數字存儲示波器的設計

一、實驗目的?????????????????????????????????????????????????????????????????????????

1．掌握數字示波測量的基本原理。
2．熟悉數字存儲示波器的硬件結構。
3．掌握虛擬數字存儲示波器的CVI軟件設計。

? 設計虛擬數字存儲示波器
? （1）設計一個包含耦合方式選擇、伏/格調整、觸發源選擇、時基選擇等基本功能的虛擬數字存儲示波器界面，要求顯示屏水平刻度為10div，垂直刻度為10div。
? （2）在完成內容（1）的基礎上實現幅值、時基可調的虛擬雙蹤數字存儲示波器。
?? 要求：①垂直靈敏度至少包含50mV/div、0.1V/div、0.5V/div、1V/div四檔；②掃描速度至少包含0.1u/div、1u/div、10u/div、100u/div、500u/div、1m/div、10m/div、0.1s/div八檔；③增加雙蹤示波功能，能同時顯示兩路被測信號波形。
? （3）數據處理設計
?? 要求：①顯示被測信號幅值包括：有效值、峰峰值、平均值；②顯示被測信號的頻率值。
? （4）在電子測量實驗箱中示波器硬件提供32K存儲深度的基礎上設計波形存儲、回放功能。

三、實驗器材

1．SJ-8002B電子測量實驗箱 ?????????? ???????????? 1臺
2．計算機? ?????????????????????????????????????? 1臺
3．信號源（也可以使用平臺的DDS信號源） ?????????? 2臺
4．Q9線?????????????????????????????????????????? 1 條
5．示波器 ??????????????????????????????????????? 1臺

? 4．1 數字示波器原理

? 數字存儲示波器是用 A/D 變換器把模擬信號轉換成數字信號，然后把數據存儲在半導體存儲器 RAM 中。當有需要時，將 RAM 中存儲的內容調出，通過 LCD 用點陣或連線的方式再現波形，其原理框圖可以參考圖1。在這種示波器中信號處理和信號顯示功能是分開的，它的性能主要取決于進行信號處理的AD、RAM 和微處理器的性能。由于采用 RAM 存儲器，可以快寫數慢讀數，使得即使在觀察緩慢信號時也不會有閃爍現象。

? 4．2 虛擬數字存儲示波器組成

????????????????????????????? 圖1??? 虛擬數字存儲示波器

??? 虛擬示波器將計算機和測量系統融合于一體，用計算機軟件代替傳統儀器的某些硬件的功能，用計算機的顯示器代替傳統儀器物理面板。通過相關的軟件可以設計出的操作方便、形象逼真的儀器面板，不僅可以實現傳統示波器的功能，而且具有存儲、再現、分析、處理波形等特點，還可以進行各種信號的處理、加工和分析，完成各種規模的測量任務。而且儀器的體積小、耗電少，方便攜帶，可以在不同的計算機上使用。
?? 因此，在SJ-8002B中，也引用了虛擬數字存儲示波器的原理來實現數據的采集。其中的信號調理、AD轉換、存儲數據的SRAM以及控制邏輯都在是實驗平臺中，計算機主要起到了數據的處理和顯示的作用。

?? 4．3 SJ-8002B電子測量實驗箱示波器硬件結構

?? 4.3.1測試范圍及采集參數調整范圍
?? 測試電壓幅度范圍：－20V～＋20V（峰峰值）
?? 測量頻率范圍：1Hz～1MHz
?? 采樣時鐘：

?? 可程控增益：

?? 數據緩存深度：64KB
?? 對采集的數據進行分析，顯示波形的峰值、平均值、有效值和頻率、周期等參數。

?? 4.3.2 硬件原理圖

?????????????????????????????????? 圖2? SJ8002B示波器硬件原理圖

?? 圖2為示波器模塊的原理框圖。由圖可見，高速采集的雙通道是完全獨立的，因此可以完成多種不同的測試任務，實現虛擬雙蹤數字存儲示波器的各種功能。

?? 4.3.3 控制邏輯
?? 示波器的硬件控制主要分為數據寫入（采集）和數據讀出（顯示）兩個部分。其中控制邏輯全部都在存儲在CPLD內部，如圖3所示：

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???????????????????????????? ??? 圖3? 示波器的硬件控制邏輯

