（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）可程控數(shù)字存儲示波器的設(shè)計.pdf

疆華大學(xué)磺 研究生論文 3 l c d 顯示控制電路設(shè)計 采用s 3 c 4 4 b o x 內(nèi)置的l c d 控制器 驅(qū)動2 5 6 級色彩的彩色l c d 顯示屏 具有3 2 0 2 4 0 點陣的分辨率 l c d 控制器使用專用 的l c d c d m a 把要顯示的數(shù)據(jù)信息輸入顯存 在不用c p u 參與的情況下 自動 傳輸顯存的視頻數(shù)據(jù)到l c d 控制器 4 串行通訊接口設(shè)計 采用s 3 c 4 4 b o x 的u a r t 接口 通過m a x 3 2 3 2 串行異 步收發(fā)器 實現(xiàn)與p c 機(jī)的r s 2 3 2 接曰通訊 本系統(tǒng)是a r m f p g a 的系統(tǒng)架構(gòu) 基于共享存儲器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 一方面系統(tǒng) 同時具有了a r m 處理器的低功耗和f p g a 的靈活性的特點 另一方面 基于共享 存儲器的結(jié)構(gòu) 使我們從高速a d 轉(zhuǎn)換器過來的數(shù)據(jù)直接存儲到系統(tǒng)的內(nèi)存中 使數(shù)據(jù)采集的效率大幅度的提高 本設(shè)計在開發(fā)低價的 性能指標(biāo)相對較高的 數(shù)字存儲示波器產(chǎn)品方面 做了 個有益的嘗試 為進(jìn)一步的研究打下了基礎(chǔ) 關(guān)鍵詞 數(shù)字存儲示波器 數(shù)模轉(zhuǎn)換 雙端舀r 麟 彩色l c d i i 疆華大學(xué)碩士研究生論文 d e s i g no fp r o g r a m c o n t r o l l e dd i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e t h es p e c i a l t yo f p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s m a s t e rs o n gj i a n f i n g t u t o ry a n g j i n g c h a n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i cm e a s u r i n gt e c h n o l o g y m e a s u r i n g t e c h n o l o g yi sg e a r e dt oa u t o m a t e d i n t e l l i g e n ta n dn e t w o r kd i r e c t i o n s d i g i t a ls t o r a g e o s c i l l o s c o p ea st h ei m p o r t a n tm e a s u r i n ga p p a r a t u si sw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s n o wt h et e c h n o l o g yo fd i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p ei sm o r ea d v a n c e do v e r s e a s a n d o c c u p i e st h eg r e a tm a j o n t yo f m a r k e t s oi ti si n d i s p e n s a b l et od e v e l o pd i g i t a ls t o r a g e o s c i l l o s c o p eo u r s e l v e s i nt h i s s u b j e c t w ea d o p ta r m f p g as t r u c t u r e w e w i l ld i s c u s st h e s e c o r r e l a t i v ep r o b l e m sb a s e di nt h i ss t r u c t u r e t h es y s t e mi n c l u d e st w os u b s y s t e m s d a t aa c q u i r i n gs y s t e ma n dd a t ap r o c e s s i n gs y s t e m t h ed a t aa c q u i r i n gs y s t e mi st h e k e yo ft h ed e s i g no fd i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e i tc o m p l e t e dt h ec o n v e r s i o nf r o m a n a l o gs i g n a lt od i g i t a ls i g n a l t h a ti sa n a l o gs i g n a le n t e ri n t h ea dt h r o u g h c o n d i t i o n i n gc h a n n e la n dc o n v e r ti n t od i g i t a ls i g n a l t h e nt h e s ef i g u r e sa l ed e p o s i t e d i nb u f f e rr a m t h ed i 昏t a lp r o c e s s i n gu n i tb a s e di nt h ea r m p r o c e s s o r a c t st h e m o s ti m p o r t a n tc h a r a c t e ri nt h ed a t ap r o c e s s i n gs y s t e m t h em a i nj o bo ft h ed a t a p r o c e s s i n gs y s t e mi sr e a d i n ga c q u i r e dd a t af r o mb u f f e rr a m p r o c e s s i n g a n d c a l