1、1数字存储示波器研究目的、背景数字存储示波器是随着数字集成电路技术的发展而出现的新型智能化示波器，已经成为电子测量领域的基础测量仪器。随着新技术、新器件的发展，它正在向宽带化、模块化、多功能和网络化的方向发展。数字存储示波器的优势是可以实现高宽带及强大的分析功能。现在高端数字存储示波器的实时带宽已达到 20GHz，可以广泛用于各种千兆以太网、光通讯等测试领域，而低端数字存数示波器几乎可以应用于国民经济各个领域的通用测试，同时可广泛应用于高校及职业学校的教学，为社会培养众多的后备人才。数字存储示波器是现代测试领域中重要的测量工具，是电子测量中最常用的一种仪器，主要应用于时域测试，特别适用于观察、
2、测量、记录各种瞬时物理现象，并以图形方式显示其与实践的关系。示波器直观的显示效果有助于被测对象深入理解。从物理学家到电视维修人员，许多行业人员都需要使用示波器，汽车工程师使用示波器来测量发动机的震动，医生使用示波器测量脑电波等等，示波器的用途是非常广泛的。众多优点使得数字存储示波器在电子测量领域获得了广泛的应用。数字存储示波器的基础是数据采集，其设计技术可以应用于更广泛的数据采集产品中，具有深远的意义。国内外概况和发展趋势从二十世纪八十年代初模拟示波器开始像数字化转型开始，至2今已发展了三十多年，数字示波器在几个关键性能指标上已经有了很大的提高，目前市场上已经出现了带宽 20GHz，实时采样速
3、率高达 50GS/s 的泰克公司 DP070000 系列数字荧光示波器（美国） ，以及带宽 15GHz，实时采样率达 40GS/s 的 TDS6000 系列数字存储示波器，此外另一家示波器生产商安捷伦科技也推出了带宽 13GHz，实时采样率 40GS/s 的 80000BInfiniium 系列高性能示波器。国内对数字存储示波器的研制始于二十世纪八十年代初，限于当时的条件，其采样速率值很低，在九十年代国外数字存储示波器迅猛发展的背景下，我国的一些研究所、院校开始开始投入更多的经费致力于数字存储示波器的研发。目前在与国外测试测量巨头的博弈中，示波器领域的本土企业已取得一些突破。中国仪器界崛起的生
4、力军的代表普源精电，于 2006 年初推出一款性能卓著的紧凑型数字存储示波器 DS1000 系列。DS1000 系列在性能不仅全面超过国外同类产品，打破了在这个领域国外产品一统天下的局面，同时又在原产品上大胆创新，使 DS1000 系列成为数不多体积小巧、功能强大、性能卓越的低端数字示波器，弥补了国内空白。但是与国外相比，国内示波器的采样率仍然不高，实时带宽也不够，所以在很多测试领域中的应用受到了限制。无论是国内还是国外，设计带宽更高的模拟通道，采样速率更高的采集系统始终是整个示波器设计的主旋律。在整个行业对数据速率极限永无止境的挑战过程中，示波器一直承担着系统设计和错误排除等应用中最为重要的
5、任务。模拟带宽频率更高，不断满足行3业测试新标准，功能集成趋势明显，这是示波器未来的发展趋势。随着电子产业不断引入新兴技术和标准，示波器也正在不断进化发展以应对层出不穷的新挑战。主要研究内容1、数字存储示波器的基本原理。2、高速数据采集、存储、回放电路的设计。3、本设计以高速 A/D 转换器 TLC5510 为核心，利用 CPLD 产生高速的逻辑控制器件控制高速 A/D 芯片采样转换，并利用双口RAM 存储数据、回访波形。研究阶段、进度及完成时间第一阶段：储备知识以及拿出初步设计方案 2009-12-102010-03-02第二阶段：设计电路、计算参数 2010-03-032010-03-09
6、 第三阶段：编写毕业论文（初稿及二稿） 2010-03-102010-03-29第四阶段：论文定稿、设计完成 2010-03-302010-04-11第五阶段：准备答辩 2010-04-112010-04-204论文摘要本系统基于单片机最小系统，以高速模数转换器 TLC5510 为核心，利用 CPLD 构成高速逻辑控制器件控制高速 A/D 芯片采样转换和双口 RAM 存储数据、回放波形。本系统主要由七个子模块电路构成：前级程控放大电路、TLC5510 高速采样电路、基于 CPLD 的高速逻辑控制电路、数据存入与读出的双口 RAM 电路、AD7523 D/A 转换电路、触发电路、单片机最小系统。
7、系统实现了单/双踪显示、多触发方式、波形存储等多种功能。系统硬件设计应用了 EDA 工具，软件设计采用模块化编程方法。关键字：程控增益放大 高速模数转换器 数模转换器 双口 RAM CPLD5Abstract The system is based on the smallest microcomputer systems to high-speed ADC TLC5510 the core, using a high-speed CPLD logic control device control the high-speed A / D conversion and dual-port sa
8、mpling chip RAM to store data, playback waveform. This system is mainly constituted by seven sub-module circuits: the former level programmable amplifier, TLC5510 high-speed sampling circuit, CPLD-based high-speed logic control circuits, data entry and read out of dual-port RAM circuit, AD7523 D / A
