简易数字存储示波器

1 系统总体设计方案及框图

整个系统主要分为前级程控放大电路, 采样保持电路, ADC转换电路, 比较器整形电路和检波电路, 以及波形回放电路组成。系统的总框图如图1所示。

2 理论分析与计算

2.1 等效采样分析

等效采样不是在一个信号波形上完成全部取样过程, 而是取样点分别取自若干个信号波形的不同位置, 将多个周期抽取的样本集合到同一个周期内, 就可以等效成在一个被测信号周期内采样效果。每一次完整地采样, 要采256个点, 可分为256个状态。根据要求, 等效采样频率≥200MHz我们取f=200MHz, n=1, 采样频率正好为200MHz。

2.2 水平灵敏度和垂直灵敏度分析

扫描速度含20ms/div, 2s/div, 100ns/div三档, 显示屏的刻度为8div*10div, 要求三量程采样频率为5kHz, 12.5MHz, 256MHz。垂直灵敏度含1v/div, 0.1v/div和2mv/div三档, 即要求前级的程控放大的增益变化范围至少为500倍, 故我们的前级程控放大电路分三路, 一路的放大倍数为1倍, 第二路的放大倍数为10倍, 第三路放大倍数为500倍, 足以满足要求。

3 测试结果

将系统行列扫描输出端分别与模拟示波器X轴与Y轴输入端相连, 将被测信号连接到系统输入端, 开始测试系统。测试主要内容包括:水平分辨率和垂直分辨率的测量, 信号幅值和周期的测量。

3.1 水平分辨率测量 (如表1)

3.2 垂直分辨率测量 (如表2)

4 结语

系统电压测量误差主要来源于前级信号调理电路, 被测信号是宽带宽, 高动态范围的信号, 对前级放大器要求很高, 主要是由于运放在通带内幅频特性不平坦, 以及运放级间耦合匹配以及串扰。系统频率测量的误差主要来源于等精度测频中对频标计数的±1误差。

本系统具有三档垂直灵敏度, 电压测量误差小于5%, 具有七档水平扫描速率, 周期测量误差小于0.1%。系统具有触发电平调节旋钮, 旋动该旋钮可观察到波形触发显示的起点发生改变, 即实现触发电平可调, 且只能是上升沿触发。另外, 系统还具有存储波形并能在需要时调出的功能。

摘要：本系统基于等效采样原理, 以8051单片机和FPGA组成的最小系统为控制核心, 具有实时采样和等效采样两种方式, 能以不大于1MSa/s的采样率对10Hz～10MHz范围内的周期信号进行采样显示, 并能进行单次触发和存储/调出波形。

关键词：等效采样,采样保持,数字示波器

参考文献

[1] 李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2004.

[2] 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京:北京航空航天大学出版社.

[3] Emmanuel C.Ifeachor, Barrie W.Jervis.DigitalSignal Processing, A Practical Approach, (Second Edition) .