c u l a t i o n t h ea c q u i r e dd a t aw i l ls h o w0 1 1t h el c da saw a v e t h em a i na t t r i b u t i o n so f t h ep a p e ri n c l u d e 1 t h ed e s i g no f t h ed a t aa c q u i r i n gs y s t e m t h ed a t aa c q u i r i n gs y s t e mi st h ek e y o f t h eo s c i l l o s c o p e w h i c hc o n v e r t sa n a l o gs i g n a lt od i s t a ls i g n a l a tf i r s tt h ep r i m a r y g r a d el e v e la t t e n u a t i o ns i g n a la m p l i f i e rm a k e st h es i g n a li nt h ec o n f o r m a b l er a n g e t h e nt h es i g n a lw i ub et r a n s m i t t e dt ot h ea d cu n i t t h es i g n a lw h i c hf i n i s h e s a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r s i o nw i l lb es t o r ei nt h ed u a l p o r tr a m i i i 舔華大學(xué)碾士磷究生論文 2 t h ed e s i g no fa r mc o n t r o l l e rs y s t e m t h ea r m m i c r o p r o c e s s o rs y s t e mi s t h ek e yo ft h ed a t ap r o c e s s i n gs y s t e m w h i c hc o n n e c t st h ed a t a p r o c e s s i n gs y s t e m a n dl c dm o d u l e i tp l a y sa sa l li m p o r t a n tr o l e i nt h eo v e r a l ls y s t e m t h e r ea r e s e v e r a lt a s k st h ea r m m i c r o p r o c e s s o rs y s t e mh a st od o r e c o v e rt h ea c q u i r e dd a t a i n t ow a v e f o r ma n dd i s p l a yi to nt h el c d r e s p o n s et ot h ei n t e r r u p t i o no ft h e k e y b o a r d a n a l y s i st h ek e yw o r d sa n dt h e nc h a n g et h em e n uo nt h el c d s e n d c o n t r o ls i g n a l st ot h ed a t aa c q u i r i n gs y s t e ma n dc o n t r o lt h ed a ma c q u i r i n gs p e e d i ti s a l s or e s p o n s i b l et ot h es e r i a le o m m t m i c a t i o n s 3 t h ed e s i g no fl c dc o n t r o lc i r c u i t b a s e di nt h es 3 c 4 4 b o xe m b e d d e dl c d c o n t r o b w ed r i v ea2 5 6l e v e lc o l o rl c d m o d u l e t h es c r e e n s i z ei s3 2 0 2 4 0d o t s t h el c dc o n t r o l l e rh a sd e d i c a t e dl c d c d m a w h i c hs u p p o r t st of e t c ht h ei m a g e d a t af r o mv i d e ob u f f e rl o c a t e di ns y s t e mm e m o r y 4 t h ea e s i g no fs e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e b a s e di nt h es 3 c 4 4 b o x e m b e d d e du a r t w ec a l lc o m m u n i c a t ew i t hp ct h r o u g ht h em a x 3 2 3 2 a s y n c h r o n o u ss e r i a lt r a n s c e i v e r t h es y s t e mi sb a s e do nt h es t r u c t u r a ld e s i g no fs h a r e dm e m o r yw i t ha r m f p g as y s t e m sa r c h i t e c t u r e t h e r ea l et w of e a t u r e si nt h es y s t e m a r mp r o c e s s o r s l o wc o s ta n dt h ef p g a f l e x i b i l i t y b a s e do nt h es h a r e dm e m o r ys t l m c t u r e t h ed a t a f r o mt h eh i g h s p e e da d cc a l lb es t o r e di nt h es y s t e m sm e m o r yd i r e c t l y t h e e f f i c i e n c yo fd a t aa c q u i s i t i o ni ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d