微型虛擬示波器的設(shè)計與實現(xiàn)

微型虛構(gòu)示波器的設(shè)計與實現(xiàn)微型虛構(gòu)示波器的設(shè)計與實現(xiàn)接觸USB總線已經(jīng)有5年左右的時間了，剛接觸USB時就采納了周立功代理的芯片——PDIUSBD12，該芯片為USB設(shè)施控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)批量12Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率.采納該芯片我設(shè)計了一些數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)以及信號發(fā)生系統(tǒng)，主要應(yīng)用于虛構(gòu)測試。這里我想總結(jié)一下我從前設(shè)計實現(xiàn)的微型虛構(gòu)示波器，并對示波器的關(guān)鍵技術(shù)作一下簡單總結(jié)。實物展現(xiàn)微型虛構(gòu)示波器一共設(shè)計了三版,下列圖是一個穩(wěn)固版本?？偟膩碚f體積仍是相當(dāng)小的，技術(shù)指標(biāo)也還能夠，能和一臺一般20MHz帶寬的模擬示波器相媲美。上圖所示的板子為示波器的核心部分，還需要前向通道電路，實現(xiàn)阻抗般配、信號衰減以及程控放大.上位機的測控軟件鑒于Labview平臺,軟件界面以下列圖所示，Labview經(jīng)過CLF接口接見動向鏈接庫,進(jìn)而操作硬件系統(tǒng)。點擊看原圖虛構(gòu)示波器的硬件部分達(dá)成信號獲得，實質(zhì)為一個數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。軟件部分達(dá)成信號辦理，定義詳細(xì)儀器的功能。假如只要要顯示時域波形，那么該儀器定義為示波器,假如需要定義成頻譜剖析儀，那么加入頻譜剖析的算法環(huán)節(jié)(FFT頻域變換）就能夠了。設(shè)計實現(xiàn)的微型虛構(gòu)示波器指標(biāo)以下:1、鑒于USB總線,無需外面電源，即插即測;2、體積小，80mm×65mm，一般人手掌大??；3、±5V（1:1示波器探頭）雙極性信號輸入;4、×0.5、×5倍程控放大；5、單/雙通道可選擇輸入模式；6、實現(xiàn)單通道80MHz采樣率,雙通道40MHz采樣率;7、單通道64K板載儲存器，雙通道32K板載儲存器，而且程控調(diào)理儲存容量8、8位垂直數(shù)據(jù)分辨率；9、外觸發(fā)、程序觸發(fā)等工作模式;10、8級采樣頻次程控選擇；11、WDM驅(qū)動程序,合用于WINDOWS98/2000/XP操作系統(tǒng)；12、采納DLL動向連結(jié)庫與LabVIEW連結(jié)；系統(tǒng)原理框圖微型虛構(gòu)示波器的系統(tǒng)原理框圖以下所示：輸入信號經(jīng)過無源探頭進(jìn)行阻抗般配，設(shè)計的輸入阻抗為1MR/20PF。般配以后的信號經(jīng)過衰減網(wǎng)絡(luò)、前置放大通道,而后輸入至雙通道高速采樣模塊。雙通道采樣模塊將信號采樣、量化以后在CPLD的邏輯控制下直接輸入至緩存，當(dāng)緩存中的數(shù)據(jù)累計到必定程度以后，數(shù)據(jù)經(jīng)過USB接口批量傳輸至PC，測控軟件對信號進(jìn)行辦理、顯示。要點技術(shù)剖析（一）高速采樣雙通道高速采樣模塊是系統(tǒng)的設(shè)計核心。示波器中常用的數(shù)據(jù)收集主要有以下三種

:1、雙通道獨立采樣模式.在該模式中，雙通道ADC對各自的通道獨立采樣，采樣獲得的數(shù)據(jù)分別存入各自的緩存空間,PC軟件會顯示雙通道的獨立信號。在這類模式下,每通道的數(shù)據(jù)采樣率決定于ADC的實質(zhì)能力.2、雙通道并行采樣模式。在該模式下，雙通道的ADC聚合采樣同一通道的信號,兩個通道的采樣脈沖相位差180度，雙通道獲得的信號經(jīng)過PC軟件進(jìn)行交錯聚合，輸入一個通道的信號。采納并行采樣的方法能夠在固定ADC的采樣能力的基礎(chǔ)上提高采樣率。3、等效采樣模式。該模式只好對周期信號進(jìn)行采樣，經(jīng)過相移采樣脈沖，采樣多個周期下的信號波形，進(jìn)而實現(xiàn)低采樣率下的高速信號獲得。本設(shè)計實現(xiàn)了（1）、（2）兩種采樣模式,核心的采樣ADC采納了TI企業(yè)供給的TLC5540，該芯片為半閃速8位高速模數(shù)變換器，最高采樣率能夠達(dá)到40Msps，輸入信號頻次帶寬75MHz，內(nèi)置基準(zhǔn)點壓源，在往常狀況下，該芯片的功耗僅為75mW。在并行采樣模式下，系統(tǒng)實質(zhì)采樣率能夠達(dá)到80Msps,可是需要供給一個相差180度的采樣時鐘信號，為了防止邏輯門電路帶來的延時,系統(tǒng)沒有采納非門實現(xiàn)采樣時鐘，而是經(jīng)過JK觸發(fā)器產(chǎn)生兩路同頻反相的時鐘信號。