??? Ain1和Ain2通道接入同樣的采樣時鐘，同時進行轉換。轉換后的數據經過緩沖器，送至SRAM鎖存。當一次采集完成后，由主機讀回數據，進行進一步的處理，如濾波、顯示等。
?? 數據寫入：AD9288在采樣時鐘CLK的控制下，將兩路輸入模擬信號數字離散為8bit數字信號經過數據緩沖器送至SRAM。地址由同一個地址計數器提供，該地址計數器為加/減計數器（采集數據時遞增，讀取時遞減）。這樣，每次采集所得數據都會順利的存入SRAM中。

??? 4.3.4采集部分
?? 采集部分的關鍵器件是ADI公司的AD9288，它是8bit雙通道含有采樣保持電路的單片集成的模/數轉換器，具有低功耗、體積小、動態特性好、易于實用的特點。雙8bits、40MSPS，低功耗（每個通道90mw），SNR=47DB（在41MHz時），每個通道的模擬輸入范圍1.024Vp-p，中心電平Vin0=1/3 Vdd，3.0V模擬供電（2.7V-3.6V），兩種數據輸出模式（補碼或原碼），電平兼容TTL/CMOS。

??? 4.3.5 調理電路
??? 由于AD9288采用了差分輸入，所以需要將實驗板的模擬輸入的直流耦合單邊信號，無失真的轉化為差分信號，并將信號的幅度進行平移，以滿足AD9288 0.5～1.5V的輸入要求。采用了如下的通道電路實現信號的轉換。

????? ?????????????????????? 圖4 差分信號轉化電路

?? 電路中，U1是一個跟隨器，作用是阻抗匹配；差分信號的產生采用了2個運算放大器，其中U2是作為輸入的同相放大器，U3是作為輸入補給的反相放大器。兩個二極管和U4組成了信號平移部分。

?? 4.3.6 衰減和增益控制電路
??? 由于示波器的測試范圍（-20V~+20V）比AD9288的測試范圍（0.5V~1.5V）寬，因此，在采集電路的前端加入信號衰減和信號增益兩級幅度調整電路，保證測量的正確性以及提高測量的精確度。

??? ???????????????????????????????? 圖5? 衰減電路

?? 輸入通道的第一級是髙阻衰減電路如圖5所示，這樣可以保證數字示波器有較高的輸入阻抗，同時把較大的輸入信號經過衰減，以滿足后續電路。這里通過繼電器來實現電路的切換。通過設置衰減器的通斷設置初級放大系數A1=0.5、1.25、2.5、5;幅度的粗調和直流偏移部分是由12位DAC7512來控制。通過電子開關改變運放的增益，從而實現幅度的調節。次級放大系數為A2=×5，所以通道總增益A=K1*A1*K2*A2

?? 4.3.7 數據處理
?? 計算出被測信號的有效值、均值、峰值、頻率。
?? 離散信號的電壓平均值及峰值的數學表達式如下所示：
?? 電壓有效值： 　　
?? 電壓平均值：　 　　
?? 電壓峰－峰值： ????
?? 信號頻率計算：根據頻率的定義，每秒變化的次數。
?? 被測信號的上述參數可調用實驗平臺軟件提供的函數processing_data（）獲取，該函數的詳細說明見5.2節中實驗平臺提供的函數列表。

?? 5.1 虛擬數字存儲示波器界面設計
?? 設計一個包含耦合方式選擇、伏/格調整、觸發源選擇、時基選擇等基本功能的虛擬數字存儲示波器界面，要求顯示屏水平刻度為10div，垂直刻度為10div，如圖6所示。

