2023年數(shù)字示波器電子競賽一等獎作品

數(shù)字示波器作者:黃霖宇、陳鹍、侯碧波一等獎作品來源：摘要

本數(shù)字示波器以單片機和FPＧA為核心,對采樣方式的選擇和等效采樣技術(shù)的實現(xiàn)進行了重點設(shè)計,使作品不僅具有實時采樣方式，并且采用隨機等效采樣技術(shù)實現(xiàn)了運用實時采樣速率為1MHz的ADC進行最大200MHz的等效采樣。同時系統(tǒng)還具有可測2mV小信號、波形存儲回放、測頻、觸發(fā)沿選擇、校準(zhǔn)信號輸出等功能。Abstract

ThisdｉgiｔａlosｃｉlloscopetakeｓaMCＵaｎdFPＧAastｈecoｒe.Ｗｅmaｄeｅmｐｈasesoｎtｈechoｉｃeｏｆｔhesaｍpｌingｍethoｄsandtheimpｌｅmenｔofeｑuivalentsａｍplｉnｇ，aｓarｅｓult,oｕｒｄeｓignｎｏtｏnlyｈasthereaｌ-ｔimesａmplinｇｍodebutalsoｃanreachｔhehｉｇhestequiｖａlentsａmpleraｔｅof200ＭHzusｉｎgｔhereａｌ-ｔimesampｌeｒａt(yī)eof1ＭHｚ,ｂywayｏfrａnｄｏmequivａlentsamｐling．Atthesａmｅtime,ｔhｉssystｅmｈasmanyｏthｅｒfuｎctiｏns,ｓuｃhas2mVｓmaｌl-siｇｎalmeaｓurｉｎg,stｏrageandre-diｓｐlayｏｆwaveform,mｅａsuｒingfrequency，ｓｅleｃｔｉveｔrｉｇgerｅdgｅ,oｕｔpuｔｏfthecorrectｉonsｉgｎalandｓoon.

一、總體方案設(shè)計

１.方案比較與選擇?仔細分析題目規(guī)定，以實時采樣速率為1ＭＨz的ADＣ實現(xiàn)最大200MHｚ的等效采樣,是本題的最大難點,也是設(shè)計的重點之一。此外,較寬的信號帶寬（１0Hz~10MＨｚ)和較大的幅度動態(tài)范圍(1mV~８V）也給前級的信號調(diào)理電路提出了很高的規(guī)定。對此，我們考慮了以下幾種方案:?(1)核心解決器選擇：

方案一：純單片機方式。即完全由單片機來實現(xiàn)前級信號程控調(diào)理、采樣保持電路及Ａ/D轉(zhuǎn)換器的控制、數(shù)據(jù)的解決及存儲、波形顯示和控制電路等功能。?方案二:單片機與FPGA結(jié)合的方式。即由單片機來完畢信號調(diào)理和人機界面等頂層控制功能，而由FPGA來完畢采集和信號解決等底層的核心計算。?方案一的最大特點是只用單片機,系統(tǒng)規(guī)?？梢宰龅煤苄?，成本較低。但是，單片機在解決高速信號時略顯吃力。并且在時序控制方面也顯得精度局限性。相比之下,方案二則更加合理和可靠。FPGA的應(yīng)用已經(jīng)相稱的普遍和成熟。用其進行采樣時鐘控制和信號解決,是提高系統(tǒng)性能和指標(biāo)最有效的方法。因此，我們選擇單片機與ＦPGA的結(jié)合來作為系統(tǒng)的核心解決器。?(2）前級信號調(diào)理方案設(shè)計：

方案一：一路調(diào)理。即所有信號,都通過同一路信號調(diào)理電路,通過相應(yīng)的衰減或放大設(shè)計，將信號幅度控制在合適的范圍內(nèi),以便后級的數(shù)據(jù)采樣。?方案二:多路調(diào)理。即將不同頻率范圍或不同幅度范圍的信號通過各自的電路進行調(diào)理。示波器選擇不同的檔位,則選擇了不同的信號通路。?方案一電路簡潔,但是由于信號的頻率和幅度跨度都很大，給硬件電路的調(diào)試帶來的較大的困難；方案二雖然可以對不同頻率和幅度范圍內(nèi)的信號進行單獨調(diào)試，減少了每一路通道對硬件電路的規(guī)定，但導(dǎo)致電路規(guī)模大,結(jié)構(gòu)非常繁瑣,同時假如每一路信號之間的隔離做得不好，也會對采集結(jié)果導(dǎo)致很大的影響。綜合考慮,我們選擇了方案一，并精心設(shè)計了實現(xiàn)電路,使用了壓控放大器AD6０3進行兩級放大，前面還加了BUFFＥＲ6３４以提高系統(tǒng)的輸入阻抗。最終很好的完畢了題目的規(guī)定。