t ot h ed e s i g no fl o w c o s t r e l a t i v e l yh i g hp e r f o r m a n c ed i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p ep r o d u c t s t h ep a p e r h a sm a d e au s e f u la t t e m p t a n d 斑ed e s i g nm a k e ss o m ea c h i e v e m e n tf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e a d c d u a l p o r tr a m c o l o rl c d 西華大學(xué)碩士研究生論文 聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得西華大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使 用過的材料 與我一同工作的同志對本研究工作所作的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了 明確的說明并表示謝意 本學(xué)位論文成果是本人在西華大學(xué)讀書期間在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的 論文 成果歸西華大學(xué)所有 特此聲明 s 具2 7 高速模擬通道的衰減放大技術(shù) 高速a i 轉(zhuǎn)換采樣技術(shù) 基于共享f p g a 片內(nèi) m 的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 基于a r m 處理器的高速數(shù)據(jù)運(yùn)算處理技術(shù) 高分辨率彩色l c d 顯示技術(shù) 1 3 論文章節(jié)安排 第一章緒論介紹數(shù)字示波器發(fā)展現(xiàn)狀及分類 敘述了數(shù)字示波的相關(guān)優(yōu)點 介紹了當(dāng)前示波器市場的格局和國內(nèi)示波器產(chǎn)品發(fā)展存在的差距 最后給出了課 題研究的主要內(nèi)容 第二章討論了系統(tǒng)設(shè)計方案的選擇 給出了系統(tǒng)頂層結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和關(guān)鍵 器件的選擇方案 第三章討論數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 包括模擬信號的調(diào)理單元 a d c 單元 雙端園r 燧高速數(shù)據(jù)傳輸接口 時基電路和地址發(fā)生器的設(shè)計方案 第四章討論數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計 包括電源電路 晶振電路 存儲器電 路等 第五章討論數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件設(shè)計 第六章介紹了本論文的成果和不足 并陳述了未來研究的內(nèi)容 4 疆華大學(xué)碩士研究生論文 第二章系統(tǒng)總體方案設(shè)計 本課題是一個典型的實時信號處理系統(tǒng) 本章從實時信號處理系統(tǒng)的功能 結(jié)構(gòu)入手 介紹了數(shù)字存儲示波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)頂層設(shè)計 然后給出了各個功能模 塊的關(guān)鍵器件的選擇方案 2 1 系統(tǒng)設(shè)計方案的選擇 數(shù)字存儲示波器的設(shè)計通常有如下三種技術(shù)方案 印g a q d s p 的結(jié)構(gòu)方案 f p g a d s p 的結(jié)構(gòu)方案 這是目前數(shù)字存儲示波器采用的較為成熟的 方案 且靈活性強(qiáng) 同時也對數(shù)字示波器具有魁好的繼承性 數(shù)字存儲示 波器是一種多參量測試兼有大量數(shù)據(jù)處理和分析功能的測試儀器 采用 d s p 正是因為其極強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力 其次 數(shù)字存儲示波器是一個較為 復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng) 許多功能需要較為復(fù)雜的數(shù)字電路來共同完 成 面f p g a 高度集成性 內(nèi)部豐富的邏輯資源及外圍i o 資源提高了系 統(tǒng)的集成度 增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性 同時其特有的靈活性也為系統(tǒng)提供了 不斷升級和完善的硬件保障 基于s o p c 的結(jié)構(gòu)方案 在f p g a d s p 的結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計中 我們采用的d s p 芯片和f p g a 芯 片是不同公司的產(chǎn)品 要分別單獨設(shè)計 這樣就面臨了新的問題 一方面 就是d s p 和f p g a 之間的通信協(xié)議問題 d s p 必須通過f p g a 中的總線仲裁 單元實現(xiàn)與外設(shè)的通信 降低了的工作效率 另一方面 多的芯片在電源 供電 功耗 體積 開發(fā)環(huán)境等各個方面增加了開支 而基于s o p c 的結(jié) 構(gòu)方案選用a l t e r 公司的器件 采用片上系統(tǒng)技術(shù)透過在f p g a 中植入嵌 入式系統(tǒng)處理器n i o s 作為核心控制電路 利用f p g a 中的可編程邏輯資源 和i p 軟核來構(gòu)成該嵌入式系統(tǒng)處理器的接口功能模塊 借助于a v a l o n 總 線 實現(xiàn)對外圍模擬通道 高速a d 轉(zhuǎn)換器 r a m l c d 顯示器 鍵盤等 硬件的控制 f p g a a r m 的結(jié)構(gòu)方案 器華大學(xué)碩士研究生論文 近年來基于a r m 內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)的3 