大賽報(bào)告-數(shù)字示波器

.z數(shù)字示波器*春水喻磊王治國(guó)賽前輔導(dǎo)教師：黃根春*望先文稿整理輔導(dǎo)教師：黃根春*大敏摘要本系統(tǒng)基于等效采樣原理，以單片機(jī)為控制核心，充分利用FPGA資源，實(shí)現(xiàn)了從1Hz到10MHz波形實(shí)時(shí)采樣和輸出，同時(shí)可對(duì)波形進(jìn)展實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和連續(xù)顯示；以實(shí)用數(shù)字示波器為參照，實(shí)現(xiàn)了頻率，峰峰值的測(cè)量和顯示，其頻率測(cè)量誤差<0.1%,電壓測(cè)量誤差<3%；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了最高200MSa/s的等效采樣速率。關(guān)鍵詞：數(shù)字示波器、等效采樣英文摘要Thissystemisbasedontheequivalenttimesamplingmethod.Itusesthemicrocontrollerasthecore-contronleranddevelopstheresourceoftheFPGAfully.Itachievestheoutputfrom1Hzto10MHz.Itcanstoreandreplaythewaveform;measuresanddisplaysthefrequencywhoseinaccuracyisbelow0.1%andtheVp-pwhoseinaccuracyisbelow3%.Atlast,itcanreach200MSa/sequivalenttimesamplingrate.Keyword:digitaloscilloscope,equivalenttimesampling一、方案論證與比較1．采樣方式方案一：實(shí)時(shí)采樣。實(shí)時(shí)采樣是在信號(hào)存在期間對(duì)其采樣，如圖1.1所示。根據(jù)采樣定理，采用速率必須高于信號(hào)最高頻率分量的兩倍。對(duì)于周期的正弦信號(hào)，一個(gè)周期內(nèi)至少應(yīng)該有兩個(gè)采樣點(diǎn)。為了配合高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，必須用FPGA代替單片機(jī)準(zhǔn)確的定時(shí)控制ADC的采樣速率。以實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)采樣。方案二：等效時(shí)間采樣法。采用中高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對(duì)于頻率較高的周期性信號(hào)采用等效時(shí)間采樣的方法，即對(duì)每個(gè)周期或多個(gè)周期僅采樣一個(gè)點(diǎn)，經(jīng)過假設(shè)干個(gè)周期后就可對(duì)信號(hào)各個(gè)局部采樣一遍。而這些點(diǎn)可以借助步進(jìn)延遲方法均勻地分布于信號(hào)波形的不同位置。其中步進(jìn)延遲是每一次采樣比上一次樣點(diǎn)的位置延遲△t時(shí)間。只要準(zhǔn)確控制從觸發(fā)獲得采樣的時(shí)間延遲，就能夠準(zhǔn)確地恢復(fù)出原始信號(hào)，如圖1.2所示。圖1.2等效時(shí)間采樣示意圖圖圖1.2等效時(shí)間采樣示意圖圖圖1.1實(shí)時(shí)采樣示意圖題目要求A/D實(shí)時(shí)采樣率<1MHz,輸入信號(hào)*圍10Hz-10MHz,這里我們采用兩種方法結(jié)合的方式來滿足要求。2.觸發(fā)方式方案一：采用外部硬件電路觸發(fā)。其核心器件為比較器，當(dāng)信號(hào)大于所設(shè)比較觸發(fā)電平時(shí)，即產(chǎn)生一次觸發(fā)。但專用IC比較器在低頻段上升沿有較大毛刺，使觸發(fā)很不穩(wěn)，導(dǎo)致波形的晃動(dòng)。方案二：采用內(nèi)部軟件觸發(fā)，通過軟件設(shè)置觸發(fā)電平，軟件設(shè)置的施密特觸發(fā)器參數(shù)容易修改，可以很好的抑制比較器產(chǎn)生的毛刺。當(dāng)所采樣值大于該觸發(fā)電平時(shí)，產(chǎn)生一次觸發(fā)。由于方案二可排除硬件毛刺產(chǎn)生的干擾，觸發(fā)和波形較穩(wěn)定，且易實(shí)現(xiàn)觸發(fā)電平的調(diào)整，故采用方案二。3．頻率的測(cè)量方案一：等精度測(cè)量法在預(yù)定的閘門時(shí)間T0內(nèi)，分別用計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2同時(shí)對(duì)被測(cè)信號(hào)f*和基準(zhǔn)信號(hào)f0進(jìn)展計(jì)數(shù)，設(shè)所得值為N*和N0，則被測(cè)信號(hào)的頻率為：f*＝〔N*/N0〕*f0；參考計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)頻率的限制，選取適宜的基準(zhǔn)信號(hào)頻率和恰當(dāng)?shù)拈l門開啟時(shí)間，便可以在中高頻率的*圍內(nèi)使測(cè)頻精度不變，即等精度測(cè)量。