（二)無源衰減網(wǎng)絡(luò)示波器的一大特色在于信號的動向范圍寬，頻譜范圍寬。為了保證數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)能夠正常工作，需要對大信號進(jìn)行衰減，為了使得在寬頻的信號范圍下，信號不產(chǎn)生畸變，一般采納無源阻容分壓器。阻容分壓器考慮輸入信號的頻次特征，在低頻狀況下直接為電阻分壓比,在高頻狀況下，為電抗分壓比。無源衰減網(wǎng)絡(luò)實質(zhì)上為一個均衡電橋，在一般的無源示波器探頭中都存在一個調(diào)諧電容,調(diào)整該電容能夠使得均衡電橋達(dá)到最正確賠償狀態(tài)，在該狀態(tài)下，信號衰減率就與頻次沒關(guān)了，因此能夠在一個較寬的頻帶范圍內(nèi)，實現(xiàn)固定的信號衰減.(三）程控放大無源衰減網(wǎng)絡(luò)輸出信號輸入至程控放大器，程控放大器采納美國德州儀器企業(yè)生產(chǎn)的FET輸入寬頻運算放大器OPA655和日本東芝企業(yè)最新推出的微型固態(tài)繼電器AQY210實現(xiàn).經(jīng)過DC—DC變換模塊將+5V電源變換成—5V電源,作為OPA655供電電源。OPA655是美國德州儀器企業(yè)（TI）生產(chǎn)的FET輸入高阻寬帶運放,常用作寬頻光電檢測放大器，測試丈量儀器前置放大器.(四）儲存系統(tǒng)在示波器技術(shù)中，儲存技術(shù)起到了要點作用，常常也是系統(tǒng)的瓶頸所在，因此當(dāng)前商用示波器系統(tǒng)中儲存芯片常常都要示波器廠商自己設(shè)計.因為本設(shè)計的采樣頻次不是很高，因此能夠采納IS61C256靜態(tài)RAM作為儲存介質(zhì)，此外經(jīng)過CPLD中的邏輯電路達(dá)成儲存的時序接口。(五）USB通訊接口USB通訊接口采納了D12+AT89S52的設(shè)計方案，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)12Mbps的批量數(shù)據(jù)傳輸。批量傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包最大能夠達(dá)到64字節(jié)。Usb通訊接口的設(shè)計需要設(shè)計固件程序、驅(qū)動程序以及應(yīng)用程序所需的DLL動向鏈接庫。對于虛構(gòu)示波器，USB1.1標(biāo)準(zhǔn)的接口性能偏低，當(dāng)前能夠考慮USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的接口，通訊速率能夠達(dá)到480Mbps。(USB設(shè)計資料：Tiloog’sblogfortechnology供給了USB固件源碼,此外，computer00也供給了好多對于usb的設(shè)計事例及資料)示波器設(shè)計心得該微型虛構(gòu)示波器已經(jīng)設(shè)計多年了，設(shè)計之初考慮許多的是通訊接口、數(shù)據(jù)收集以及前向通道。特別是通訊接口是設(shè)計的要點,因為當(dāng)時USB通訊設(shè)計仍是特別熱點的事情，不簡單將USB通訊搞通。數(shù)據(jù)收集也有必定的挑戰(zhàn)性,因為采樣率需要達(dá)到80Msps,另一個有難度的就是前向通道，可是,設(shè)計之初沒有對前向通道投入足夠的時間，不過做了簡單設(shè)計,因此，從嚴(yán)格意義上講，該系統(tǒng)還不可以稱之為“示波器"。從我當(dāng)前的認(rèn)識來講，示波器設(shè)計的核心在于前向通道、模數(shù)變換這兩塊，對于單臺儀器來講通訊接口問題不是很大(集成系統(tǒng)的通訊接口另當(dāng)別論).前向通道的信號放大、衰減電路都特別重要，特別是現(xiàn)在的示波器通道帶寬已經(jīng)達(dá)到10GHz以上的水平,因此，前向通道面對著大動向范圍、寬頻的挑戰(zhàn)，這是示波器設(shè)計的核心。模數(shù)收集也十分重要，跟著頻次的提高,對模數(shù)變換提出了更高的采樣率需求，當(dāng)輸入信號在10GHz量級時，采樣率需要達(dá)到20GHz以上，因此模數(shù)變換器是示波器的核心器件，此外,高速采樣必定需要大容量高速儲存,因此對儲存器的接見延緩、接見帶寬提出了更高的要求。硬件都不是理想的，多多少少都會存在失真,都會存在非線性，因此示波器往常需要各種各種的賠償,在示波器技術(shù)中，當(dāng)前應(yīng)用最多的是采納DSP技術(shù)進(jìn)行頻域、時域的賠償。經(jīng)過賠償，能夠拓寬前向通道的帶寬，經(jīng)過校訂能夠濾除寬帶引入的隨機噪聲。因此，DSP技術(shù)在示波