簡(jiǎn)易存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、 簡(jiǎn)易存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要本系統(tǒng)基于單片機(jī)最小系統(tǒng)，以高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC5510為核心，利用CPLD構(gòu)成高速邏輯控制器件控制高速A/D芯片采樣轉(zhuǎn)換和雙口RAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、回放波形。本系統(tǒng)主要由七個(gè)子模塊電路構(gòu)成：前級(jí)程控放大電路、TLC5510高速采樣電路、基于CPLD的高速邏輯控制電路、數(shù)據(jù)存入與讀出的雙口RAM電路、AD7523 D/A轉(zhuǎn)換電路、觸發(fā)電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單/雙蹤顯示、多觸發(fā)方式、波形存儲(chǔ)等多種功能。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)應(yīng)用了EDA工具，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程方法。 關(guān)鍵字 程控增益放大 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 雙口RAM CPLD 一、 方案設(shè)計(jì)與論證 1.1

2、 總體方案設(shè)計(jì) 數(shù)字存儲(chǔ)示波器是可以方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，并能利用微處理器對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理的示波器，它具有實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)兩種工作模式，其實(shí)時(shí)采樣工作方式?jīng)Q定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案必須采用高速數(shù)據(jù)的采集和處理技術(shù)，因而，高速數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和回放電路的設(shè)計(jì)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。由于受單片機(jī)時(shí)鐘頻率的限制，數(shù)據(jù)采集過程必須由高速邏輯器件控制，因此本設(shè)計(jì)以高速A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510為核心，利用CPLD產(chǎn)生高速的邏輯控制器件控制高速A/D芯片采樣轉(zhuǎn)換，并利用雙口RAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、回放波形。總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示Y輸入示波器X輸入D/A轉(zhuǎn)換RAMR/WA/D轉(zhuǎn)換衰減放大輸入信號(hào) CPLD產(chǎn)生控制部分

3、D/A轉(zhuǎn)換觸發(fā)方式 圖1 CPLD高速邏輯控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理框圖1. 2模塊電路設(shè)計(jì)1.2.1前級(jí)信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)利用模擬開關(guān)MAX333A構(gòu)成單、雙蹤切換及程控放大電路。此模塊的主要功能是控制兩路信號(hào)的分時(shí)選通，并對(duì)輸入信號(hào)的幅值進(jìn)行程控放大，使輸入信號(hào)的幅度滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器所要求的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換范圍，并滿足垂直靈敏度指標(biāo)要求。CH1、CH2兩路波形信號(hào)分別經(jīng)過OP07構(gòu)成的射隨器后，輸入到模擬開關(guān)MAX333A，由CPLD產(chǎn)生的地址信號(hào)的最低位AR0控制CH1和CH2的高速輪流切換。分時(shí)采樣兩路信號(hào)。程控放大單元運(yùn)用寬帶運(yùn)放構(gòu)成放大器，高頻信號(hào)失真很小，并且由精密電位器構(gòu)成反相放大電

4、路，完成輸入信號(hào)的0.25倍、2.5倍、25倍精確放大。后級(jí)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)+1.6V 電平抬升，以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換的0.6V2.6V動(dòng)態(tài)范圍（原因見下面分析）。具體電路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示 二 CH1 射隨器 選 三檔程控 一倍反相 一 放大和+1.6V 限伏電路 ADC CH2 射隨器 開 反相放大 電平抬升 關(guān) 圖2 前級(jí)信號(hào)處理設(shè)計(jì)框圖具體實(shí)現(xiàn)電路圖如圖3所示圖3 三檔程控增益放大電路圖1.2.2數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC5510，此款A(yù)DC的最高采樣速率為20Msps。Vref（B）Vref（T）的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換范圍。CLK端上升沿開采樣。輸出使能端OE接低電平時(shí)，在2.5個(gè)CLK

5、周期后，采樣量化數(shù)據(jù)自動(dòng)呈現(xiàn)在數(shù)據(jù)線上。TLC5510的工作時(shí)序圖如圖4所示 圖4 TLC5510工作時(shí)序圖編碼方式如表1所示輸入電壓范圍 輸出數(shù)字編碼MSB LSB Vref（B） Vref（T）0 0 0 0 0 0 0 0。0 1 1 1 1 1 1 11 0 0 0 0 0 0 0。1 1 1 1 1 1 1 1表1 TLC5510編碼方式設(shè)計(jì)中，AD芯片采用內(nèi)部參考電壓，ref(B) 0.6V; ref(B) 2.6V；動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換范圍為0.6V2.6V。具體連接電路圖如圖5所示1.2.3 CPLD高速邏輯控制器高速控制部分電路由四個(gè)子模塊組成：掃描時(shí)間因數(shù)t/div控制器，觸發(fā)功能控制