2.系統(tǒng)總體框圖(圖省)?本系統(tǒng)采用單片機和ＦＰGA作為數(shù)據(jù)解決和控制核心，將設(shè)計任務(wù)劃分為前級通道信號調(diào)理、觸發(fā)信號產(chǎn)生、保持與采樣、數(shù)據(jù)解決與存儲、波形顯示、控制面板等功能模塊。

二、理論分析與參數(shù)計算

1.等效采樣分析?等效采樣的實現(xiàn)方式一般有順序等效采樣和隨機等效采樣兩種,順序采樣規(guī)定可以精確地測出輸入信號的頻率,而在現(xiàn)今的數(shù)字示波器中，大多數(shù)采用的是隨機等效采樣技術(shù)。本系統(tǒng)也采用隨機等效采樣來實現(xiàn)題目規(guī)定。隨機等效時間采樣的基本原理是，在每一輪的采集過程中測量每次信號觸發(fā)時刻后與A／D的第一個采樣時鐘的時間差,這個時間差表白了觸發(fā)后的第一次采樣時刻,因此,它擬定了本輪采樣的數(shù)據(jù)序列在信號波形中的位置。由于時間差在一個采樣周期內(nèi)是隨機分布的，當(dāng)多輪采樣后，采集的數(shù)據(jù)序列就能在一定的時間內(nèi)遍歷所有也許的取值。通過對分布在一段時間上的隨機采樣數(shù)據(jù)序列的排序,就能重構(gòu)信號的一個完整的采樣波形。如圖2所示是隨機等效采樣示意波形：（圖?。?/p>

?在隨機等效采樣技術(shù)中,關(guān)鍵是測出每次觸發(fā)點與下一個采樣時鐘間的時間差。但該時間極短,很難直接測量。一般可以借助時間軸展寬方法測量,時間軸展寬是一電容充放電雙斜率電路，規(guī)定充放電的時間比例很準(zhǔn)確,本系統(tǒng)運用高主頻FPGA計數(shù)來測量時間差。而等效采樣的頻率,則與實際的采樣速率和存儲深度有關(guān)。例如,用1MＨz的實時采樣速率實現(xiàn)200MHz的等效采樣，即等效倍數(shù)為2０0,則需要進行200輪采樣，每輪采樣1個點。采樣結(jié)束后，根據(jù)測出的每一點的時間差,將采樣的數(shù)值進行重新排列，然后將重排后的數(shù)據(jù)順序輸出,用于波形顯示。用1MHz的采樣速率實現(xiàn)等效倍數(shù)為2０0倍的隨機采樣,需要在１us的時間內(nèi)測出２０0個不同的隨機時間差，則ＦPGA至少應(yīng)工作在2０0MHz的主頻上。

2．垂直靈敏度

根據(jù)題目規(guī)定，垂直分辨率為8biｔs，顯示屏的垂直刻度為８dｉv,因此使用8位A/D即可滿足題目規(guī)定。即垂直方向共2５6點，顯示分辨率為３2點/ｄiv.由于ADC的參考電壓為5V（詳見硬件電路設(shè)計中關(guān)于ADC部分),則示波器幅度軸上的8div相應(yīng)著峰－峰值為５V的信號，即０.625V／ｄiv,由此可以計算出每一檔的垂直靈敏度所相應(yīng)的信號放大倍數(shù),如表１所示:表1