2 位r i s e 微處理器 以簡單的設(shè)計 高 效的指令集的優(yōu)勢 微型化 低功耗 高性能 高可靠性的微處理器實現(xiàn)引起 了業(yè)界的關(guān)注 目前 a r m 微處理器系列在各種信號處理系統(tǒng)中獲得了廣泛的 應(yīng)用 基于a r m 技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了3 2 位r i s c 微處理器7 5 以 上的市場份額 a r m 技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個方面 f p g a a r m 結(jié) 構(gòu)最大的特點是結(jié)構(gòu)靈活 有較強(qiáng)的通罱性 適于模塊化設(shè)計 從而能夠提高 算法效率 同時其開發(fā)周期較短 系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展 實時信號處理 在數(shù) 字存儲示波器系統(tǒng)中 低層的信號預(yù)處理算法處理的數(shù)據(jù)量大 對處理速度的 要求高 但運(yùn)算結(jié)構(gòu)相對比較簡單 適于用進(jìn)行f p g a 硬件實現(xiàn) 這樣能同時兼 顧速度及靈活性 高層處理算法的特點是所處理的數(shù)據(jù)量較低層算法少 但算 法的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜 適于用運(yùn)算速度 高尋址方式靈活 通信機(jī)制強(qiáng)大的a r m 微處理器芯片來實現(xiàn) 基于s o p e 的結(jié)構(gòu)方案具有最高的集成度 但嵌入式系統(tǒng)處理器n i o s 的設(shè) 計成本較高 相對于d s p 處理器 a r m 芯片具有更高的性價比和更強(qiáng)的控制性 能 綜合考慮 本課題選擇了第三種 f p g a a r m 的結(jié)構(gòu)方案 f i g u r e2 it h es 1 1 u c t u r ed i a g r a mo f d s o 圖2 1 數(shù)字存儲示波器系統(tǒng)框圖 6 瑟華大學(xué)碩士研究生論文 本數(shù)字存儲示波器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)上分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩部 分 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心部分 它完成由模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn) 換 蠢p 模擬信號經(jīng)調(diào)理通道后進(jìn)入a d 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 再將這些數(shù)字量存入緩 存器r a m 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是以a r m 處理器為中心的數(shù)字運(yùn)算處理單元 主要 完成讀入緩存器 蝴中的采集數(shù)據(jù) 并進(jìn)行計算處理 最后送去顯示 系統(tǒng) 的總體結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示 f p 現(xiàn)場可編程門陣列 芯片是 種特殊的a s i c 芯片 屬于可編程邏 輯器件 它是在p a l g a l 等邏輯器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 同以往的p a l g a l 等相比較 f p g a 規(guī)模比較大 適合于時序 組合等邏輯電路應(yīng)用場合 它可以 替代幾十甚至上百塊通用i c 芯片 這樣的f p g a 芯片實際上就是一個子系統(tǒng)部 件 這種芯片具有可編程性和實現(xiàn)方案容易改動的特點 由于芯片內(nèi)部硬件連 接關(guān)系的描述可以存放在磁盤 r o m p r o m 或e p r o m 中 因此在可編程門陣列 芯片及外圈電路保持不動的情況下 換一片存儲器芯片 就能實現(xiàn)一種新功能 可編程邏輯器件是一種用戶根據(jù)需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路 它 的基本設(shè)計方法是借助于e d a 軟件 用原理圖 狀態(tài)枧 布爾表達(dá)式 硬件描 述語言等方法 生成相應(yīng)的目標(biāo)文件 最后再由編程器和下載電纜 用目標(biāo)器 件來實現(xiàn) 這種利用器件邏輯結(jié)構(gòu) 由用戶配置來實現(xiàn)任何組合邏輯和時序邏 輯功能的器件 最初被視為分立邏輯電路中和小規(guī)模集成電路的替代物 隨著 設(shè)計技術(shù)和制造工藝的完善 器件性能 集成度 工作頻率等指標(biāo)不斷提高 f p g a 的應(yīng)用范圍越來越廣 目前它已成為數(shù)字a s i c 設(shè)計的主流嘲 本系統(tǒng)設(shè)計中采用a l t e 烈公司的c y c l o n e 系列f p g a 產(chǎn)品 c y c l o n e 系列 f p g a 基于成本優(yōu)化的全銅1 5 vs r a m 工藝 容量從2 9 1 0 至2 0 0 6 0 個邏輯單元 具有多達(dá)2 9 4 9 1 2 b i t s 嵌入r a m c y c l o n ef p g a 支持備種單端i o 標(biāo)準(zhǔn)如斟t 孔 l v c m o s p c i 和s s t l 一2 3 通過l v d s 和r s d s 標(biāo)準(zhǔn)提供多達(dá)1 2 9 個通道的差分 i o 支持 每個l v d s 通道高達(dá)6 4 0 m b p s c y c lo n e 器件具有雙數(shù)據(jù)速率 d d r s d r a m 和f c r a m 接口的專用電路 c y c l o n ef p g a 中有兩個鎖相環(huán) p l l s 提供六 個輸出和層次時鐘結(jié)構(gòu) 以及復(fù)雜設(shè)計的時鐘管理電路州 基于這些高效架構(gòu)特性的組合 設(shè)計中選擇了該系列中e