6、器，寫地址計(jì)數(shù)器，讀地址計(jì)數(shù)器。這四部分電路均由CPLD設(shè)計(jì)完成，內(nèi)部邏輯模塊可表示如圖6所示圖6 CPLD高速邏輯控制單元框圖各模塊基本功能如下所述：·掃描時(shí)間因數(shù)t/div控制器實(shí)際上是一個(gè)時(shí)基分頻器，用于控制A/D轉(zhuǎn)換采樣速率以及存儲(chǔ)器的寫入速度。采用穩(wěn)定度較高的40MHz有源晶振。將其作為CPLD的時(shí)鐘基準(zhǔn)輸入。在CPLD中，先對(duì)其進(jìn)行4分頻。目的是保證較高的相位穩(wěn)定度。再由CPLD生成一個(gè)分頻比可調(diào)的分頻器，將分頻后的10M時(shí)鐘進(jìn)行可調(diào)分頻，得到不同的采樣時(shí)鐘。因此這一模塊除有源晶振以外，其余部分均在CPLD中實(shí)現(xiàn)。·觸發(fā)功能控制器實(shí)現(xiàn)了單次觸發(fā)、電平觸發(fā)和連續(xù)觸

7、發(fā)功能，體現(xiàn)了數(shù)字存儲(chǔ)示波器的一大優(yōu)點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)電路見觸發(fā)電路設(shè)計(jì)說明。·寫地址計(jì)數(shù)器用來產(chǎn)生寫地址信號(hào)，它由CPLD生成二進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的位數(shù)由存儲(chǔ)長(zhǎng)度來確定。寫地址計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率與A/D轉(zhuǎn)換器的取樣時(shí)鐘頻率相同，產(chǎn)生寫地址數(shù)據(jù)送至雙口RAM的地址線。·讀地址計(jì)數(shù)器用來產(chǎn)生讀地址信號(hào)，它由CPLD生成二進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，產(chǎn)生讀地址信號(hào)將數(shù)據(jù)從雙口RAM中讀出。1.2.4 雙口RAM讀寫采樣數(shù)據(jù)AD采樣量化數(shù)據(jù)由雙口RAM存儲(chǔ)。IDT7134有兩組相互隔離的數(shù)據(jù)線、地址線、片選線和讀寫控制線。它們可以對(duì)RAM內(nèi)部的存儲(chǔ)單元同時(shí)進(jìn)行讀寫操作。并且互不影響，這樣就解決了高速

8、存取和讀取的問題。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)線與AD采樣量化輸出數(shù)據(jù)線相連，讀出數(shù)據(jù)線與列掃描DA數(shù)據(jù)線相連。存儲(chǔ)與讀出的地址線受CPLD控制。具體連接圖如圖7所示圖7 雙口RAM連接圖1.2.5 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了單次觸發(fā)、電平觸發(fā)和連續(xù)觸發(fā)功能。其中電平觸發(fā)可以選擇CH1、CH2和外部輸入信號(hào)三路信號(hào)觸發(fā)。·單次觸發(fā)存儲(chǔ)顯示方式每按動(dòng)一次“單次觸發(fā)”鍵，啟動(dòng)CPLD控制AD開采樣200點(diǎn)并存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)。讀地址線循環(huán)讀出此200點(diǎn)數(shù)據(jù)，連續(xù)送顯示。·電平觸發(fā)顯示方式利用高速比較器MAX921，產(chǎn)生比較脈沖。上升沿啟動(dòng)AD開采樣200點(diǎn)并存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)，讀地址線循環(huán)讀出此200點(diǎn)數(shù)據(jù)，同

9、時(shí)送顯示。AD采樣過程中，屏蔽觸發(fā)脈沖。觸發(fā)電平正負(fù)5V可調(diào)。電平觸發(fā)原理圖如圖8所示圖8 電平觸發(fā)原理圖具體實(shí)現(xiàn)電路圖如圖9所示圖9 電平觸發(fā)電路圖·連續(xù)觸發(fā)顯示方式連續(xù)觸發(fā)方式下，儀器能對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)顯示。1.2.6 行/列掃描電路設(shè)計(jì)由高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器AD7523，構(gòu)成行/列掃描電路核心。·行掃描電路 CPLD內(nèi)的地址累加器的輸出控制AD7523不斷輸出鋸齒波，后級(jí)是一個(gè)加法電路，調(diào)節(jié)電位器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出鋸齒波的直流電平移動(dòng)。達(dá)到調(diào)節(jié)顯示器上波形左右位置平移的功能。具體電路如圖10所示圖10 行掃描電路圖 ·列掃描電路由AD7532、模擬開關(guān)和