方案二：測(cè)周法即以待測(cè)信號(hào)為門限，用計(jì)數(shù)器記錄在此門限內(nèi)的高頻標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖數(shù)，從而確定待測(cè)信號(hào)的頻率。中選定高頻時(shí)鐘脈沖而被測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)可以獲得很高的精度，而被測(cè)信號(hào)頻率過高時(shí)由于測(cè)量時(shí)間不夠會(huì)有精度不夠的問題，適用于中低頻信號(hào)的測(cè)量。本系統(tǒng)頻率*圍為10Hz～10MHz。因此我們將此頻率段分為兩段,10KHz以上，采用方案一，10KHz以下，采用方案二。以縮短測(cè)量時(shí)間。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)由前級(jí)信號(hào)處理與采集單元、控制系統(tǒng)、存儲(chǔ)模塊、輸出顯示模塊和控制面板等組成。阻抗變換電路實(shí)現(xiàn)1M歐姆輸入阻抗，信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊〔程控，加法器等〕，將模擬信號(hào)調(diào)理到0V—5V，然后通過Ma*114對(duì)信號(hào)采樣；另一方面，系統(tǒng)根據(jù)測(cè)頻模塊輸出調(diào)整可控分頻模塊，輸出采樣率為CLK的時(shí)鐘給A/D進(jìn)展實(shí)時(shí)采樣，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的跟蹤過程，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采樣；采樣的數(shù)據(jù)一方面送入RAM_Y1作列掃描用，另一方面可在外部鎖存信號(hào)下送入RAM_Y2存儲(chǔ)，并在需要時(shí)調(diào)出顯示。波形顯示模塊實(shí)現(xiàn)波形輸出;A/D采入的數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA內(nèi)的比較器可檢測(cè)出一個(gè)周期內(nèi)幅度的最大最小值之差，可求得峰峰值；鍵盤模塊為系統(tǒng)對(duì)外界接口，顯示模塊在單片機(jī)控制下顯示系統(tǒng)狀態(tài)。圖2.1系統(tǒng)總體框圖三、理論分析與計(jì)算1、等效采樣分析等效采樣是用低頻時(shí)鐘采高頻信號(hào)的一種信號(hào)采集方法，設(shè)被測(cè)周期信號(hào)f(t)的周期為T，假設(shè)將f〔t〕的一個(gè)周期T以△t等分，則在采樣時(shí)鐘周期為Tc，且Tc＝m×T△t〔m為正整數(shù)〕時(shí)，有f〔kTc〕＝f〔m×k×T＋k×△t〕＝f〔k△t〕,即在kTc時(shí)刻可實(shí)現(xiàn)對(duì)f〔t〕一個(gè)周期內(nèi)的第k△t等分點(diǎn)的采集。顯然，只要增大m，即使T很小〔信號(hào)頻率大〕，也可用比輸入信號(hào)低得多的頻率實(shí)現(xiàn)較好的采樣。按照這個(gè)理論，設(shè)此數(shù)字示波器掃描頻率為fc輸入信號(hào)頻率為fi〔一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)為fc/fi〕，計(jì)算可得采樣時(shí)鐘周期為m×T+T/(fc/fi)，調(diào)整m的值，便可使采樣時(shí)鐘頻率<1MHZ。同時(shí)，由于最高輸入頻率為10MHz，假設(shè)我們對(duì)10MHz信號(hào)一個(gè)周期采樣20個(gè)點(diǎn)，就可實(shí)現(xiàn)題目要求的200MSa/s的等效采樣率。但上面分析之△t必須<=5ns，由于我們的采樣時(shí)鐘是在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，故FPGA至少要有頻率>=200MHZ的參考時(shí)鐘。2、垂直靈敏度和前端放大倍數(shù)的實(shí)現(xiàn)垂直靈敏度和前端放大倍數(shù)成反比例關(guān)系，題目要求垂直靈敏度為1V/div，0.1V/div，發(fā)揮局部要求為0.002V/div，垂直刻度為8div。對(duì)于不同的垂直靈敏度，示波器滿度顯示時(shí)輸入信號(hào)的幅度為由于ADC的輸入電壓的峰峰值Vp-p＝5V，因此需要通過程控放大器將輸入電壓調(diào)整到ADC的輸入電壓*圍內(nèi)。