p l c 6 t 1 4 4 8 器件 西華大學(xué)碩士研究生論文 器件內(nèi)部有9 2 1 6 0 b i t s 的r a m 我 利用它做成了雙口r a m 存儲a d 的采樣的 數(shù)據(jù) 供a r m 處理器運(yùn)算處理 這樣 不僅節(jié)約了成本 還提高了速度 而且 地址發(fā)生 觸發(fā) 時基等電路都做在芯片內(nèi)部 大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力 時基電路的設(shè)計利用器件內(nèi)部的鎖相環(huán) p l l 和全局時鐘網(wǎng)絡(luò) 進(jìn)行系統(tǒng)的時 鐘管理和偏移控制 應(yīng)用p l l 同步內(nèi)部器件時鐘 減小的時鐘延遲和時鐘偏移 減小了時鐘到輸出 t c o 和建立 t s u 時間 e p l c 6 t t 4 4 8 的i o 支持l v d s 電壓接口標(biāo)準(zhǔn) 實現(xiàn)了數(shù)據(jù)高速傳輸 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的核心我們選擇了s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 處 理器s 3 c 4 鵝o x 它為手持設(shè)備和 般類型應(yīng)用提供了高性價比和高性能的微控 制器解決方案 為了降低成本 s 3 c 4 4 b o x 提供了豐富的內(nèi)置部件 包括 8 k b c a c h e 內(nèi)部s r a m l e d 控制器 帶自動握手的2 通道u a r t 4 通道d m a 系統(tǒng)管理器 片選邏輯 f p e d s d r a m 控制器 代用p w m 功能的5 通道定 制器 i o 端口 r t c 8 通道1 0 位a l e i i p b u s 接口 i i s b u s 接口 同 步s i o 接口和p l 乙倍頻器 s 3 c 4 4 b o x 采用了a r m 7 t d m i 內(nèi)核 0 2 5 u r n 工藝 的c m o s 標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲編譯器 它的低功耗精簡和出色的全靜態(tài)設(shè)計特別 適用于對成本和功耗敏感的應(yīng)用 同樣s 3 c 4 4 b o x 還采用了 種新的總線結(jié)構(gòu) 即s 煳b a i 王 三星a r mc p u 嵌入式微處理器總線結(jié)構(gòu) s 3 c 4 4 8 0 x 的杰出特性 是它的c p u 核 是畝a r m 公司設(shè)計的1 6 3 2 位a r m 7 t d m 王r i s c 處理器 6 6 m h z a r m 7 t d m i 體系結(jié)構(gòu)的特點是它集成了t h u m b 代碼壓縮器 片上的i c e 斷點調(diào) 試支持 和一個3 2 位的硬件乘法器劃 s 3 c 4 必o x 通過提供全面的 通用的片上外設(shè) 大大減少了系統(tǒng)電路中除處 理器以外的元器件配置 從而最小化系統(tǒng)的成本 我們利用外部存儲器控制器 s d r 娥的支持 擴(kuò)展了一片s d r a m 芯片 l e d 控制器支持2 5 6 色s t n 我們擴(kuò)展 了一塊3 2 0 2 4 0 的2 5 6 色l e d 模塊 并且通過專用的d m a 高速傳輸經(jīng)處理后 的波形數(shù)據(jù) 通過器件的u a r t 異步串行通訊 控制器 擴(kuò)展了r s 2 3 2 的串行通 訊接口 西華大學(xué)碩士磷究生論文 第三章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是示波器的核心部分 它完成由模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn) 換 包括前級衰減放大電路完成信號的調(diào)理 將輸入信號變成可以 直接被a d c 接收的信號 再由a d c 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 最后將數(shù)字量存入r a m 中 系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)如圖3 一l 所示 一 a d kf p g a 礦 f i g u r e3 1t h es m l c m r ed i a g r a mo f d a t aa c q u i r es y s t e m 圖3 1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖 圖3 1 中 無源衰減網(wǎng)絡(luò) 前級放大器 低通濾波器 及阻抗變換器都屬 于模擬信號的調(diào)理單元 f p g a 芯片內(nèi)部的地址發(fā)生器 觸發(fā) 時基等電路 控制信號的采樣 觸發(fā)和數(shù)字信號數(shù)據(jù)的存儲 3 l 基礎(chǔ)原理和技術(shù) 數(shù)字存儲示波器需要將外部真實世界的模擬信號以波形的形式顯示在l c d 液晶屏幕上 這個信息的流入流出過程需要將模擬信號進(jìn)行采樣 量化 存儲 再經(jīng)過波形抽值 插值以及各種運(yùn)算處理 最后在屏幕上顯現(xiàn)出來 這部分討 論示波器工作中涉及的基本原理和技術(shù) 3 1 1 采樣原理閶 外界各種物理量都是以模擬信號的形式表現(xiàn) 不易進(jìn)行存儲和處理 麗數(shù) 字信號就完全克服了這些不足 同時數(shù)字信號可以無失真的恢復(fù)原始信號 這 也是模擬信號所不具備的優(yōu)點 在數(shù)字存儲示波器中無論是記憶體中存儲的信 疆華大學(xué)碩 研究生論文 號還是c p u 中處理的信號都是數(shù)字形態(tài)的 這就需要將外界的模擬信號進(jìn)行實 時采樣 變換成易存儲和處理的數(shù)字信號 在通信原理中我們曾經(jīng)學(xué)過 一個頻帶限制在 0 f h 赫茲內(nèi)的時間連 續(xù)信號m t 如果以t l 2 穰秒的間隔對它進(jìn)行等間隔抽樣 則瑤 專 將被所 得到的抽樣值完全確定 換句話就是說 以兩倍于被抽樣信號以上的頻率對其 進(jìn)行抽樣 就可以完全無失真地恢復(fù)如被抽樣信號 采樣定理全過程如圖3 2 所示 m t m 