10、電平調(diào)節(jié)電路構(gòu)成列掃描電路。雙口RAM右端的數(shù)據(jù)口輸出數(shù)據(jù)送AD7532，后級(jí)兩個(gè)電平跌價(jià)調(diào)節(jié)電路，調(diào)節(jié)電位器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CH1和CH2兩個(gè)通道輸出波形的上下平移。模擬開關(guān)MAX333A實(shí)現(xiàn)單/雙蹤切換功能。具體電路如圖11所示圖11 列掃描電路圖1.2.7 輸出信號(hào)與模擬示波器的連接顯示采樣模擬示波器的XY方式，在XY方式下，示波器的垂直軸和水平軸的偏轉(zhuǎn)電壓由外部提供。屏幕上每一個(gè)位置都有對(duì)應(yīng)的一個(gè)XY坐標(biāo)。因此，只要提供波形的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換送至X、Y軸即可，顯示時(shí)，地址計(jì)數(shù)器以固定的頻率循環(huán)計(jì)數(shù)，地址信號(hào)直接送至行掃描DA，產(chǎn)生周期鋸齒波，對(duì)應(yīng)X軸偏轉(zhuǎn)電壓；雙口RAM數(shù)據(jù)送至列掃描D

11、A，對(duì)應(yīng)Y軸偏轉(zhuǎn)電壓。具體輸出信號(hào)如圖12所示圖12 顯示原理圖二、 理論分析與參數(shù)計(jì)算2.1 程控放大器增益 程控增益放大器的放大倍數(shù)要求滿足垂直靈敏度指標(biāo)，同時(shí)兼顧系統(tǒng)輸入信號(hào)和AD輸入信號(hào)幅值范圍。 指標(biāo)要求設(shè)置0.01V/div、0. 1V/div、1V/div三檔垂直靈敏度，系統(tǒng)輸入信號(hào)范圍為4V4V；AD輸入信號(hào)幅度為0.62.6V。綜合以上指標(biāo)，設(shè)置三檔放大倍數(shù)分別為0.25倍、2.5倍、25倍，其中0.25倍放大倍數(shù)對(duì)應(yīng)1V/div垂直靈敏度； 2.5倍放大倍數(shù)對(duì)應(yīng)0.1V/div垂直靈敏度；25倍放大倍數(shù)對(duì)應(yīng)0.01V/div垂直靈敏度。2.2 采樣率Fs與掃描時(shí)間因數(shù)在固定

12、存儲(chǔ)深度M的條件下，采樣速率Fs與掃描時(shí)間因數(shù)S成反比。關(guān)系是 10S×FsM 取M=200，則Fs20/S 設(shè)計(jì)掃描時(shí)間因數(shù)從20uS/div200mS/div，共有13檔，覆蓋題目要求的3檔掃描時(shí)間因數(shù)。依據(jù)上式，計(jì)算對(duì)應(yīng)的采樣速率如表2所示S(/div)20uS40uS100uS200uS500uS1mS2mSFs(KHz)1000500200100402010S(/div)5mS10mS20mS50mS100mS200mSFs(KHz)4210.40.20.1 表2 掃描時(shí)間因數(shù)與采樣速率對(duì)照表值得注意的是：采樣速率的獲得是對(duì)時(shí)基信號(hào)進(jìn)行可調(diào)分頻得到的。實(shí)際設(shè)計(jì)中需要對(duì)輸入分

13、頻器的10MHz信號(hào)進(jìn)行可調(diào)分頻得到上表所列采樣速率。2.3 A/D芯片的選取A/D芯片的位數(shù)取決于垂直分辨率，指標(biāo)要求垂直分辨率為32級(jí)/div，示波器滿刻度為8格。垂直方向上應(yīng)該有32×825628量化級(jí)，因此A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)不應(yīng)該低于8位。此外，從表2可知，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率不應(yīng)低于1MHz，本設(shè)計(jì)采樣8位并行高速A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510，最高采樣率為20MHz，滿足采樣率要求。2.4 輸入信號(hào)峰峰值測(cè)量通過89C51讀取并分析RAM中的數(shù)據(jù)，判斷最大值、最小值，由此可以計(jì)算出峰峰值。三、 軟件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)軟件主程序流程圖 開始系統(tǒng)初始化按鍵功能選擇 單 連 電 單