垂直靈敏度與信號放大倍數(shù)相應(yīng)關(guān)系垂直靈敏度/(mＶ/diｖ)2510205010020050０1０0０放大倍數(shù)31２.51256２.５31.2５12.56．253.1251.250.62５根據(jù)不同的檔位選擇，通過單片機內(nèi)置的D／Ａ輸出不同的直流電壓,來控制AD６03的放大倍數(shù)，以完畢信號的放大需求。?3掃描速度?設(shè)計規(guī)定水平顯示分辨率至少為20點/diｖ,則存儲深度M應(yīng)至少為200點。在固定的存儲深度下，采樣率fs與掃描速度S成反比,即１0＊Ｓ*ｆs=Ｍ,系統(tǒng)取M=20０,則ｆs=20/Ｓ。系統(tǒng)設(shè)定的掃描速度從１０0ｎs／dｉｖ～20０ms／div,總共２0檔,則可以計算出每一檔的掃描速度所相應(yīng)的采樣速率，如表2所示。表2掃描速度與采樣率的相應(yīng)關(guān)系掃描速度（/dｉv）1０0ns2uｓ20us50ｕs100us200us500us1ms采樣率（Hz)200M10M1M400Ｋ２00K１0０K４０K20K掃描速度（／ｄiv）2ｍs5ms１0ms20ｍs50ms100ｍs２00ｍｓ采樣率（Hz）10K4K２K1K400200100

題目規(guī)定A/D轉(zhuǎn)換器的最高采樣速率限定為1MHz,由表2可知，掃描速度高于２0us/dｉv的檔位都應(yīng)當(dāng)使用等效采樣。?三、電路分析與設(shè)計?1．輸入通道調(diào)理電路?系統(tǒng)采用兩片ＡD60３級聯(lián)方式完畢信號的調(diào)理。ＡD603在90ＭＨｚ的帶寬下增益范圍為－11ｄB~+3１dB,兩級級聯(lián)后增益可達-２０dB～+60dB,完全可以滿足對小信號的放大功能。但是,AD603的輸入阻抗只有100Ω,所以在前面還加了一片BUF634，在寬帶模式下BUF６３4的輸入阻抗也高達8ＭΩ,滿足儀器輸入阻抗為1MΩ的題目規(guī)定。此外,AD603只能承受4Ｖ峰峰值的信號輸入,并且在高頻時承受電壓值還將下降,因此，系統(tǒng)在高幅檔位還設(shè)計了一個由運放構(gòu)成的衰減器，從而保證了高幅信號的不失真調(diào)理。采用機械開關(guān)控制衰減器與全通電路，減小了用模擬開關(guān)或繼電器控制帶來的對薄弱信號的影響,也就減小了系統(tǒng)噪聲。

?2．采樣保持電路?采樣保持電路可以用運放及其必要的分立元件搭建，也可以采用專門的取樣保持芯片。我們選用了采樣保持芯片AD783來實現(xiàn)。AＤ78３的采樣獲取時間為250nｓ，滿足１MHz最高采樣速率的規(guī)定,其小信號輸入帶寬可達15MHｚ,也滿足最高輸入信號頻率為10MHz的題目規(guī)定。AD７83的信號輸入范圍為-2．５V～+２.5V，但是,在輸入信號為10MＨｚ時，峰峰值超過1V,AD７８3就難以對輸入信號進行對的的采樣。因此,AD6０3最多只將輸入信號放大到１V峰峰值給AD783進行采樣保持,以保證采集模擬信號的帶寬,然后在AD7８3與Ａ/D轉(zhuǎn)換器之間再加一級固定增益的放大器，使信號放大到A／Ｄ轉(zhuǎn)換器的滿量程范圍，以保證A/D轉(zhuǎn)換的精度。（取樣保持電路原理圖見附錄一）

3．?dāng)?shù)據(jù)采集及存儲電路

題目規(guī)定A/D轉(zhuǎn)換器的最高采樣速率限定為1MHz，并且垂直分辨率為8ｂｉt，我們選用的是AＤ公司的８位并行輸出Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器芯片ＡD78２１,其最高采樣頻率為1ＭＨz,參考電壓為５Ｖ，采用雙電源供電,輸入信號電壓范圍為-2.5V～＋2．5V。（A／D轉(zhuǎn)換器原理圖見附錄二)?選用XILINX公司的FPGA芯片XC３Ｓ4０0對采樣保持電路及數(shù)據(jù)采集電路進行精確的時序控制。同時我們還在其內(nèi)部設(shè)計了存儲器，作為單片機的外擴RAＭ,用來存儲采樣得到的數(shù)據(jù)，并在單片機的控制下將數(shù)據(jù)顯示在液晶上。