洚 一v 一 茸 一 t 基 d t 2 鰳 m t 一夏 蠢t 玉4 舂 7 j t a 1 一 f i g u r e3 2t h ep r o c e s so f s a m p l et h e o r y 圖3 2 采樣定理過程 至此 我們完全相信任何情況下此定理都會成立 但是在對示波器進(jìn)行設(shè) 計與研究時會出現(xiàn)與香農(nóng)采樣定理相違背的情況 如圖3 3 所示 從圖中可以 看出 當(dāng)使用兩倍于信號頻率的采樣時鐘時 信號頻率確實可以恢復(fù) 使用適 當(dāng)?shù)牟ㄐ沃亟ㄋ惴ㄎ覀兛梢缘玫脚c原始波形十分相像的波形 但是 當(dāng)我們采 用同樣的采樣時鐘而將采樣點選在和原來略為不同的時刻 不在信號的峰值點 采樣 這樣一來信號的幅度信息就會嚴(yán)重失真 甚至可能完全丟失 事實上 如果采樣點準(zhǔn)確地取在信號的過零點 那么由于所有的采樣值均為零 我們將 完全觀測不到任何信號 出現(xiàn)這樣的情況是由于香農(nóng)采樣定理主要是針對通信 應(yīng)用領(lǐng)域 而并非針對于示波器的 1 0 西華大學(xué)碩士研究生論文 采樣予輸入 信號峰值處 信號熏建波形 采樣子輸入信 號零值點附近 信號重建波形 挲i 辮i 薹磬 l 辮i 鬻i 霞攀 愁 之 l f a 滲l l o i 鎏i l l 譽(yù) o 霧 黲o lf譽(yù) o薹 iol 爹參 j j01 j i爹譽(yù)ij 爹謄j ij j 爹譬i 攀 i i j 爹 愛 鎏 i i 攀鎏 攀蜜瑟 l 薰i 鬻l i 灞套籌 攀警 l j l 爹 攀 爹l 鬈 l i l 甕 i 爹 l 一j j i 囂j 參 一攀 j 淫i 謄j 鬻漤爹 o 簟謄 0 蒸0 一 一 氣0 奄 一 4 d 0 示波器是用來研究信號的 為了很好的研究出信號不僅要求正確的表示信 號的頻率 而且還要求準(zhǔn)確地表示信號波形的幅度 如果每個周期用三個采樣 點進(jìn)行采樣 則再現(xiàn)的波形也會發(fā)生很大的失真 如圖3 4 所示 f i g u r e3 4s a m p l i n ga tt e r n a r ys i g n a lf r e q u e n c y 圖3 4 三倍頻率采樣 根據(jù)經(jīng)驗通常認(rèn)為每周期最少要有十個采樣點才能給出足夠的信號細(xì)節(jié) 但在有些情況下 對信號的細(xì)節(jié)要求低一些 這時每周期取五個采樣點就可以 滿足給出的有關(guān)信號特征 實際使用中便攜式數(shù)字存儲示波器所采用的實時采 樣頻率為被測信號最高帶寬的4 1 0 倍 本論文所討論的數(shù)字存儲示波器最高 a d 采樣率為2 5 0 m h z 而如果輸入信號模擬帶寬很低時 這樣無論每周期五個 還是十個采樣點都能夠滿足要求 但我們可以采用內(nèi)插的方法改善至每周期只 磷華大學(xué)碩士研究生論文 要5 個采樣點就能很好的重建波形 這樣對于最大采樣率為2 5 0 m h z 的示波器面 言 能準(zhǔn)確采集到的最大信號頻率便提高到了5 0 m h z 以上所討論的都屬于實時采樣的范疇 所謂實時采樣就是每 個采樣點都 是按照一定的時間次序來采集的 這樣波形數(shù)據(jù)采集的次序和采樣點在屏幕上 出現(xiàn)的次序是相同的 這是模擬示波器所必須遵守的準(zhǔn)則 但是對于數(shù)字存儲 示波表而言就不同了 因為可以對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲 利用這一點可以實 現(xiàn)等效時間采樣 如圖3 q 所示 在很多應(yīng)用場合 實時采樣方式所提供的時間分辨率仍然不能滿足工作的 要求 被測試的信號通常是重復(fù)性的 即相同的信號圖形按有規(guī)則的時間間隔 重復(fù)地出現(xiàn) 對于這些信號來說 示波器可以從若干連續(xù)的信號周期中采集到 多組采樣點來構(gòu)成波形 每一組新的采樣點都是由一個新的觸發(fā)事件來啟動采 集的 每一次觸發(fā)后都只采集信號波形的一部分 這就是等效時間采樣 這種 方法可以用比較低的采樣速率采樣到較高頻率的信號 3 1 2 波形插值算法刪 所謂插值就是在兩個采樣點之間插入一個或多個數(shù)值的過程 目的就是使 采樣值所表現(xiàn)出來的波形或圖像更加平滑和優(yōu)美 在現(xiàn)實生活中我們經(jīng)常遇到 的有波形插值和圖像插值 比如在聲音的數(shù)字處理過程中就可以采用波形插值 來提高聲音的音質(zhì) 在數(shù)字圖像處理過程中可以采用圖像插值來提高圖像的平 滑度 清晰度和色彩飽和度 在數(shù)字示波器中 實現(xiàn)外界信號數(shù)字化的關(guān)鍵就是信號采樣 但是由于 a d c 模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的采樣速率有限 或者說不可能每個信號周期都采樣凡十個 數(shù)據(jù)點 那么當(dāng)每個周期只有幾個采樣點時 波形就顯得比較粗糙 為了使波 形顯示的平滑和完整 就必須通過有效的內(nèi)插濾波進(jìn)行插值處理 插值算法是 函數(shù)逼近的一種重要方法 插值是確定某個函數(shù)在兩個采樣值之間的數(shù)值時采 用的運(yùn)算過程 內(nèi)插濾波可以看作是信號采樣的逆過程 波形插值通常是利用 曲線擬合的方法 通過離散的輸入采樣點建立一個連續(xù)的函數(shù) 用這個重建的 連續(xù)函數(shù)便可以求出任意位置處的函數(shù)值 如今有很多已經(jīng)成熟的內(nèi)插算法 比如線性插值 取樣函數(shù)內(nèi)插 拉格朗 1 2 囂華大學(xué)碩 磷突生論文 日插值 有理插值 牛頓插值 埃爾米特插值等 在本課題設(shè)計中 我們采用 了取樣函數(shù)內(nèi)插算法 其特點是簡單 易實現(xiàn) 速度快 在采樣定理中 對帶限信號進(jìn)行時域采樣則會使模擬信號離散化 同時其 頻譜會在頻域無限擴(kuò)展焉成為無限帶寬信號 如圖2 2 所示 麗在插值過程中 對抽樣信號進(jìn)行低通濾波使其僅保留低頻信號 在時域進(jìn)行波形內(nèi)插 從而恢 復(fù)出原始軎 模擬信號 其內(nèi)插公式 3 1 如下 x t 奎c 刪鬻篡搿 3 1 式中t s l f s 從公式可以看出 在 一 范圍內(nèi)對各個采樣值進(jìn)行內(nèi)插計算 就可以恢復(fù)出原始信號x t 但是 一 這樣的計算范圍太大了對于 實際應(yīng)用來說是不可能實現(xiàn)的 