我們針對(duì)3個(gè)檔位分別設(shè)計(jì)放大或者衰減電路，檔位之間的切換使用繼電器實(shí)現(xiàn)。表3.1垂直靈敏度量程垂直靈敏度〔V/div〕1V/div0.1V/div0.0002放大倍數(shù)0.6256.25312.53、掃描速度與ADC芯片的選取ADC的選取涉及以下兩個(gè)參數(shù)，ADC的位寬和轉(zhuǎn)換速率。根據(jù)題目要求，8位數(shù)據(jù)位寬，實(shí)時(shí)采樣率<=1MSa/s,應(yīng)選用ma*114。本設(shè)計(jì)中我們?nèi)∷椒直媛?0點(diǎn)/div。則對(duì)應(yīng)的掃描時(shí)間SCAN和等效采樣率關(guān)系為fc＝20/SCAN。我們?cè)O(shè)置的掃描檔位如下。表3.2掃描時(shí)間T(/div)和等效采樣率(Sa/s)關(guān)系表T100ns200ns400ns2us4us20us40us200us400us2ms4ms20ms200ms400msFc200M100M50M10M5M1M500K100K50K10K5K1K100504、波形數(shù)據(jù)的處理峰-峰值的測(cè)量掃描RAM中的波形數(shù)據(jù)，查找數(shù)據(jù)的最大值和最小值。再根據(jù)如下公式計(jì)算波形的峰-峰值：Vpp=[〔Dma*-Dmin〕/〔255/8〕]×A其中，Dma*為波形數(shù)據(jù)的最大值；Dmin為波形數(shù)據(jù)的最小值；A為垂直分辨率，單位為V/div。四、主要功能電路設(shè)計(jì)1．阻抗變換電路如附錄圖4.1,AD811寬帶高速運(yùn)放，正端輸入阻抗為1.5M歐姆，在此端并聯(lián)3M的電阻，并將運(yùn)放接成為射隨形式，可實(shí)現(xiàn)1M歐姆輸入阻抗要求。圖4.1阻抗變換電路圖4.20.625倍放大電路2．程控放大電路程控放大是通過切換繼電器實(shí)現(xiàn)的，針對(duì)3個(gè)不同的垂直靈敏度，分別實(shí)現(xiàn)3個(gè)檔位的放大倍數(shù)?！?〕圖4.2對(duì)應(yīng)這1V/div，是0.625倍的放大電路〔2〕圖4.3對(duì)應(yīng)0.1v/div,實(shí)現(xiàn)了6倍放大〔3〕題目要**現(xiàn)對(duì)幾毫伏信號(hào)的采集與實(shí)現(xiàn)，必須使用寬帶放大電路實(shí)現(xiàn)放大。如以下圖4.4,用OPA637與AD844級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)約300倍的放大。圖4.36.25倍信號(hào)放大電路圖4.4312.5倍〔49.9dB〕小信號(hào)放大3．加法器電路程控放大后的信號(hào)需經(jīng)過加法電路將電平移動(dòng)到0－5V的*圍內(nèi)，如圖4.5所示，所使用的寬頻帶集成運(yùn)放LM7171具備4100V/us的擺率，可將輸入的大幅度信號(hào)以較小的失真輸出。圖4.5加法器電路圖4.6采樣保持電路4．取樣保持電路取樣保持電路的原理圖如圖4.4所示，時(shí)鐘CLK控制開關(guān)的通斷，當(dāng)S導(dǎo)通時(shí)，輸入信號(hào)經(jīng)S向電容充電，充電完畢后，Vout=Vin;當(dāng)S斷開時(shí)，電容的電壓值在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，取樣結(jié)果也被保存。電容的漏電越小，運(yùn)放的輸入阻抗越大，Vout保持的時(shí)間越長(zhǎng)。如圖4.6所示，選用高輸入阻抗的運(yùn)放LM7171以射級(jí)跟隨器的形式實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離，模擬開關(guān)S選用TI公司的模擬開關(guān)TS12A4515，此芯片在12V供電時(shí)的最大導(dǎo)通電阻為Ron＝50歐姆，電容選用低漏電型100pF聚苯電容，于是S和電容組成的低通濾波器的截止頻率為1/(2*pi*C*Ron)>10M,即10M的輸入信號(hào)經(jīng)取樣保持電路后幅度不會(huì)下降。5．整形電路分兩段設(shè)計(jì)整形電路，整形電路將輸入的周期信號(hào)整成同頻的方波輸入FPGA進(jìn)行測(cè)頻。如圖4.7,信號(hào)進(jìn)入LM311滯回比較，可較好消除邊緣毛刺，實(shí)現(xiàn)1HZ－10K整形。如圖4.8，MA*912是高頻比較器。輸入信號(hào)經(jīng)MA*477開環(huán)放大后送入MA*912進(jìn)展滯回比較，可獲得較為理想的方波整型信號(hào)。圖4.710HZ－10K整形圖4.810KHZ-10MHZ整形6．