4．觸發(fā)電路(圖?。?/p>

觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生與信號相關(guān)的脈沖信號，讓采樣電路與輸入信號同步，以穩(wěn)定顯示的波形。題目規(guī)定內(nèi)觸發(fā)方式,上升沿觸發(fā),觸發(fā)電平可調(diào)。它的核心是比較電路。比較器采用高速比較器AＤ８56４,該芯片具有7ｎs的傳播延時，3ｎs的上升、下降建立時間,接成反相遲滯比較器形式,可以解決1Hz到20MＨz的信號,而無明顯抖動，通過改變參考電平值可以達成改變觸發(fā)電平的目的。由于接成反相比較器形式,所以觸發(fā)信號在FPGＡ內(nèi)部還通過了一個反相器,以實現(xiàn)上升沿觸發(fā)。

四、系統(tǒng)程序設(shè)計??1．FPGA程序設(shè)計。FＧPＡ重要是控制采樣保持電路及Ａ／D轉(zhuǎn)換器，存儲采樣數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)解決。同時還承擔(dān)了測頻的任務(wù)。其程序流程圖如下:(圖?。?/p>

?2單片機程序設(shè)計。單片機完畢放大電路的控制、波形顯示及操作界面的管理。其程序流程圖如下：（圖?。?五、系統(tǒng)測試

1.測試儀器:

F４０型數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器／計數(shù)器

ＴDＳ１0１2B型10０ＭHz數(shù)字存儲示波器?２.掃描速度測試?測試條件:垂直靈敏度０.1V/div。用信號源輸出峰峰值為0.4Ｖ，不同頻率的正弦波，用本系統(tǒng)進行測量,測試數(shù)據(jù)如表3所示：表3.掃描速度測試數(shù)據(jù)信號頻率(Hｚ）１0２0501002005０01K4K10K2Ｍ信號周期１00mｓ50ｍs20ｍs1０ms5ms2ｍｓ１ｍs0.2５mｓ0.1ms50０ｎｓ掃速/（div)20ms１０ms5ms2ｍs1ｍs0．5ms0.2ｍｓ50us20us10０ns測量周期數(shù)１00ms50ms２０ms10ms5ｍｓ２ｍｓ1mｓ0.249ｍs0．99ms50０ｎｓ誤差000000００.4％1%0??3.垂直靈敏度測試?測試條件：用信號源輸出1ＫＨz,不同幅度的正弦波,用本系統(tǒng)進行測量，測試數(shù)據(jù)如表４所示：表4垂直靈敏度測試數(shù)據(jù)信號峰峰值２mV20mＶ40mＶ8０mV200mV400mＶ８00mV2V4V垂直靈敏度２mＶ/dｉv5mＶ/ｄiv10mV／ｄｉｖ20mV/ｄiv50mV/diｖ0．１Ｖ／dｉv0.2Ｖ/div0.５mV/diｖ1Ｖ/div測試值2mv2０mＶ40ｍＶ80mV20０mＶ４１0mV800ｍＶ2V3．5ＶTDS10１2B測量值？？？82.4mV204ｍV４12mV808mV１.96V3．48V誤差?？？2．91%1.96%2.91%０．99%２.０4%0.57%

＊注

“？”表達信號噪聲較大，無法用TＤS1012B示波器精確測量

誤差是參考TＤS10１2B的測量值進行計算的

４．其他功能測試

經(jīng)測試，波形存儲功能及回放、連續(xù)觸發(fā)、觸發(fā)沿選擇、方波校準(zhǔn)信號等功能均能正常工作。?5.誤差分析?測試低頻信號的幅度誤差較大,分析得知是由于各級電路間采用了交流耦合,從而導(dǎo)致了低頻信號的衰減。

六、結(jié)論

本設(shè)計完畢了題目的基本部分和發(fā)揮部分的大部分規(guī)定。采用隨機等效采樣技術(shù)實現(xiàn)了200ＭＨz的等效采樣，使用AD603的電路設(shè)計方案不僅使電壓放大及測量非常準(zhǔn)確,并且也提高了示波器的垂直靈敏度。但是,系統(tǒng)也存在許多局限性之處，特別體現(xiàn)在系統(tǒng)未能采用等效采樣技術(shù)很好的測量出頻率高于4MHz的信號。并且由于時間有限,許多設(shè)計的功能（如自動測量、多種