因此 我們只能在實踐中采取近似的計算方法 通常是采用帶加權(quán)窗函數(shù)的取樣函數(shù)來實現(xiàn) 這樣就既能有效的對插值進(jìn)行計 算 又能夠大大減少數(shù)據(jù)的計算量 加窗后的內(nèi)插重建公式 3 2 如下 刪 釜 t s 篙器刪 3 式中t s i f s w f 胛 是加權(quán)函數(shù) 由于s i n c 函數(shù)有快速雙邊遞減特性 加上我們進(jìn)行的信號處理要求實時 性強(qiáng) 速度快 所以在本系統(tǒng)中取n 4 只考慮內(nèi)插點左右兩邊各4 位序列值 即采用八階隨感鼙法 這樣就己經(jīng)能達(dá)到較好的內(nèi)插性能和精確度 3 1 3 觸發(fā)原理h 溯 模擬示波器中 適當(dāng)觸發(fā)的波形有預(yù)知的 重復(fù)的起點 能夠在屏幕上顯 示穩(wěn)定的圖形 波形上的觸發(fā)點通常采用電壓電平或者正 負(fù)斜坡 觸發(fā)電平 決定在觸發(fā)點發(fā)生觸發(fā)的電壓電平 觸發(fā)斜坡確定波形上升或下降郄位是否產(chǎn) 生觸發(fā) 由于只有當(dāng)觸發(fā)信號出現(xiàn)后才產(chǎn)生掃描鋸齒波 處理被測信號 因此 只能觀測觸發(fā)點以后的波形 在數(shù)字示波器中 也依靠觸發(fā)信號在屏幕上顯示 穩(wěn)定波形 但是與模擬示波器不同的是即使無觸發(fā)信號 數(shù)據(jù)采集是一直在工 西華大學(xué)碩士磷究生論文 作的 這樣就繪觀測觸發(fā)點以前的波形提供了可能 由此可見 觸發(fā)就是指開始處理波形的條件 因為觀測人員需要的顯示波 形的條件是多種多樣的 所以觸發(fā)也就有很多種 大致來講 根據(jù)觸發(fā)信號的 來源不同 可i 以分為內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā) 根據(jù)觸發(fā)機(jī)制不同 可以分為同步觸發(fā) 預(yù)觸發(fā)和后觸發(fā) 根據(jù)觸發(fā)邊緣不同 可以分為上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā) 根 據(jù)觸發(fā) 事件的不同 又可以分為狀態(tài)觸發(fā) 毛刺觸發(fā) 時間限定觸發(fā)等 i 廠 一 廠 廠 jji 7 專 冬 觸發(fā)點 觸蹬點 觸發(fā)點 正確觸發(fā)后 的顯示波形 l 廠 k 一 f i g u r e3 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f t r i g g e r 圖3 5 觸發(fā)工作原理圖 觸發(fā)信號處理模塊主要功能是為高速a d c 數(shù)據(jù)存儲模塊提供觸發(fā)信號 由 于示波器的波形顯示的特點是在連續(xù)的波形中分段截取并顯示 如圖3 5 所示 觸發(fā)后的一段時間內(nèi) 觸發(fā)電路不能繼續(xù)工作 以免出現(xiàn)混亂 所以需要觸發(fā) 閉鎖信號 觸發(fā)閉鎖信號使得結(jié)束一次掃描后的一段時間內(nèi) 觸發(fā)電路不能工 作 3 2 模擬信號的調(diào)理單元 數(shù)字存儲示波器要顯示信號波形首先要對模擬信號進(jìn)行采樣 所謂采樣就 是對模擬信號進(jìn)行量化的過程 而量化過程實際上存在著許多限制 首先 它 要受到量化范圍的限制 由于a d 總有一定的輸入量程 超出了該量程 轉(zhuǎn)換 1 4 甄華大學(xué)碩士磅究生論文 結(jié)果就會出現(xiàn)很大的誤差 例如 信號如果超出了上限 那么a d 只能給出最 大碼值 反之 如果超出了下限 只能給出最小碼值 這樣 采樣結(jié)果就會相 對于模擬信號產(chǎn)生很大的畸變 不能有效的反映真實的信號信息 模擬信號的 調(diào)理單元就是對模擬信號的幅僮做相應(yīng)的衰減和放大 使輸入信號幅值大小恰 好在a d 輸入量程范圍內(nèi) 同時 在信號的傳遞過程中 受高速模擬通道中元 件的寄生參數(shù) 電源噪聲和p c b 板上的高頻串?dāng)_等的影響 信號產(chǎn)生了失真 我們設(shè)計了低通濾波器盡可能地濾除這些干擾 對于傳感器輸出為電壓模擬量 的數(shù)據(jù)采集場合中 理想的情況是采集系統(tǒng)對測試電路近似為開路 因此采集系 統(tǒng)的輸入阻抗通常做到很大 即模擬通道信號的對地阻抗很大 我們設(shè)計的阻抗 變換器就是增大通道的輸入阻抗 減少對被測試電路的影響 3 2 1 無源衰減網(wǎng)絡(luò) 無源衰減網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中 通過不同分壓電阻阿絡(luò)的實現(xiàn)多輸入信號的1 倍 l o 倍 1 0 0 倍或是1 0 0 0 倍的衰減 信號的耦合方式有直流和交流兩種 直流方 式信號直接接入 交流方式通過一個電容c 2 濾除信號的直流成分 不同網(wǎng)絡(luò)的 選擇 通過不同繼電器組的開通關(guān)斷組合來實現(xiàn) 如圖3 嵋贗示 f i g u r e3 6n o n a c t i v ea t t e n u a t i o nn e t w o r k 1 5 囂燕警大學(xué)碩 研究生論文 圖3 2 無源衰減黼終圖 高頻模擬信號豹衰減電路分李廳常耀麴電阻分壓靛衰減邀路在高頻情況下將 會失效 因為在高頻信號通過時 電阻器件的寄生電感茅鬟寄生電容導(dǎo)致信號發(fā)生 穗移 失真 使衰減倍率不準(zhǔn)確 為與電阻上麴寄生參數(shù)檁抵消 使信號不畸變 保證衰減電路的增益平坦度 通常采用毫阻電容分壓電路 以圖3 書中1 0 髂衰 減瞻路為鍘進(jìn)行分析 其等效的嬲絡(luò)如圖3 7 所示 c 3 f i g u r e3 毫n o n a c t i v ea t t e n u a t i o nn e t w o r ko f 0 l 鰳 圖3 71 0 倍衰減電路圖 圖孛 c 羔 l 幫貔 墟分剃是電輟囂王和怒懿寄生?？蛶图纳姼?