基于AVR單片機(jī)數(shù)字示波器

1、目 錄目 錄1摘要：21 方案論證- 1 -1.1各種方案比較與選擇- 1 -1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案- 1 -2 理論分析與參數(shù)計(jì)算- 1 -2.1等效采樣分析- 1 -隨機(jī)采樣- 2 -順序采樣- 2 -2.2垂直靈敏度- 2 -2.3存儲深度M與掃描速率- 2 -3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)- 3 -2.1信號調(diào)理部分- 3 -2.2采樣與保持電路- 4 -2.3觸發(fā)電路- 4 -2.4 A/D轉(zhuǎn)換與存儲- 4 -2.5顯示部分- 5 -4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)- 5 -5 系統(tǒng)測試與分析- 5 -4.1測試儀器- 5 -4.2基本功能測試- 5 -4.3帶寬測試- 6 -4.4存儲功能測試- 6 -4.5校準(zhǔn)信

2、號測試- 6 -4.6測試結(jié)果及其分析- 6 -6 結(jié)論- 6 -摘要：本數(shù)字示波器，以AVR單片機(jī)Mega32單片機(jī)和可編程邏輯器件EPM240（CPLD）為核心，由通道輸入，采樣與保持，觸發(fā)，采集，數(shù)據(jù)處理，波形顯示和操作面板等功能模塊組成。根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)以1MSa/s的采樣速率進(jìn)行50kHz以下信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，50kHz10MHz的周期性信號進(jìn)行等效采樣，等效采樣速率200MSa/s。關(guān)鍵詞：示波器，等效采樣，AVR，CPLD1 方案論證1.1各種方案比較與選擇方案一：純單片機(jī)方式：由單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器及存儲器等組成系統(tǒng)。這種方案要求單片機(jī)除了完成基本的處理分析外，還需要完成信

3、號的采集、存儲、顯示等控制與變換工作。其優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)規(guī)模小，有一定的靈活性，但是不適宜于等效采樣，難以達(dá)到題目要求。方案二：FPGA/CPLD或帶有IP核的FPGA/CPLD方式。即用FPGA/CPLD完成采集、存儲、顯示等功能，由IP核實(shí)現(xiàn)人際交互及信號的測量分析等功能。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜測量與控制操作簡便；缺點(diǎn)在于調(diào)試過程繁瑣，不適合在短時(shí)間內(nèi)調(diào)試方案三：單片機(jī)與CPLD結(jié)合方式。即用單片機(jī)完成人機(jī)界面、系統(tǒng)控制、信號分析、處理變換，用CPLD完成采集和控制邏輯。這種方案兼顧了前兩個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)。綜合以上三各方案，我們擬采用方案三進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本系

4、統(tǒng)采用單片機(jī)和可編程邏輯器件作為數(shù)據(jù)處理及控制核心，將設(shè)計(jì)任務(wù)分解為通道信號調(diào)理，觸發(fā)信號產(chǎn)生、采樣保持電路、采集存儲、數(shù)據(jù)融合處理、顯示、操作面板等功能模塊。圖1給出該系統(tǒng)的總體框圖。CH1通道信號調(diào)理采樣與保持電路A/D采集存儲控制CPLDRAM觸發(fā)信號產(chǎn)生EXTMega32單片機(jī)Flash液晶顯示器操作面板圖12 理論分析與參數(shù)計(jì)算2.1等效采樣分析數(shù)字示波器的采樣方式包括實(shí)時(shí)采樣和等效采樣（非實(shí)時(shí)采樣）。等效采樣又可分為隨機(jī)采樣和順序采樣。隨機(jī)采樣所謂隨機(jī)采樣，是指每個(gè)采樣周期采集一定數(shù)量的樣點(diǎn)，經(jīng)過多個(gè)采樣周期的樣點(diǎn)積累，最終恢復(fù)出被測波形。由于信號的采樣與失中之間是非同步的，是的每

5、個(gè)采樣周期的觸發(fā)點(diǎn)與下一個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔是隨即的，由因?yàn)樾盘柺侵芷诘?，可以將每個(gè)采樣周期的采樣，等效為對有觸發(fā)點(diǎn)確定的同一段波形的采樣。因而通過多個(gè)采樣周期后，已觸發(fā)的電位基準(zhǔn)將各采樣周期的樣點(diǎn)拼合，可以得到一個(gè)重復(fù)信號的由觸發(fā)點(diǎn)確定的一段波形的密集樣點(diǎn)，這樣就恢復(fù)出了這段波形。每個(gè)采樣周期，觸發(fā)點(diǎn)與下一個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間由觸發(fā)精密內(nèi)插器測量，恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)內(nèi)插值，能夠大大提高示波器的時(shí)間分辨率。順序采樣順序采樣方式在每個(gè)采樣周期上只取波形上的一個(gè)樣點(diǎn)，每次延遲一個(gè)已知的t時(shí)間，取樣后的取樣信號雖然也是一串脈沖列，但那時(shí)這個(gè)脈沖列的持續(xù)時(shí)間卻被大大拉長了，這是因?yàn)樵诜菍?shí)時(shí)取樣的情況下，兩個(gè)取