14、雙 峰 顯示 顯示 自動(dòng) 次 續(xù) 平 蹤 蹤 值 采樣 放大 量程 觸 觸 觸 顯 顯 顯 速率 倍數(shù) 轉(zhuǎn)換 發(fā) 發(fā) 發(fā) 示 示 示 顯示波形 圖13 系統(tǒng)軟件主程序流程圖3.2 CPLD高速邏輯控制單元設(shè)計(jì) 3.2.1分頻比可調(diào)分頻器設(shè)計(jì) 使用VHDL語(yǔ)言描述分頻比可調(diào)的分頻器，其基本思想是：在分頻器內(nèi)部串聯(lián)數(shù)個(gè)小的分頻器，分別可以實(shí)現(xiàn)2、4、5、10等分頻，利用D0D5和Sel0、Sel1控制端口和二選一單元器件選擇各分頻器是否接入，以此實(shí)現(xiàn)分頻可調(diào)的功能。 3.2.2讀/寫地址累加器設(shè)計(jì) 讀/寫地址累加器實(shí)際上是對(duì)采樣脈沖的循環(huán)計(jì)數(shù)。循環(huán)周期等于存儲(chǔ)深度。四、 系統(tǒng)測(cè)試4.1測(cè)試使用儀器

15、 ·示波器YB4324 ·數(shù)字萬用表FLUKE 17B ·萬利單片機(jī)仿真機(jī) ·泰克信源AFG310 ·直流穩(wěn)壓電源DH1718D-2 ·泰克數(shù)字存儲(chǔ)示波器TDS10024.2測(cè)試方法與步驟將泰克信源，泰克數(shù)字存儲(chǔ)示波器，模擬示波器按圖14所示與被測(cè)系統(tǒng)連接好，打開儀器電源開關(guān)，給儀器預(yù)熱。然后打開開關(guān)電源，用數(shù)字萬用表量出電源輸出值，并調(diào)整到所需的幅度范圍內(nèi)，接著關(guān)上電源，接上自制系統(tǒng)的供電端子，再打開電源，給系統(tǒng)供電，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。圖14 系統(tǒng)測(cè)試原理圖 （1）單次觸發(fā)存儲(chǔ)顯示方式的測(cè)試 將自制的示波器設(shè)置好掃描時(shí)間因數(shù)，調(diào)整觸發(fā)電

16、平，按下單次觸發(fā)鍵，用自制的示波器和泰克存儲(chǔ)示波器同時(shí)對(duì)被測(cè)周期信號(hào)或單次非周期信號(hào)進(jìn)行一次采集與存儲(chǔ)，比較兩幅波形，發(fā)現(xiàn)波形無明顯失真。（2）連續(xù)觸發(fā)存儲(chǔ)顯示方式的測(cè)試 將自制的示波器設(shè)置好掃描時(shí)間因數(shù)，調(diào)整觸發(fā)電平，按下連續(xù)觸發(fā)存儲(chǔ)鍵，用自制的示波器和泰克存儲(chǔ)示波器同時(shí)對(duì)被測(cè)周期信號(hào)或單次非周期信號(hào)進(jìn)行連續(xù)的采集與存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)顯示，比較兩幅波形，發(fā)現(xiàn)波形無明顯失真。（3）觸發(fā)功能的測(cè)試 設(shè)置好自制示波器的觸發(fā)電平，從CRT上觀察波形，調(diào)節(jié)示波器的觸發(fā)電平，發(fā)現(xiàn)對(duì)同一周期信號(hào)觸發(fā)點(diǎn)發(fā)生變化。（4）掃描時(shí)間因數(shù)的測(cè)試 設(shè)置好掃描時(shí)間因數(shù)，采集存儲(chǔ)并回放一幅周期性信號(hào)，估算出CRT上周期性信號(hào)一個(gè)

17、周期所占的水平刻度m div，并根據(jù)設(shè)置的掃描時(shí)間因數(shù)，算出周期信號(hào)的頻率，與泰克數(shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)得信號(hào)的頻率進(jìn)行比較，估算出誤差，誤差小于2。（5）垂直靈敏度的測(cè)試 將垂直靈敏度置為1v/div，輸入一個(gè)兩伏的直流信號(hào)，讀出示波器上直流電平的偏移量，估算出直流電壓值，與實(shí)際值相比較，估算出誤差。其它垂直靈敏度分檔的測(cè)試上述原理同樣進(jìn)行。 （6）雙蹤顯示的測(cè)試 輸入兩路信號(hào)待測(cè)信號(hào)，用自制的示波器和泰克數(shù)字存儲(chǔ)示波器同時(shí)的對(duì)其進(jìn)行雙蹤顯示，觀測(cè)、比較兩幅波形，發(fā)現(xiàn)波形無明顯失真。（7）波形參數(shù)的測(cè)量 用泰克信源輸出一個(gè)待測(cè)信號(hào)，用自制的示波器和泰克數(shù)字存儲(chǔ)示波器同時(shí)的對(duì)其進(jìn)行峰峰值的測(cè)量，比較測(cè)量數(shù)據(jù)，估算出誤差。五、 鍵值表表2為鍵盤布局 空鍵1 空鍵2 空鍵3 7 8 9 4 5 6 1