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简易数字存储示波器 摘要 本系统基于示波器原理，以单片机为核心，结合CPLD和FPGA的数据处理能力，实现了波形的实时采样存储和实时显示功能，做到了波形的单踪采集与显示，并且能够对波形进行以下处理：频率、峰-峰值和平均值测量，AUTO SCALE，上下左右平移。系统达到了较高的性能指标。但也存在以下不足：不能做到双踪显示，平均值测量不准确等。 电子信息工程 李知周 张辉全 杨光义 方案论证与选择 1、总体方案 方案一：纯粹的单片机方式。由单片机、、、 方案二：FPGA/CPLD或带有IP核的FPGA/CPLD方式。即用FPGA/CPLD完成数据的采集、、、、、、、、、 输入 内触发 单片机和CPLD控制的数字存储示波器 2、前级信号处理 方案一： 程控放大由运算放大器AD844、模拟开关CD4051配合精密电位器实现。单片机控制CD4051选通不同通道的接入电阻值，从而得到不同的增益,实现从0.01V/div到1V/div的多挡的垂直分辨率。这种方案虽然易于扩展调试，但是控制起来比较复杂，而且放大倍数不够准确。 方案二： 程控放大由DAC0832实现。信号由DAC0832的参考电压端输入，通过改变送入DAC0832的数据值来控制输出信号的幅度。这种方案可对输入信号幅度进行精确控制并实现垂直分辨率的多挡切换，而且控制方便，简单快捷。 鉴于以上分析，我们当然选用方案二。 但是到了后来，我们的CPLD引脚不能满足系统的需求，从各方面权衡考虑，我们也放弃了方案二，仅仅在前级接入了一片LM311和一片AD844（宽带运算放大器）。 3、数据采集电路 对垂直分辨率要求为32级/div，刻度为8div，则总分辨率为： 32*8=256=28 选用8位A/D转换器可以满足要求。 另外，根据题目要求，采样速度要达到2M。 综上所述，我们选用TLC5510，该芯片是TI公司生产的８位半闪速结构模数转换器，采用CMOS工艺制造，可提供最２０Msps的采样率。 f = 1/[B×(ADR2-ADR1)/20] 其中，B为水平分辨率，单位为s/div。 3、有效值测量 先扫描RAM中的数据值，用测频法算出波形信号一个周期的地址间隔T，然后用下式计算信号的有效值： VRMS= √1/T∫0T u2(t)dt 4、AUTO SCALE 单片机自动切换水平和垂直分辨率，每切换一次都对采样的数据进行一次处理，测出RAM内波形的峰-峰值和频率值，直到RAM中的波形数据适合显示和外界观察时，便稳定显示。 三、主要功能电路的设计 1、前级信号处理 2、数据采集电路 我们采用外部2.56V基准源（电路略），前端运放作用是产生偏置。使输入信号偏置到0.6V~2.6V的电压范围内，具体的电路如下： 3、行扫描电路 将处理过的波形数据输入到DAC0800上，其输出的模拟电压输入到示波器的y轴上。电路图如下： 4、行扫描平移电路 5、列扫描和平移电路 同行扫描和平移电路。 6、触发电路 触发电路的作用在于保证每次时基在屏幕上扫描的时候，时基扫描都从输入信号上的一个精确确定的点开始。如果没有触发电路，屏幕上面显示的将会是具有随机起始点的很多波形杂乱重叠的图象。触发有很多中方式，我们选用的是电平触发方式。 此部分由CPLD完成。 四、系统软件的设计 单片机程序设计 软件流程图： 2、FPGA程序设计 内部系统框图： 五、测试数据与分析 1、测量仪器及型号 SG1733SB3A直流稳压稳流电源 TDS1002数字示波器 Agilent33120A信号源 伟福E51/S型仿真器 2、测试方法 将电源、信号源和模拟示波器按下框图所示与自制系统连接好，打开仪器电源开关，给仪器预热。然后打开开关电源，，并调整到所需的幅度范围内，接着关上电源，接上自制系统的供电端子，再打开电源，给系统供电，进行系统测试。 图8－1 系统测试连接框图 3、测量数据 4、数据分析 六、总结分析与结论 通过上面对自制系统的测试与分析，该系统建立在高速实时采样上，可以观测周期信号或