基于等效實(shí)時(shí)采樣的數(shù)字示波器設(shè)計(jì)

1、第17卷第6期2009年6月Jun.2009電子設(shè)計(jì)工程Electronic Design Engineering 收稿日期:2009-02-24稿件編號(hào):200902020作者簡(jiǎn)介:劉憲力(1986-,男,河南鄭州人。研究方向:電路集成與設(shè)計(jì)。1引言數(shù)字示波器自上個(gè)世紀(jì)七十年代誕生以來(lái),它已成為測(cè)試工程師必備的工具之一。隨著近年來(lái)電子技術(shù)取得突破性的進(jìn)展,催生了更龐大的數(shù)字示波器市場(chǎng)需求。此外,信號(hào)傳輸在現(xiàn)代工程中是很重要的一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié),但在信號(hào)傳輸中,數(shù)字信號(hào)將對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生干擾,目前采用的解決方法是利用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)在單線中的混合傳輸,而這其中的測(cè)試和調(diào)試就要求示波器必須

2、能夠?qū)?shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)同時(shí)進(jìn)行分析和顯示。因此,這里介紹一種基于等效和實(shí)時(shí)采樣數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)。2設(shè)計(jì)方案2.1采樣方案選擇實(shí)時(shí)采樣和等效采樣相結(jié)合的方式,實(shí)時(shí)采樣速率小于1MS/s ,水平分辨率至少為20點(diǎn)/div,故系統(tǒng)50kHz 以下采用實(shí)時(shí)采樣方式,而50kHz 10MHz 采用等效時(shí)間采樣方式,最高等效采樣速率可達(dá)到200MS/s 。2.2頻率測(cè)量方案由于該系統(tǒng)測(cè)試頻率上限為10MHz 。根據(jù)等精度測(cè)量和測(cè)周法原理,將此頻率分為兩段。因此,10kHz 以下頻率段,采用測(cè)周法;10kHz 以上的頻率段,采用等精度測(cè)量法,從而縮短測(cè)量時(shí)間。2.3觸發(fā)方案采用內(nèi)部軟件觸發(fā),通過(guò)軟件設(shè)置觸

3、發(fā)電平,軟件設(shè)置的施密特觸發(fā)器參數(shù)容易修改,可以很好抑制比較器產(chǎn)生的毛刺。當(dāng)所采樣值大于該觸發(fā)電平時(shí),產(chǎn)生一次觸發(fā)。該方案可排除硬件產(chǎn)生的毛刺干擾,觸發(fā)和波形較穩(wěn)定,且易實(shí)現(xiàn)觸發(fā)電壓的調(diào)整2。2.4采樣與保持電路方案采用射極跟隨器、模擬開關(guān)和電容搭建采樣與保持電路。射極跟隨器可選用帶寬穩(wěn)定且?guī)?dòng)容性負(fù)載強(qiáng)的運(yùn)放,有較多的TI 模擬開關(guān),使其速度很容易滿足要求,再選用合適的漏電小的聚苯電容即可實(shí)現(xiàn)采樣與保持電路3。3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)制定出系統(tǒng)總體方案:輸入信號(hào)經(jīng)阻抗變換電路后進(jìn)行程控放大,再經(jīng)采樣與保持電路后進(jìn)入MAX118進(jìn)行采樣。其中程控放大倍數(shù)和A/D 采樣速率由垂直靈敏度和水平掃描速

4、度確定,采樣時(shí)刻由上升沿觸發(fā)判斷和等效采樣控制單元決定4。采樣數(shù)據(jù)存入雙端口RAM ,顯示控制模塊讀取基于等效和實(shí)時(shí)采樣的數(shù)字示波器設(shè)計(jì)劉憲力,特日格樂(lè),張清(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北武漢430079摘要:基于數(shù)字示波器的基本原理,以單片機(jī)和FPGA 組成的最小系統(tǒng)為控制核心,實(shí)現(xiàn)了普通示波器對(duì)被測(cè)信號(hào)的采樣、存儲(chǔ)與回放,并且增加了等效采樣和采樣保持功能,極大地提高了系統(tǒng)的測(cè)量范圍。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)采樣和等效采樣兩種方式,以不大于1Ms/s 的A/D 轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)200MS/s 的等效采樣率對(duì)輸入1Hz10MHz ,V p-p 為2mV8V 的信號(hào)進(jìn)行采樣處理,并能進(jìn)行單次觸發(fā),自動(dòng)和存儲(chǔ)/輸出波

5、形。關(guān)鍵詞:單片機(jī)(SCM ;FPGA ;數(shù)字示波器;等效采樣;實(shí)時(shí)采樣中圖分類號(hào):TM935.37文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文件編號(hào):1674-6236(200906-0069-03Design of digital oscilloscope based on equivalent sampling and real -time samplingLIU Xian -li ,Terigele ,ZHANG Qing(School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430079,China Abstract :The system,mainly

6、 controlled by the minimum system which consists of the single -chip microcomputer and FPGA,is designed based on the basic principles of digital oscilloscope,which achieves the function of the measured signal s sam -pling,storages and playbacks of the ordinary oscilloscope ,adds the equivalent sampl

7、ing and sample -and -hold function,which greatly improves the measurement range of the system.Via real -time sampling and equivalent sampling,the system realizes the input signal s sampling and processing and achieves the 200MS/s equivalent sampling frequency with no more than 1MS/s ADC.In addition,