6、樣脈沖之間的時(shí)間間隔變?yōu)閙T+t，其中m為兩個(gè)取樣脈沖之間的被測信號的周期個(gè)數(shù)。從以上討論可知，采用非實(shí)時(shí)取樣所的得到的取樣信號脈沖列，其包絡(luò)波形同樣可以重現(xiàn)原信號波形，而且由于包絡(luò)波形的持續(xù)時(shí)間變長了，這樣就可以以較低的采樣速率獲得極高的帶寬。2.2垂直靈敏度取ADC的基準(zhǔn)為2.5V，則示波器幅度軸上8格對應(yīng)為2.5V，即每格0.3125V，由此計(jì)算出每一檔垂直靈敏度對應(yīng)得放大倍數(shù)。如表1所示。表1垂直靈敏度/(mV /div)25102050100200500100020005000放大倍數(shù)156.2562.531.2515.6256.253.1251.56250.6250.31250.1

7、56250.06252.3存儲深度M與掃描速率在數(shù)字存儲示波器中掃速、采樣速率和記錄長度之間存在以下近似關(guān)系：L(pts)=fs(MS/s)×S(S/div)×10(div)式中L表示記錄長度，fs表示采樣速率，S表示掃速10表示水平方向有10格。本系統(tǒng)設(shè)定掃描速度從100ns-20ms，依據(jù)上式，計(jì)算出對應(yīng)的采樣速率如表2所示。表2掃速S100ns200ns500ns1s2s5s10s20s50s采樣率fs/MHz2001004020104210.4掃速S100s200s500s1ms2 ms5 ms10ms20ms50ms采樣率fs/kHz200100402010421

8、0.43 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1信號調(diào)理部分考慮到本系統(tǒng)輸入信號動態(tài)范圍較大，本設(shè)計(jì)采用了先衰減后放大的電路結(jié)構(gòu)。如圖2所示輸入通道衰減網(wǎng)絡(luò)放大器圖2電路前級采用8位雙D/A TLC7528構(gòu)成程控衰減器，將內(nèi)部兩片級聯(lián)構(gòu)成16位衰減器，將輸入信號作為參考電壓，此時(shí)D/A的輸出電壓為其中VIN 為輸入電壓，DIN1和DIN2分別為TLC7528內(nèi)部兩片D/A的輸入數(shù)字量，改變DIN1和DIN2即可改變衰減器的衰減倍數(shù)。TLC7528的轉(zhuǎn)換速率可達(dá)10MHz，說明其模擬帶寬可以達(dá)到題目10MHz的要求，TLC7528的輸入阻抗為20 k，低于題目中輸入阻抗1 M的要求，故前面增加以及電壓跟隨器。運(yùn)放

9、選用TI公司的電流反饋型運(yùn)放THS3095，該運(yùn)放的增益帶寬為210MHz，電壓轉(zhuǎn)換速率為7300V/s，典型同相輸入阻抗為1.3M?？梢詽M足題目的帶寬和輸入阻抗要求。電路后級采用高增益的運(yùn)放構(gòu)成程控放大器。為了達(dá)到發(fā)揮部分的垂直分辨率2mV/div的要求，放大電路的增益必須滿足為了達(dá)到10MHz的輸入帶寬，要求放大器的GBW=156.25×10MHz=1562.5MHz，由于增益帶寬積很大故采用兩級放大，放大器選用電壓反饋型高速運(yùn)放THS4022，其增益帶寬積為350MHz，可以滿足放大器的要求。2.2采樣與保持電路在A/D轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)保持輸入信號不變。采樣/保持器可以去除輸入信號