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??????????????????????????????? 圖6?? 虛擬數字存儲示波器面板

??? 其中用到的控件有列表控件(Ring)、命令按鈕（Command）、圖形控件(Picture)、文本控件(Text)、數值控件(Numeric)。

??? 5．2 在完成界面設計的基礎上實現幅值、時基可調的虛擬雙蹤數字存儲示波器
??? 要求：①設置垂直靈敏度至少有50mV/div、0.1V/div、0.5V/div、1V/div四檔；②設置掃描速度至少有0.1u/div、1u/div、10u/div、100u/div、500u/div、1m/div、10m/div、0.1s/div八檔；③增加雙蹤示波功能，能同時顯示兩路被測信號波形；④數據處理設計：顯示被測信號幅值包括：有效值、峰峰值、平均值；顯示被測信號的頻率值。
??? 在設計時，可以參考的程序流程和函數調用如圖7所示，首先進行EPP接口的初始化以及取回用戶界面設置的采集參數，如耦合方式、觸發方式、垂直靈敏度、時基等，然后啟動采集；當預設的采集點數采集完以后計算機把數據讀回；最后對讀回的數據進行處理，例如計算幅度、頻率，進行濾波并且顯示波形等操作。
設計前，請完成各檔位對應的增益和時基的計算選擇并把結果填入下面的表1和表2中。計算方法舉例：
?? ⑴ 給定垂直靈敏度20mv/div ,則量程 = 20mV × 10 = 200mV = 0.2V ; 由于AD9288的輸入范圍是 0.5V----1.5V,為提高分辨率，可采用5倍的通道總增益，即0.2V×5=1 V，對應于4.3.1節的SJ8002B電子測量實驗箱測試范圍及采集參數調整范圍即可得到Div序號為2。

?????????????????????????????????????????????? ?? 表1

?? ⑵ 給定掃描速度為200u/div,則采樣時間TS =200u×10 =2000u=2ms,由于滿屏采樣點數固定為25000點，所以由FS×TS <25000，可得到FS < 12.5M 。由于提供的時鐘沒有12.5M，因此可選擇最接近的10MHZ作為采樣時鐘。

????????????????? ??????????? ???????????? ?????????????? 表2

???????????????????????????????? 圖7 示波器軟件流程圖

設計中可參考的CVI軟件和實驗軟件平臺提供的主要函數如下表所示：

?? 5．3 在電子測量實驗箱中示波器硬件提供32K存儲深度的基礎上設計波形存儲、回放功能
?? 在5.2節設計的虛擬存儲示波器面板上有兩個命令按鈕（Command）控件，如圖6所示，保存波形（保存按鈕）調用ArrayToFile（）函數，打開波形文件（打開按鈕）調用FileToArray（）函數，波形的顯示調用PlotWaveform（）函數，以上函數均由CVI軟件提供，可直接使用。

?? 6．1 雙蹤顯示波形的觀測
?? 由兩臺函數信號源分別產生兩路電壓信號，一個產生幅度為5V，頻率為5KHz的正弦波，另一個產生幅度為3V，頻率為5KHz的三角波，從設計的虛擬數字存儲示波器進行雙蹤顯示，并畫出波形。
?? 畫信號一波形：畫信號二波形：

?

?? 6．2由函數信號源產生一個頻率為5KHz，幅度變化（有效值）如下表的正弦波，利用設計的虛擬數字示波器進行有效值測量。

??? 6．3由函數信號源產生一個幅度為5V，頻率變化如下表的正弦波，利用設計的虛擬數字示波器進行頻率測量。

七、思考和練習題

1．能否用一個帶寬為20MHz的示波器觀測重復頻率為15MHz的正弦波和方波？為什么？
2．利用示波器測量各種波形參數時，你如何減小其測量誤差？
3．測量方波的上升和下降時間可以有哪些方法？