方波校準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生電路如圖4.9所示，F(xiàn)PGA分頻出100K的占空比50％的時(shí)鐘信號(hào)，先經(jīng)過帶衰減的減法器變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，幅度穩(wěn)定在0.3V。圖4.9方波校準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生電路五、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1．內(nèi)部觸發(fā)功能采用內(nèi)部軟件觸發(fā)，通過軟件設(shè)置觸發(fā)電平，當(dāng)所采樣值大于該觸發(fā)電平時(shí)，產(chǎn)生一次觸發(fā)。2．采樣時(shí)鐘輸出模塊采樣時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。我們?cè)贔PGA內(nèi)部利用數(shù)字鎖相環(huán)倍頻出200MHZ的參考時(shí)鐘，同時(shí)充分利用FPGA編程資源實(shí)現(xiàn)<1MHz的采樣時(shí)鐘信號(hào)輸出模塊。3．軟件流程圖如圖5.1所示，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。系統(tǒng)以鍵盤為控制信號(hào)輸入端，單片機(jī)獲取控制信息后驅(qū)動(dòng)FPGA中相應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)各功能輸出，同時(shí)將各種狀態(tài)信息顯示在液晶顯示器上。圖5.1軟件流程圖六、系統(tǒng)測(cè)試1．使用的儀器及型號(hào)開發(fā)平臺(tái)：Athlon642800，Windows*P;直流穩(wěn)壓電源：SG1733SB3A60M示波器：Tektroni*TDS1002數(shù)字信號(hào)源：Tektroni*AFG3102．測(cè)試方法〔1〕將系統(tǒng)各模塊分開測(cè)試，調(diào)通后再整體調(diào)試?！?〕系統(tǒng)整體測(cè)試。FPGA及單片機(jī)程序擦寫好后，依據(jù)設(shè)計(jì)要求分別測(cè)試輸入信號(hào)頻率從10Hｚ到10MHz，幅度從8mv到8v的峰峰值、頻率等，并實(shí)現(xiàn)波形的輸出。最后測(cè)試發(fā)揮局部，實(shí)現(xiàn)題目要求。3．測(cè)試數(shù)據(jù)表6.1幅度〔輸入Vi，實(shí)測(cè)Vc〕，頻率測(cè)量(輸入Fi，實(shí)測(cè)Fc)，實(shí)測(cè)周期測(cè)量〔Tc〕(Vi,Vc都是峰峰值)Fi(HZ)110501005001K2KFc(HZ)1．00010.00050.000100.000500.000999.992.0000KTc〔us〕999.99K99.999K19.999K10.000K1.9999K1.0000K499.99VcVi=8mv7.8207.9198.1708.0448.4218.4218.17016mv15.20815.46015.46015.33015.71115.46015.208400mv391.707396.484396.484401.261401.261401.261401.261800mv788.192792.969792.969797.746797.746797.746797.7464v3.96023.96024.00704.00703.96024.00704.00708v7.89017.93697.89017.89017.89017.89017.8901Fi(HZ)10K50K100K500K1M5M10MFc(HZ)9.9997K49.9998K99.997K500.000K1.0001M5.0000M10.0000MTc〔us〕100.0020.0009.99951.99990.99980.19990.0999VcVi=8mv8.4218.1708.1698.0448.2958.1858.05816mv16.08815.96215.71115.83715.71115.71415.708400mv401.261401.261401.261401.261406.038410.815339.161800mv797.746797.746797.746797.746797.746764.308702.2074v4.00704.00704.00704.05384.05384.19414.05388v7.89017.89017.89017.89017.89017.79657.9369表6.2方波校準(zhǔn)信號(hào)頻率測(cè)量99．998KHz100．001KHz99．995KHz99．998KHz100．001KHz4．測(cè)試效果分析(1)測(cè)量信號(hào)*圍：1Hz－10MHz;儀器輸入阻抗：1M歐姆水平分辨率：20點(diǎn)/div(2)垂直靈敏檔位：1v/div,0.1v