簡(jiǎn)易數(shù)字示波器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、簡(jiǎn)易數(shù)字示波器 設(shè)計(jì)報(bào)告 學(xué)校： 蘇州大學(xué) 學(xué)院： 電子信息學(xué)院 班級(jí)： 電子與通信工程 組員： 王婷 楊靜芝 范靜 12第一章 設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求1. 1 設(shè)計(jì)內(nèi)容：設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)具有實(shí)時(shí)采樣方式和等效采樣方式的數(shù)字示波器，示意圖如圖1所示。圖1 數(shù)字示波器示意圖1. 2 基本設(shè)計(jì)要求：（1）被測(cè)周期信號(hào)的頻率范圍為10Hz10MHz，儀器輸入阻抗為1MW，顯示屏的刻度為8 div×10div，垂直分辨率為8bits，水平顯示分辨率20點(diǎn)/ div。（2）垂直靈敏度要求含1V/div、0.1V/div兩檔。電壓測(cè)量誤差5%。（3）實(shí)時(shí)采樣速率1MSa/s，等效采樣速率200MSa/s；

2、掃描速度要求含20ms/div、2s /div、100 ns/div三檔，波形周期測(cè)量誤差5%。（4）儀器的觸發(fā)電路采用內(nèi)觸發(fā)方式，要求上升沿觸發(fā)，觸發(fā)電平可調(diào)。（5）被測(cè)信號(hào)的顯示波形應(yīng)無明顯失真。1. 3 擴(kuò)展要求：（1）提高儀器垂直靈敏度，要求增加2mV/div檔，其電壓測(cè)量誤差5%，輸入短路時(shí)的輸出噪聲峰-峰值小于2mV。（2）增加單次觸發(fā)功能，即按動(dòng)一次“單次觸發(fā)”鍵，儀器能對(duì)滿足觸發(fā)條件的信號(hào)進(jìn)行一次采集與存儲(chǔ)（被測(cè)信號(hào)的頻率范圍限定為10Hz50kHz）。第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2. 1 總體框圖：2. 2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)：2.2.1輸入信號(hào)調(diào)理電路：圖2輸入信號(hào)調(diào)理電路該電路中涉及

3、到的芯片有：（1）AD603：在很多信號(hào)采集系統(tǒng)中，信號(hào)變化的幅度都比較大，那么放大以后的信號(hào)幅值有可能超過 A/D 轉(zhuǎn)換的量程，所以必須根據(jù)信號(hào)的變化相應(yīng)調(diào)整放大器的增益。在自動(dòng)化程度要求較高的系統(tǒng)中，希望能夠在程序中用軟件控制放大器的增益 ，或者放大器本身能自動(dòng)將增益調(diào)整到適當(dāng)?shù)姆秶?。AD603 正是這樣一種具有程控增益調(diào)整功能的芯片。它是美國(guó)ADI公司的專利產(chǎn)品，是一個(gè)低噪、90MHz 帶寬增益可調(diào)的集成運(yùn)放，如增益用分貝表示，則 增益與控制電壓成線性關(guān)系，壓擺率為 275V/s 。管腳間的連接方式?jīng)Q定了可編程的增益范圍，增益在-11+30dB 時(shí)的帶寬為90Mhz，增益在+9+41dB

4、 時(shí)具有 9MHz 帶寬，改變管腳間的連接電阻，可使增益處在上述范圍內(nèi)。該集成電路可應(yīng)用于射頻自動(dòng)增益放大器 、 視頻增益控制、A/D 轉(zhuǎn)換量程擴(kuò)展和信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)。（2）TL431：德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的TL431是一是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。TL431是一種并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路。因其性能好、價(jià)格低，因此廣泛應(yīng)用在各種電源電路中，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，

5、數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。2.2.2 AD采樣電路：圖3 AD采樣電路該電路中涉及到的芯片有：（1）AD9280：AT9280是單芯片、單電源、8bit、32MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器；內(nèi)部集成了采樣保持放大器和電源基準(zhǔn)源。AT9280使用多級(jí)差分流水線架構(gòu)保證了32MSPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)率下全溫度范圍內(nèi)無失碼。2.2.3時(shí)鐘與高速存儲(chǔ)電路圖4 AD采樣電路該電路中涉及到的芯片有：（1）DS1085: DS1085是雙輸出頻率合成器，無需外部定時(shí)元件。它可以作為獨(dú)立振蕩器，或作為一個(gè)由處理器控制的、可動(dòng)態(tài)編程的外設(shè)部件來使用。內(nèi)部主振蕩器可以在66MHz至133MHz的范圍內(nèi)進(jìn)行編程

