易地提高芯片的有效利用率。在软件系统设计流程的每一个步骤，设计人员都可以集中精力在设计功能的实现上，而无需关心软件本身的问题。与此同时，系统错误的自动定位、全面详细的错误与警告通知信息，使得设计人员可以简单容易地修改编写设计。QuartusⅡ还有一个很大的优点，那就是它的兼容性很好。像MATLAB的Simulink以及DSPBuilder都可以和QuartusⅡ实现功能对接。综合各个方面的因素来看，QuartusⅡ是一款非常具有发展前途的优秀的EDA应用软件。53 图5-1QuartusII软件界面1.1.1A/D驱动模块TLC5510是一款8位并行A/D。在时钟的控制下，当为跳变为低电平时即开始转换过程，转换结果由输出端口并行输出。其工作时序由图6-3可见。图5-2TLC5510时序图因此需要编写相应的模块来控制TLC5510的工作。该模块采用状态机实现，模块通过使能AD转换，当CLK收到采样脉冲时即启动AD采样。53 图5-3A/D驱动模块框图A/D驱动模块的管脚功能见表5-1。表5-1A/D驱动模块管脚功能表端口方向功能en输入使能clk输入时钟FULL输入接受FIFO存满信息reset输入复位oe输出片选W-en输出FIFO写入数据使能finished输出采样完成1.1.1采样时序控制模块采样时序控制模块是本次设计的核心部分，其通过锁相环产生的100MHz的时钟来进行驱动，是等效采样中高精度延时的发生器。该模块可以根据触发信号和AD的状态来精确地控制信号的保持采样和AD转换的启动。该模块的具体工作流程图如图表示：53 图5-4采样时序控制模块工作流程图如图所示，系统进入等效采样模式以后，当第一次触发信号到来时，模块内部对100M时钟计数“1”，计满后将当前的信号保持，然后启动AD进行数模转换；当第二次触发信号到来时对时钟计数“2”，然后保持，启动AD，以此类推。这样就能用等效采样的原理采集一个波形，当AD转换的数据写满FIFO后由FPGA中的定时模块给出复位信号，模块重新从“1”开始计数。图5-5触发模块图5-6采样时序控制模块53 采样时序控制模块的管脚功能见表5-2，触发模块的管脚功能见表5-3。表5-2采样时序控制模块管脚功能表端口方向功能clk输入时钟源（100M）trig输入触发信号en输入模块使能Reset输入清零（复位）Sampled输出本次采样结束Equal-clk输出输出采样时钟表5-3触发模块管脚功能表端口方向功能clk输入时钟源（100M）Triggered输出触发信号en输入模块使能Sign输入信号输入Reset输入清零（复位）Sampled输入使能触发1.1.1控制模块控制模块主要完成的是对使能信号的控制。该模块里的定时部分控制时间来产生使能信号，以此来驱动其它模块。图5-7控制模块53 控制模块的管脚功能见表5-4。表5-4控制模块管脚功能表端口方向功能Clk输入时钟输入reset输入复位finished输入等效采样完成En输出使能输出1.1单片机软件设计单片机主要完成的是控制部分。通过一块周立功7289芯片来连接按键，读取键值。同过判断键值来实现复位、实时采样以及等效采样等功能。图5-8单片机算法流程图1.2本章小结53 本章节主要介绍了系统的软件设计。文中主要对FPGA软件设计进行了详尽地介绍。因为等效采样的具体实现主要是靠FPGA来控制实现的，所以文中具体介绍了A/D驱动模块、采样时序模块和控制模块三个重要模块。最后通过单片机软件编程来完成整个系统的控制操作。1系统调试与参数测量在完成等效采样数字示波器样机的硬件和软件设计制作以后，最关键的一步是系统的组装和调试。然后就是相关性能系数指标测量的记录与结果分析。这些测量结果得出的结论直接表明了本次所设计的简易等效采样数字示波器的性能、完整性和实用性。1.1外围电路调试由于以前的设计实践中没有涉及过数字示波器，加之起初对等效采样的原理及实现方法没有比较深入的认识，在示波器的实物制作中采用边制作边验证的方法，用了模块化的方式，把整个系统按功能分成若干个部分，每个部分分别制作电路板，验证可用之后将各个部分连接在一起组成一个完整的系统。这样做可以对某部分关键电路进行单独测试，避免了由于该电路设计错误而重新对整个电路进行制作的麻烦，较为灵活、快捷。