媯 c 4 是我們外接的補(bǔ)償電容 電阻r 1 的阻抗z l 如下式 i 所示 掣巒一恥鵬 茂 越l 十去1 越印礎(chǔ)g 同理計算 電阻r 2 的阻抗趁如下式 i i 所示 1 6 i i 一矗器塵鵬 再 l 1 一 志吾率一鷴 k 夕一 竺鵬陂一蹙 疆華大學(xué)碩 研究生論文 輸入電壓1 1 和輸出電壓u 的衰減比 如下式 i i i 所示 豁2 一 掰1 r 2 歹碼 1 f 而1 f j w r 2 c 2 甜2 i l 2 c 巧2 瓦 i i 皇 一 f1 1 1 r c 冼 r 十 拋乙 一一7 l 歹 捉c 1 0 3 2 三l gl 歹紅墩2 g 一功2 l 2 c 1 當(dāng)輸入電壓u j 的頻率較低時 c 3 一不起作用 各電容容抗很大 均相當(dāng)于 開路 寄生電感很小面相當(dāng)于短路 因此衰減比取決于電阻比 竺址 墨2 j 一 列 rl r2 1 0 2 當(dāng)輸入電壓u 的頻率增加時 寄生參數(shù)的影響增加 電阻逐漸呈現(xiàn)出 電感或電容特性 在電路中體現(xiàn)為島t c l 2 lr i 2 碰 l 1 j 擾1 此時z l z 2 主要取決于外接電容和寄生電感 忽略寄生電感的作用 調(diào)整外接 電容的大小 使墨q r q 衰減比還可以很接近只 墨 恐 實驗證明 通過外接電容c 3 容值的調(diào)節(jié) 能夠大大增強(qiáng)高頻信號的通過 性 增益衰減的準(zhǔn)確性在較大的頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定 3 2 1 前級放大器 前級放大器的設(shè)計 我們選擇了a d i 公司的a d 8 1 2 9 芯片 它是一款具有高 帶寬 高無雜敖動態(tài)范圍 低噪聲和低失真度的差分放大器 對高頻信號 具 有很高的共模抑制比 a d 8 1 2 9 的主要特征參數(shù)如下嘲 輸入電壓噪聲為4 5 n v 4 h z 2 0 0 m h z 的 3 d b 帶寬 增益g 1 0 壓擺率為1 0 6 0 v p s 共模抑制比 鍘r r 9 4d bm i n d ct o1 0 0k h z 8 0d bm i n 2 姍z 7 0d b 1 0m i l z 1 7 殛華大學(xué)碩士磺究生論文 輸入阻抗為1 m r 2 失真度是l v p 呻 5m l q z 電路的連接如下圖3 8 所示 通過外接電阻r i r 2 r 3 r 4 實現(xiàn)了1 倍 2 倍和5 倍的增益 f i g u r e3 8d i f f e r e n t i a la m p l i f i e ro f a d 8 1 2 9 圖3 8a d 8 1 2 9 組成的差分放大器 3 2 2 低道濾波器和阻抗變換器 我們選擇了m a x i m 公司的淞x 4 l1 8 芯片 構(gòu)成低通濾波器和阻抗變換器 m a x 4 11 8 是內(nèi)部有甄個電流反饋型運(yùn)算放大器 具有4 0 0 m h z 的帶寬 s 0 8 封裝 具有極低的功耗 我們利用一個運(yùn)算放大器 組成了二階有源低通濾波器 另 外 個運(yùn)算放大器構(gòu)成 個電壓跟隨器 實現(xiàn)阻抗變換 具體的電路連接 如 圖3 書所示 圖中u 2 a 為濾波器部分 u 2 b 是電壓跟隨器部分 囂華大學(xué)碩士研究生論文 3 2 2 1 低通濾波器 為聞 f i g u r e3 9l o w p a s sf i l t e ra n dv o l t a g ef o l o w e r 圖3 9 低通濾波器和阻抗變換器 圖湖電路中 當(dāng)c 1 c i c 時 墨 滅時 低通濾波器的傳遞函數(shù) 令 j i 取代s 且令中心頻率z l 2 兀r c 得出電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式 為 令上式分母的模近似等于 互 可解得通帶截止頻率厶 o 3 7z 當(dāng) c 2 0 礦時 r 3 0 0f 2 時 利用 瓶s 蹦9 仿真的結(jié)果如圖3 1 0 所示 在 4 2 6 7 1 m h z 時 衰減了2 4 5 5 d b 隨后的以 4 0 d b 1 0 倍頻的斜率衰減 在8 0 m h z 處衰減為1 0 d b 有效濾除了高頻干擾 滿足了本儀器的設(shè)計要求 1 9 西華大學(xué)碩士研究生論文 f i g u r e3 1 01l p fe 瑾岫l 蚯o nf i g u r e 圖3 1 0 低通濾波器仿真圖 3 2 2 2 阻抗變換器 利用示波器進(jìn)行測試的場合中 理想的情況是測試儀器對被測電路可以近 似為開路 因此要求示波器的輸入阻抗通常做到很大 即模擬通道信號的對地阻 抗很大 比如1 0 k q 在信號采集通道中 核心是a d 轉(zhuǎn)換器 而a d 轉(zhuǎn)換器的信 號輸入端會有一定的直流偏移電流 通常是u a 量級或n a 量級 這樣的偏移電流 作用在l m q 的對地阻抗上 將產(chǎn)生不可忽略的直流偏移電壓 為解決上述問題 在對地電阻與a d 轉(zhuǎn)換器之間加入阻抗變換環(huán)節(jié) 我們利用m a x 4 11 8 另外一個運(yùn) 放單元 構(gòu)成了電壓跟隨器 實現(xiàn)阻抗變換 電壓跟隨器具有很高的輸入阻抗 輸入阻抗很小 連接電路圖如圖3 9 所示 3 3a d c 單元 a d c 是示波器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件 它的性能往往直接影響整 個系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo) 由于系統(tǒng)采樣速率主要取決于a d c 的轉(zhuǎn)換時間和分相數(shù) 而a d c 的垂直分辨率又決定了系統(tǒng)的分辨率 因 比m c 的正確選擇決定著整 個系統(tǒng)的技術(shù)性能 a d c 單元設(shè)計中 我們選擇了a d i 公司最新推出的8b i t 模 數(shù)轉(zhuǎn)換器 a d c a d 9 4 8 0 3 3 1k d 9 4 8 0 介紹n 們 a d 9 4 8 0 具有2 5 0 煅p s 轉(zhuǎn)換速率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率 8b i t 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度 支持 謠華大學(xué)碩士研究生論文 低電壓差分信號 l v d s 方便了與f p g a 芯片的連接 其功能結(jié)構(gòu)圖如如圖3 1 1 所示 它的基本特征參數(shù)描述如下 微分非線性誤差 d n l o 2 5l s b 積分非線性誤差 i n 乙 o 2 6 乙s b 3 3 v 單端電源供電 3 o v a 3 6v 超低功耗 5 9 0 r o w 2