10、某一瞬間的值并在一定時(shí)間內(nèi)保持不變。采樣/保持器有兩種工作方式，即采樣方式和保持方式。在采樣方式下，采樣保持器的輸出必須跟蹤模擬輸入電壓；在保持方式下，采樣保持器的輸出將保持采樣命令發(fā)出時(shí)刻的電壓輸入值，直到保持命令撤銷為止 。如圖3 采樣保持器的原理圖。圖中A1 為稿輸入阻抗的運(yùn)算放大器，A2 為輸出緩沖期，開關(guān)K是工作方式的控制開關(guān)。開關(guān)K閉合時(shí)，輸入信號Vin經(jīng)放大器A1向電容充電，此時(shí)為采樣工作方式；當(dāng)開關(guān)K斷開時(shí)為保持方式，由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗很高，因此在理想情況下，電容保持充電的最終值。圖32.3觸發(fā)電路觸發(fā)電路用來產(chǎn)生周期與被測信號有關(guān)的觸發(fā)脈沖。在數(shù)字示波器中觸發(fā)信號只是在

11、采樣存儲器選取信號的一種標(biāo)志，以便靈活的選取采樣存儲器中某部分的波形送至顯示窗口，在數(shù)字示波器中設(shè)有延遲調(diào)節(jié)，可以自由改變觸發(fā)點(diǎn)的位置。如圖4，S1為內(nèi)部觸發(fā)和外部觸發(fā)切換開關(guān)，S2和S3為上升沿、下降沿觸發(fā)選擇開關(guān)。圖42.4 A/D轉(zhuǎn)換與存儲A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定于垂直分辨率，題目要求8bit/div，1MSa/s的速率，故我們選擇TI公司的8位并行高速A/D轉(zhuǎn)換器。該A/D最高采樣速率20MHz滿足題目1MHz的要求。2.5顯示部分顯示器我們選用的是240*128點(diǎn)的液晶顯示器，該液晶并不能完全滿足掃描速率和垂直分辨率的要求，但由于市場上合適的液晶買不到，故我們采用滾動顯示的方式來實(shí)現(xiàn)掃

12、描速率和垂直分辨率的要求。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)流程圖見圖55 系統(tǒng)測試與分析4.1測試儀器TDS3054B數(shù)字示波器，F(xiàn)120型數(shù)字合成函數(shù)發(fā)生器計(jì)數(shù)器，Agilent34401A6位半數(shù)字萬用表各一臺。4.2基本功能測試經(jīng)測試，內(nèi)觸發(fā)方式工作正常，觸發(fā)電平可調(diào)；上升沿觸發(fā)、外部觸發(fā)方式在滿足觸發(fā)條件是成功觸發(fā)。在被測頻率低于50kHz時(shí)波形無明顯失真，當(dāng)頻率大于50kHz時(shí)顯示波形略有失真。按照標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗測量方法測試，輸入阻抗為1 M，滿足題目要求。掃描速度在垂直靈敏度為0.1V/div條件下測試，測試數(shù)據(jù)如下表所示，未完全滿足題目要求。圖5表3信號周期100ns2s 2ms10ms2

13、0ms50ms0.1s掃速/(div)100ns2s2ms10ms20ms50ms0.1s周期數(shù)00010.2ms9.810.110.0誤差100%100%100%2%2%1%0垂直靈敏度測試數(shù)據(jù)如下所示。表4信號峰峰值2V1V0.4V100mV4mV垂直靈敏度1.0V/div0.5V/div0.2/div50mV/div1.0V/div測試值1.97V0.98V0.41V98mV0示波器測量值2V1V0.4V101mV4mV誤差1.5%2%2.5%3%100%測試條件：信號頻率為1kHz，參照示波器TDS3054B。測試條件：信號頻率為10MHz，參照示波器TDS3054B，此時(shí)無法完整顯示

14、波形。4.3帶寬測試測試條件：垂直靈敏度為0.1V/div，信號Vpp=0.05V。測試數(shù)據(jù)如表6所示表6信號頻率10Hz1kHz10kHz50kHz1MHz5MHz10MHz示波器測試值0.0510.0510.0490.0500004.4存儲功能測試儲存功能經(jīng)測試功能正常4.5校準(zhǔn)信號測試校準(zhǔn)信號用示波器TDS3054B測量，將示波器輸入阻抗調(diào)至1 M，顯示頻率為100.1kHz的方波，幅度為310mV，誤差為3.3%。4.6測試結(jié)果及其分析根據(jù)要求分項(xiàng)測試，各項(xiàng)都要注明測試條件，如輸入信號、輸出信號、電源電壓；測試儀器以及其他一些需要注明的條件；然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行列表（有些情況要進(jìn)行多次的測量，這時(shí)也要注明）；最后說明達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，并和設(shè)計(jì)要求的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，說明最終測試指標(biāo)的精度。以上數(shù)據(jù)表明，該示波器的各項(xiàng)指標(biāo)基本滿足