但这种方式会导致电路有较多的连接线，影响了系统的可靠性和美观。1.1.1调理及触发电路的调试调理电路是本示波器制作中的一大难点。由于采集的信号达兆级，并且电路的放大倍数最高达500倍，这样高带宽、高增益的电路除了选用高性能的元件之外还需要在制作过程中解决很多去耦、去干扰、防自激振荡的问题。在刚开始制作时由于考虑不周，制作了好几版电路都存在严重的自激振荡。最终在老师的指导下将改进了放大电路的结构，在PCB布线上采取了很多的抗干扰措施，增加了不少退耦电容，调理电路的性能有所改善。触发电路结构相对简单，并且与调理电路共用一片THS4052，故将其与调理电路制成一块电路板。经测试，其性能基本符合要求。1.1.2采样保持电路的调试在起初的设计中采样保持电路是由一个模拟开关MAX9107，电路制作后测试发现此电路虽然能进行采样保持操作但保持住的电压下降速度很快，满足不了A/D采样所需的1us的要求。我请教了有经验的同学并翻阅了相关资料，在模拟开关加上一级电压跟随电路，添加了保持电容，并将原先的单电源改为±53 9V的双电源。采样保持电路的性能得到了很大提高，性能符合系统的需要。1.1FPGA电路调试FPGA的调试是在前面两部分电路制作完成之后开始的，主要是制作FPGA目标板和FPGA程序的编写。目标板的制作相对简单，FPGA程序的编写却费了不少的时间。起初是对QuartusII软件环境的不熟悉，在渡过适应期之后花了大量时间把程序完成了。我以为这部分就这样完成了，但没想到当时我采用的等效采样方案在原理上存在致命的错误，程序白写了。几天后，我重新确定了方案，好在新的方案在硬件电路上只有一点点的改动，而FPGA程序却得重新再来。又费了不少心思编写FPGA程序，终于在SignalTap中观察到了梦寐以求的波形，我在功能上实现了等效采样。在之后的调试中，我发现有的波形采样的数据存在较大偏差，存如图6-1所示，波形存在向下凹陷的锯齿。经过仔细分析，我发现这是因采样的时序不对造成的。由于程序的不完善，在进行一次A/D操作之后，某些情况下系统没有等到下一次触发信号的到来就启动了触发，导致A/D采样的计时点不准，采集的数据不对。为此，我对程序进行了修改，一次A/D操作之后，查询到下一次触发信号的到来并且在A/D空闲才启动计时。图6-2就是程序修正后采集到的正弦波。图6-1凹陷的锯齿波形图6-2修正后波形在此基础上FPGA程序不断完善，能进行较好地时序控制，完成其相应功能。1.2系统性能参数测量所制作的数字示波器已能正常工作，下一步是测取示波器的各项指标。以下是具体指标测量方法和测量结果，以及对测量结果的分析。1.2.1测量仪器INSTEKGOS-620型双轨迹模拟示波器F10A型数字合成函数信号发生器/计数器53 MOTECHLPS-305数控式线性直流稳压电源INSTEKGOS-2064数字示波器1.1.1测量参数记录与数据分析1.系统带宽的测量测量方法：用信号发生器产生特定频率的正弦信号输入到被测示波器中，用另外的双踪示波器分别对被测示波器输入端与输出端的波形进行测量，重点读取其输入电压峰峰值V和输出电压峰峰值V。系统的性质是低通电路，根据定义放大倍数A=V/V，当输入信号的频率上升时，A逐渐减小，当A降为为原来的0.707倍时就达了系统的上限截止频率，也就是本系统的带宽。测量数据见表6-1表6-1测量数据垂直档位输入电压输出电压放大倍数/系数频率10.626V3.60V0.600.968100.0kHz0.626V3.63V0.610.976200.0kHz0.626V3.57V0.600.960500.0kHz0.626V3.48V0.580.9351.02MHz0.626V3.47V0.580.9331.51MHz0.626V3.18V0.530.8552.02MHz0.626V2.65V0.440.7122.32MHz0.626V2.52V0.420.6772.41MHz26.25800mV5.00V6.251.000100.1kHz6.25800mV5.00V6.251.000200.6kHz6.25800mV4.60V5.750.920500.9kHz6.25800mV4.50V