8、the system is a single trigger and has the function of AUTO and storing or exporting a waveform.Key words :single chip microprocessor (SCM ;field programmable gate amay (FPGA ;digital oscilloscope;equivalent sampling;real -time sampling-69- 3.4A/D 采樣電路A/D 轉(zhuǎn)換器采樣是信號(hào)處理的重要部分,是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字量化。采用MAX118的流水線工作模

9、式,該模式下MAX118的工作直觀,控制簡(jiǎn)單。圖3為MAX118 的實(shí)現(xiàn)電路。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。系統(tǒng)主體功能采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,通過(guò)按鍵進(jìn)行選擇,且菜單界面良好,具有較強(qiáng)的人機(jī)交互性。為了在示波器上顯示穩(wěn)定的波形,采用內(nèi)觸發(fā)方式進(jìn)行掃描,軟件對(duì)觸發(fā)電平的設(shè)置較好排除硬件毛刺產(chǎn)生的干擾,觸發(fā)和波形較穩(wěn)定,且易實(shí)現(xiàn)觸發(fā)電壓的調(diào)整5。另外雙端口RAM 的使用還使系統(tǒng)具備自動(dòng)調(diào)節(jié)和波形存儲(chǔ)的功能。5測(cè)試結(jié)果5.1使用的儀器及測(cè)試方案PC 機(jī):清華同方P1.7G,512M ;直流穩(wěn)壓電源:圖4軟件流程5Asmuth C,Bloom J.A modular approach

10、to key safeguarding J.IEEE Trans on Information Theory,1983,29(547:208-210.6Feldman P.A practical scheme for non-interactive verifiable secret sharing C.Proceedings of 28th IEEE Symposium on Foundations of Computer Science.1987:472-437.7BenorM,Goldwasser S,Widgerson A.Completeness theorem for non -c

11、ryptographic fault -tolerant distributed computation M.Proceeding of the Twentieth Annual ACM Sysposium onTheory of Computing.Chicago:ACM,1988.8Cramer R,Van Damgaard I,Maurer U.General secure multi -party computation from any linear secret -sharing scheme M.Beligum:CRYPT,2000.9蔣曉寧,葉澄清,潘雪增.基于半可信的離線第三

12、方的公平交易協(xié)議J.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2001,38(4:502-508.10張福泰.可驗(yàn)證秘密分享及其應(yīng)用研究D.西安:西安電子科技大學(xué),2001.SG1733SB ;雙蹤示波器:泰克TDS1002;仿真機(jī):E51/S 偉福;信號(hào)源:Agilent 33120A ;數(shù)字合成高頻信號(hào)發(fā)生器:SP1461。將系統(tǒng)行列掃描輸出端分別與模擬示波器X 軸與Y 軸輸入端相連,進(jìn)行垂直靈敏度和水平掃描速度測(cè)試,信號(hào)幅值和周期測(cè)試。5.2測(cè)試數(shù)據(jù)及分析表1和表2分別給出了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的水平靈敏度和垂直靈敏度測(cè)試數(shù)據(jù)。1V/div0.1V/div2mV/div 檔Fin(V p-p =4V/HzV 實(shí)測(cè)/格數(shù)誤

13、差/%Fin(V p-p =0.4V/HzV 實(shí)測(cè)/格數(shù)誤差/%Fin(V p-p =16mV/HzV 實(shí)測(cè)/格數(shù)誤差/%3.980.510M3.96110M7.851.875表2垂直靈敏度表1水平靈敏度20ms/div 2s /div100ns/div Fin /Hz T 實(shí)測(cè)/Hz Fin200.001200199.9971010.0000系統(tǒng)電壓測(cè)量誤差主要來(lái)源于前級(jí)信號(hào)調(diào)理電路,被測(cè)信號(hào)是寬帶寬,高動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào),因而對(duì)前級(jí)放大器幅頻特性要求很高。系統(tǒng)頻率測(cè)量的誤差來(lái)源于等精度測(cè)頻中對(duì)頻標(biāo)計(jì)數(shù)的±1誤差,以及比較器邊沿抖動(dòng)和工作的不穩(wěn)定性6。系統(tǒng)具有3檔垂直靈敏度,電壓測(cè)量誤

14、差小于2%,7檔水平掃描速率,周期測(cè)量誤差小于0.01%,以及觸發(fā)電平調(diào)節(jié)和存儲(chǔ)波形的功能。6結(jié)束語(yǔ)該數(shù)字示波器增加了垂直靈敏度和水平掃描速度的檔位、AUTOSET 和光標(biāo)顯示以及對(duì)顯示波形處理的功能,顯示波形無(wú)明顯失真,幅度測(cè)量誤差小于2%,頻率測(cè)量精度優(yōu)于0.01%,并能進(jìn)行單次觸發(fā),存儲(chǔ)/調(diào)出波形。系統(tǒng)的顯示輸出采用模擬示波器和128×64點(diǎn)陣液晶相結(jié)合的方式,波形顯示清晰,工作穩(wěn)定,操作簡(jiǎn)單,人機(jī)界面友好。參考文獻(xiàn):1J W Pierre,R F Kubichek.Investigating sampling and quanti -zation using a digital storage oscilloscope M.Department of Electrical Engineering University of Wyoming Laramie,WY 82071,USA,2001.2全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品精選(2003M.北京:北京理工大學(xué)出版社,2005.3李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.4李華.MCS -51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.5謝自美.電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)