6、，有三個(gè)分辨率選擇，分別為10kHz、25kHz與50kHz。一個(gè)可編程的3位預(yù)定標(biāo)器(1、2、4或8分頻)從主振蕩器生成一個(gè)基準(zhǔn)振蕩器輸出(OUT0)，范圍是8.2MHz至133MHz。另一個(gè)獨(dú)立的預(yù)定標(biāo)器和一個(gè)1至1025分頻器產(chǎn)生主輸出(OUT1)，范圍是8.1kHz至133MHz。兩路輸出盡管都與主振蕩器同步，但可獨(dú)立編程。可編程主振蕩器、預(yù)標(biāo)定器以及分頻器組合起來可以生成數(shù)千個(gè)用戶規(guī)定的頻率。主振蕩器、預(yù)標(biāo)定器以及分頻器的設(shè)置都保存在NV (EEPROM)存儲(chǔ)器中，在上電時(shí)提供默認(rèn)值，因此可以將其作為獨(dú)立振蕩器使用。通過2線串行接口可以對(duì)主振蕩器、預(yù)標(biāo)定器(P0與P1)、分頻器(N)

7、進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)編程。如果需要，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻率調(diào)節(jié)，或者，對(duì)于固定頻率應(yīng)用，DS1085可以采用工廠或用戶編程的固定數(shù)值。（2）SN74F574DW: 這8位觸發(fā)器功能3態(tài)輸出專為驅(qū)動(dòng)高容性或相對(duì)低阻抗負(fù)載。它特別適合于實(shí)施緩沖寄存器，I / O端口，雙向總線驅(qū)動(dòng)程序和工作寄存器。八觸發(fā)器的SN74F574的是邊沿觸發(fā)的D型觸發(fā)器。在時(shí)鐘（CLK）輸入的正跳變時(shí)，Q輸出將被設(shè)置為分別設(shè)置在數(shù)據(jù)（D）輸入的邏輯電平。一個(gè)緩沖輸出使能（OE）輸入可用于放置八個(gè)輸出在任何一個(gè)正常的邏輯狀態(tài)（高或低邏輯電平）或高阻抗?fàn)顟B(tài)。在高阻抗?fàn)顟B(tài)，輸出負(fù)載也沒有顯著驅(qū)動(dòng)總線線。高阻抗?fàn)顟B(tài)，增加驅(qū)動(dòng)器提供驅(qū)動(dòng)總線線無

8、接口或拉組件的能力。輸出使能（OE）不影響觸發(fā)器的內(nèi)部操作。舊數(shù)據(jù)可以保留或新的數(shù)據(jù)可以輸入而輸出是在高阻抗?fàn)顟B(tài)。（3）IDT7204:能夠?qū)崿F(xiàn)高速存儲(chǔ)功能2.2.4 DA電路圖5 DA電路該電路中涉及到的芯片有：（1）AD5320：（2）MC74VHC4051D2.2.4 電源電路圖6 電源電路該電路中涉及到的芯片有：（1）A0512S：輸入5V雙輸出±12V模塊（2）7805：7805三端穩(wěn)壓集成電路，電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78 ×× 系列和負(fù)電壓輸出的79××系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有

9、三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，TO- 220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。因?yàn)槿斯潭煞€(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。2. 3數(shù)字示波器的性能參數(shù)設(shè)計(jì)：數(shù)字存儲(chǔ)示波器的指標(biāo)很多，包括采樣率、帶寬、靈敏度、通道數(shù)、存儲(chǔ)容量、掃描時(shí)間和最大輸入電壓等。其

10、中關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)主要有采樣率、垂直靈敏度(分辨率)、水平掃描速度(分辨率)。這幾項(xiàng)指標(biāo)直接與所選AD、FIFO和高速運(yùn)放器件的性能，以及電路設(shè)計(jì)有關(guān)。下面根據(jù)所選器件的性能參數(shù)，合理地分析和確定示波器的采樣率和分辨率。2.3.1.y通道參數(shù)計(jì)算(1)輸入阻抗對(duì)于低速數(shù)據(jù)采集，由于信號(hào)反射對(duì)信號(hào)的傳輸過程影響微乎其微，所以低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)良好的高阻抗性能，對(duì)提高系統(tǒng)的測(cè)量精確度有很大的意義。本設(shè)計(jì)中采用電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)阻抗變換，數(shù)據(jù)采集阻抗變換電路的設(shè)計(jì)方案如圖4所示，其輸入阻抗為1M。圖4 輸入阻抗電路圖(2) 靈敏度垂直靈敏度有兩檔指標(biāo)要求：1V/div、0.1V/div，為此，我們必須在前端

