微型虛擬示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

微型虛構(gòu)示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)微型虛構(gòu)示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)接觸USB總線已經(jīng)有5年左右的時(shí)間了，剛接觸USB時(shí)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(jì)了一些數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)以及信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)，主要應(yīng)用于虛構(gòu)測(cè)試。這里我想總結(jié)一下我從前設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的微型虛構(gòu)示波器，并對(duì)示波器的關(guān)鍵技術(shù)作一下簡(jiǎn)單總結(jié)。實(shí)物展現(xiàn)微型虛構(gòu)示波器一共設(shè)計(jì)了三版,下列圖是一個(gè)穩(wěn)固版本?？偟膩?lái)說(shuō)體積仍是相當(dāng)小的，技術(shù)指標(biāo)也還能夠，能和一臺(tái)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(shí)現(xiàn)阻抗般配、信號(hào)衰減以及程控放大.上位機(jī)的測(cè)控軟件鑒于Labview平臺(tái),軟件界面以下列圖所示，Labview經(jīng)過(guò)CLF接口接見(jiàn)動(dòng)向鏈接庫(kù),進(jìn)而操作硬件系統(tǒng)。點(diǎn)擊看原圖虛構(gòu)示波器的硬件部分達(dá)成信號(hào)獲得，實(shí)質(zhì)為一個(gè)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。軟件部分達(dá)成信號(hào)辦理，定義詳細(xì)儀器的功能。假如只要要顯示時(shí)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(jì)實(shí)現(xiàn)的微型虛構(gòu)示波器指標(biāo)以下:1、鑒于USB總線,無(wú)需外面電源，即插即測(cè);2、體積小，80mm×65mm，一般人手掌大小；3、±5V（1:1示波器探頭）雙極性信號(hào)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(shí)現(xiàn)單通道80MHz采樣率,雙通道40MHz采樣率;7、單通道64K板載儲(chǔ)存器，雙通道32K板載儲(chǔ)存器，而且程控調(diào)理儲(chǔ)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(jí)采樣頻次程控選擇；11、WDM驅(qū)動(dòng)程序,合用于WINDOWS98/2000/XP操作系統(tǒng)；12、采納DLL動(dòng)向連結(jié)庫(kù)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(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)源探頭進(jìn)行阻抗般配，設(shè)計(jì)的輸入阻抗為1MR/20PF。般配以后的信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)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(jì)到必定程度以后，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)USB接口批量傳輸至PC，測(cè)控軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行辦理、顯示。要點(diǎn)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(jì)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(dú)立采樣模式.在該模式中，雙通道ADC對(duì)各自的通道獨(dú)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(huì)顯示雙通道的獨(dú)立信號(hào)。在這類(lèi)模式下,每通道的數(shù)據(jù)采樣率決定于ADC的實(shí)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(hào),兩個(gè)通道的采樣脈沖相位差180度，雙通道獲得的信號(hào)經(jīng)過(guò)PC軟件進(jìn)行交錯(cuò)聚合，輸入一個(gè)通道的信號(hào)。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(duì)周期信號(hào)進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)相移采樣脈沖，采樣多個(gè)周期下的信號(hào)波形，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低采樣率下的高速信號(hào)獲得。本設(shè)計(jì)實(shí)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(hào)頻次帶寬75MHz，內(nèi)置基準(zhǔn)點(diǎn)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(shí)質(zhì)采樣率能夠達(dá)到80Msps,可是需要供給一個(gè)相差180度的采樣時(shí)鐘信號(hào)，為了防止邏輯門(mén)電路帶來(lái)的延時(shí),系統(tǒng)沒(méi)有采納非門(mén)實(shí)現(xiàn)采樣時(shí)鐘，而是經(jīng)過(guò)JK觸發(fā)器產(chǎn)生兩路同頻反相的時(shí)鐘信號(hào)。（二)無(wú)源衰減網(wǎng)絡(luò)示波器的一大特色在于信號(hào)的動(dòng)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(duì)大信號(hào)進(jìn)行衰減，為了使得在寬頻的信號(hào)范圍下，信號(hào)不產(chǎn)生畸變，一般采納無(wú)源阻容分壓器。阻容分壓器考慮輸入信號(hào)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(wú)源衰減網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上為一個(gè)均衡電橋，在一般的無(wú)源示波器探頭中都存在一個(gè)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(hào)衰減率就與頻次沒(méi)關(guān)了，因此能夠在一個(gè)較寬的頻帶范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)固定的信號(hào)衰減.(三）程控放大無(wú)源衰減網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)輸入至程控放大器，程控放大器采納美國(guó)德州儀器企業(yè)生產(chǎn)的FET輸入寬頻運(yùn)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(shí)現(xiàn).經(jīng)過(guò)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(guó)德州儀器企業(yè)（TI）生產(chǎn)的FET輸入高阻寬帶運(yùn)放,常用作寬頻光電檢測(cè)放大器，測(cè)試丈量?jī)x器前置放大器.(四）儲(chǔ)存系統(tǒng)在示波器技術(shù)中，儲(chǔ)存技術(shù)起到了要點(diǎn)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(chǔ)存芯片常常都要示波器廠商自己設(shè)計(jì).因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的采樣頻次不是很高，因此能夠采納IS61C256靜態(tài)RAM作為儲(chǔ)存介質(zhì)，此外經(jīng)過(guò)CPLD中的邏輯電路達(dá)成儲(chǔ)存的時(shí)序接口。(五）USB通訊接口USB通訊接口采納了D12+AT89S52的設(shè)計(jì)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(jì)需要設(shè)計(jì)固件程序、驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序所需的DLL動(dòng)向鏈接庫(kù)。對(duì)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(jì)資料：Tiloog’sblogfortechnology供給了USB固件源碼,此外，computer00也供給了好多對(duì)于usb的設(shè)計(jì)事例及資料)示波器設(shè)計(jì)心得該微型虛構(gòu)示波器已經(jīng)設(shè)計(jì)多年了，設(shè)計(jì)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(jì)的要點(diǎn),因?yàn)楫?dāng)時(shí)USB通訊設(shè)計(jì)仍是特別熱點(diǎn)的事情，不簡(jiǎn)單將USB通訊搞通。數(shù)據(jù)收集也有必定的挑戰(zhàn)性,因?yàn)椴蓸勇市枰_(dá)到80Msps,另一個(gè)有難度的就是前向通道，可是,設(shè)計(jì)之初沒(méi)有對(duì)前向通道投入足夠的時(shí)間，不過(guò)做了簡(jiǎn)單設(shè)計(jì),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(shí)來(lái)講，示波器設(shè)計(jì)的核心在于前向通道、模數(shù)變換這兩塊，對(duì)于單臺(tái)儀器來(lái)講通訊接口問(wèn)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(hào)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(duì)著大動(dòng)向范圍、寬頻的挑戰(zhàn)，這是示波器設(shè)計(jì)的核心。模數(shù)收集也十分重要，跟著頻次的提高,對(duì)模數(shù)變換提出了更高的采樣率需求，當(dāng)輸入信號(hào)在10GHz量級(jí)時(shí)，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(chǔ)存,因此對(duì)儲(chǔ)存器的接見(jiàn)延緩、接見(jiàn)帶寬提出了更高的要求。硬件都不是理想的，多多少少都會(huì)存在失真,都會(huì)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(shí)域的賠償。經(jīng)過(guò)賠償，能夠拓寬前向通道的帶寬，經(jīng)過(guò)校訂能夠?yàn)V除寬帶引入的隨機(jī)噪聲。因此，DSP技術(shù)在示波