5.630.900648.8kHz6.25800mV4.25V5.310.8501.03MHz6.25800mV3.52V4.400.7041.60MHz320630mV6.00V200.000.971100.4kHz20630mV5.40V180.000.874501.9kHz20630mV4.60V153.330.744992.9kHz20630mV4.40V146.670.7121.27MHz20630mV4.20V140.000.6801.34MHz20630mV3.70V123.330.5991.76MHz注：垂直档位通过调理电路所设计的拨码开关选择，A0为输入信号为10KHz时测得的放大倍数。53 总结：通过上表可以看出，选择不同的垂直分辨率档位系统的带宽是不同的。其中垂直分辨率为1V/div时带宽约为2.3MHz、垂直分辨率为0.1V/div时带宽约为1.6MHz，垂直分辨率为2mV/div时带宽约为1.3MHz。系统具备测量10Hz～1MHz波形的能力。1.垂直灵敏度的测量测量方法：向被测示波器输入一个正弦信号，从被测示波器读取该正弦信号峰峰值，同时用模拟示波器测取该值作为标准电压。通过比较两个数值得到测量误差。测量数据见表6-2表6-2垂直灵敏度测量数据垂直分辨率标准电压测得的电压相对误差(%)1V/div7.90V7.90V0.001V/div5.00V4.90V2.001V/div3.50V3.40V2.860.1V/div80.0mV77.2mV3.750.1V/div60.0mV61.2mV1.670.1V/div50.0mV51.8mV3.620.1V/div12.0mV12.7mV5.832mV/div10.0mV11.6mV*16.00*2mV/div11.0mV8.9mV*48.33**所示数据因信号较为微弱，波形虚化，数据读取上存在较大偏差。小结：通过表6-2可以看出，1V/div档和0.1V/div档的相对误差均小于5%，0.1V/div档时，相对误差较大。2.扫描速度的测量本示波器设计的不同扫描速度如表7-3所示。在被测信号为500Hz，5kHz，50kHz和500kHz时波形刚好为各档位的一个水平扫描周期，周期测量误差可以用标准信号进行调整，完全满足波形周期测量误差≤5%的要求。53 表6-3扫描速度测量数据水平扫描档位采样速率采样周期每屏点数扫描周期1100KSPS10μs2002ms21MSPS1μs200200μs310MSPS100ns20020μs4100MSPS10ns2002μs1.其它功能验证(1)系统采用模拟示波器显示屏作为显示方案，显示屏刻度为8div×10div。从表中7-3得知每屏数据为200点，水平显示分辨率≥20点/div。(2)示波器内部具有触发电路如图5-5所示，通过调节比较器比较电平进行触发电平的调节，编写的FPGA程序具有上升沿判断功能，能实现上升沿触发功能。(3)用不同的模式对信号进行测量，被测信号的显示波形如图：图6-3实时采样方波图6-4实时采样正弦波图6-5实时采样三角波图6-6等效采样方波53 图6-7等效采样正弦波图6-8等效采样三角波比较各个波形，被测信号的显示波形无明显失真，但等效采样的波形没有实时采样的效果好。1.1本章小结通过对系统的综合测试，所制作的数字示波器的性能指标基本上符合了课题的设计要求。实现了实时采样和等效采样，等效率可达100MSa/s。系统具有波形存储、回放显示和频率测量功能，显示波型无明显失真。2总结本次设计成功的完成了一款简易等效采样数字示波器的制作。设计通过对采样原理的对比分析，采用了实时采样和顺序等效采样作为数字示波器的采样技术。最终成功制作了一个等效采样率达100MSa/s的数字示波器。该示波器含有四个扫描时基档，三个垂直灵敏度档，具有校准信号和波形存储、回放显示和频率测量等功能。示波器由嵌入式系统构成，有输入调理、跟踪触发、信号采集、数据处理等功能模块。同时示波器兼有实时采样方式，对于频率较低的信号采用实时采样方式，最高采样速率为1MSa/s，具有较高的实用价值。53 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