11、設(shè)計(jì)一個(gè)有兩種增益的放大電路。A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓為2V，D/A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓為2.5V，此外，該DAC的輸出還具有兩倍的增益，因此，其滿幅輸出為5V。示波器顯示屏垂直方向有8格，對(duì)應(yīng)為5V，即0.625/div，而信號(hào)經(jīng)過D/A和A/D后又被放大了2.5倍，由此計(jì)算三檔垂直靈敏度對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)如表2.1所示。表1 垂直靈敏度與放大倍數(shù)的關(guān)系垂直靈敏度1V/div0.1V/div放大倍數(shù)0.252.52.3.2掃描速度本系統(tǒng)顯示屏的水平刻度為10格，水平顯示分辨率n為20點(diǎn)/div，則水平共顯示20點(diǎn)/div×10div = 200個(gè)點(diǎn)。假設(shè)掃描速度為s，采樣頻率為fs，則fs

12、= n/s，由此得到設(shè)計(jì)要求的兩檔掃描速度所對(duì)應(yīng)的采樣頻率如表2.2所示。表2 掃描速度與采樣頻率的關(guān)系掃描速度s20ms/div2s/div采樣頻率1Khz10Mhz 當(dāng)掃描速度在20ms/div和2s/div檔時(shí)采用實(shí)時(shí)采樣方式進(jìn)行采樣。由表2可見，當(dāng)掃描速度為2s/div時(shí)，采樣頻率fs超過了題目規(guī)定的最高實(shí)時(shí)采樣速率1MSa/s的要求。為解決這個(gè)問題，我們?nèi)圆捎?MHz的采樣頻率，而在最后顯示被測(cè)波形時(shí)將讀RAM的速率變?yōu)殇忼X波掃描速率的10倍，這就相當(dāng)于將采樣頻率擴(kuò)大了10倍，而實(shí)際的采樣速率并沒有超過題目的規(guī)定。這樣便滿足了實(shí)時(shí)采樣速率1MSa/s和等效采樣速率200MSa/s的要

13、求。2.4 STM32簡(jiǎn)介：(1) STM32F10: STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。按性能分成兩個(gè)不同的系列：STM32F103“增強(qiáng)型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時(shí)鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價(jià)格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個(gè)系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時(shí)鐘頻率72MHz時(shí)，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于

14、0.5mA/MHz。STM32型號(hào)的說明：以STM32F103RBT6這個(gè)型號(hào)的芯片為例，該型號(hào)的組成為7個(gè)部分，其命名規(guī)則如下：（1）STM32：STM32代表ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器。（2）F：F代表芯片子系列。（3）103：103代表增強(qiáng)型系列。（4）R：R這一項(xiàng)代表引腳數(shù)，其中T代表36腳，C代表48腳，R代表64腳，V代表100腳，Z代表144腳。（5）B：B這一項(xiàng)代表內(nèi)嵌Flash容量，其中6代表32K字節(jié)Flash，8代表64K字節(jié)Flash，B代表128K字節(jié)Flash，C代表256K字節(jié)Flash，D代表384K字節(jié)Flash，E代表512K字節(jié)Flas

15、h。（6）T：T這一項(xiàng)代表封裝，其中H代表BGA封裝，T代表LQFP封裝，U代表VFQFPN封裝。（7）6：6這一項(xiàng)代表工作溫度范圍，其中6代表-4085，7代表-40105。103性能（1）特點(diǎn)內(nèi)核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz。單周期乘法和硬件除法。存儲(chǔ)器：片上集成32-512KB的Flash存儲(chǔ)器。6-64KB的SRAM存儲(chǔ)器。時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理：2.0-3.6V的電源供電和I/O接口的驅(qū)動(dòng)電壓。POR、PDR和可編程的電壓探測(cè)器（PVD）。4-16MHz的晶振。內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8MHz RC振蕩電路。內(nèi)部40 kHz的RC

16、振蕩電路。用于CPU時(shí)鐘的PLL。帶校準(zhǔn)用于RTC的32kHz的晶振。低功耗：3種低功耗模式：休眠，停止，待機(jī)模式。為RTC和備份寄存器供電的VBAT。調(diào)試模式：串行調(diào)試（SWD）和JTAG接口。DMA：12通道DMA控制器。支持的外設(shè)：定時(shí)器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。2個(gè)12位的us級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換器（16通道）：A/D測(cè)量范圍：0-3.6 V。雙采樣和保持能力。片上集成一個(gè)溫度傳感器。2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器：STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE獨(dú)有。最多高達(dá)112個(gè)的快速I/O端口：根據(jù)型號(hào)的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16個(gè)外部中斷向量。除了模擬輸入，所有的都可以接受5V以內(nèi)的輸入。最多多達(dá)11個(gè)定時(shí)器：4個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有4個(gè)IC/OC/PWM或者脈沖計(jì)數(shù)器。2個(gè)16位的6通道高級(jí)控制定時(shí)器：最多6個(gè)通道可用于PWM輸出。2個(gè)看門狗定時(shí)器（獨(dú)立看門狗和窗口看門狗）。Systick定時(shí)器：2