9、 converter circuit, trigger circuit , SCM minimum system. System implementation of the single / double-trace display, multi-trigger, waveform storage and other features.System hardware design applied to EDA tools, software design, modular programming method.Key words: ProgrammableGainAmplifier High-
10、Speed ADCDAC Dual-port RAM CPLD6数字存储示波器的设计与实现引言 近年来，随着科学技术的发展，数字存储示波器以其高精度、高性能在示波器家族中脱颖而出。它使得示波器不仅能收集和显示信息，而且能计算和分析信息，还能根据预先编好的程序进行微分、积分、平均、平方根、有效值等多种运算，并能自动校准、纠错以及自动进行数据交换等。与传统模拟示波器相比，数字存储示波器不仅具有可存储波形、体积小、功耗低，使用方便等优点，而且还具有强大的信号实时处理分析功能。因此，数字存储示波器在科学研究和工程计算中大有全面取代模拟示波器之势。但是，目前数字示波器的研究在国内尚属起步阶段，数字示波器
11、在我国还主要依靠进口，且价格昂贵，因而阻碍了我国电子及相关行业的发展。借于此，提出了一种简易数字存储示波器的设计方案，经测试，性能优良。下面对数字存储示波器的总体方案设计和模块电路设计及软件设计分别作详细讨论。7第一章 绪论1.1 数字存储示波器概述1.1.1 基本概念数字存储示波器是通过模数转换和数据取样进行工作的数字示波器。数字存储示波器是利用 A/D 转换把被测模拟信号变为数字信号，然后存入存储器中，需要显示的时候，将存储器中存储的内容调出，通过相应的 D/A 转换恢复为模拟信号显示。在数字存储示波器中得到显示波形要经过图 1-1 所示的数据流。图 1-1 数字存储示波器数据流程图信号调
12、理主要是对被测输入信号在幅度与偏移方面进行线性处理，使信号在垂直方向上处于 A/D 转换器的输入范围内；现在的新产品一般提供增益细调能力。触发产生电路根据操作者设定的触发条件确定什么时候采集模数转换后的信号点数据值。信号边沿是最基本的触发条件。模数转换电路在给定采样时钟的节拍下把输入的模拟信号转换为离散的数据值；在数字存储示波器中，A/D 转换器始终以最高取样率进行工作。信号采集电路把模数转换后的信号点数据值存储到采集存储器中。8波形重组电路根据示波器水平设置及触发点与采集时刻的时间差把采集存储器中的信号点在水平方向上重定位（与显示屏幕上的像素列对应） ，存储到波形存储器中。波形显示电路以波形
13、存储器中信号点数据值为 Y 轴坐标，以信号点所在像素列为 X 轴坐标，在显示缓冲存储器中画出波形（波形光栅化） ，并通过显示扫描电路把波形显示到屏幕。波形分析部分针对波形存储器中的信号数据进行波形参数测量等进一步的处理。可以看出，波形存储器的波形数据不只用于波形送显，同时也用于波形分析。1.1.2 数字存储示波器原理数字存储示波器，它是用 A/D 转换器把模拟信号转换成数字信号，然后存在存储器 RAM 中，需要时将 RAM 中存储的内容调出，通过相应的 D/A 转换器，再恢复成模拟量显示（图 1-2） 。在这种示波器中信号处理与信号显示功能是分开的，它的性能主要取决于进行信号处理的 A/D、R
14、AM 和微处理器的性能。由于采用 RAM 存储器，可以快写数据慢读数据，使得即使在观察缓慢信号时也不会有闪烁现象。使用数字存储示波器不仅可以观察周期性重复信号、超低频信号，而且也能够观察非周期的单次的或随机的信号。这是因为数字存储示波器可以采用实施采样，即每隔一个采样周期取样一次，所以可以观测非周期信号。9图 1-2 数字存储示波器原理框图1.2 数字存储示波器工作原理1.2.1 工作原理数字存储示波器不是将波形存储在示波管内的存储栅网上，而是存在存储器中，因而存储时间可以无限长。实际上数字存储示波器是一种既有实时观察功能，又有波形存储能力，同时又具有信号处理能力和电路分析功能的高精确度、操作
15、简单、可以通过计算机进行程序自动测量的高智能化示波器。数字存储示波器主要利用 A/D 转换技术和数字存储技术来工作，它能迅速捕捉瞬变信号并长期保存。数字存储示波器首先对模拟信号进行高速采样以获得相应的数字数据并存储，存储器中存储的数据用来在示波器的屏幕重建信号波形；然后利用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算，从而获得所需要的各10种信号参数；最后，示波器根据得到的信号参数绘制信号波形，并对被测信号进行实时、瞬态分析，以便用户了解信号质量，快速准确地进行故障诊断。1.2.2 工作方式1 数字存储示波器的功能 数字存储示波器的随机存储器RAM 按功能可分为信号数据存储器、参考波
16、形存储器、测量数据存储器和显示缓冲存储器四种。信号数据存储器存放模拟信号取样数据；参考波形存储器存放参考波形的数据它采用电池供电，或采用非易失性存储器，故可以长期保存数据；测量数据存储器存放测量量与计算的中间数据和计算的结果，和一般微机化仪器的随机存储器作用基本相同；显示缓冲存储器存放现时代波形，荧光屏上显示的信息均由显示缓冲存储器提供。2 触发工作方式 数字存储示波器的触发方式包括常态触发和预置触发两种方式1）常态触发 常态触发是在存储工作方式下自动形成的，同模拟示波器基本一样，可通过面板设置触发电平的幅度和极性，触发点可处于复现波形的任何位置及存储波形的末端，触发点位置通常用加亮的亮点来表示。2）预置触发 预置触发即延迟触发，是认为设置触发点在复现波形上的位置，它是在进行预置之后通过微处理器的控制和计算功能来实现的。由于触发点位置的不同，可以观测到触发点前后不同区段上的波形，这是因为数字存储示波器的触发点只是一个存储的参
