簡易多功能數(shù)字存儲示波器(蔡天 林立 蘇鑫)

1、簡易多功能數(shù)字示波器參賽學校： 武漢大學參賽隊員： 蔡天林立蘇鑫時間：2007-7-27賽前輔導教師：黃根春 張望先 文稿輔導教師：黃根春 徐大敏摘要本系統(tǒng)基于數(shù)字示波器基本原理，以8051單片機和FPGA組成的最小系統(tǒng)為控制核心；系統(tǒng)的頻率范圍為1Hz2.8MHz，使用高速ADC芯片對任意波形信號進行采樣量化，并在模擬示波器上顯示，同時能對信號的基本參數(shù)進行數(shù)字測量，其中頻率誤差優(yōu)于0.1，幅度誤差優(yōu)于5；通過FPGA對量化值進行FFT運算，實現(xiàn)了對輸入信號的頻譜分析；此外，本系統(tǒng)還可以利用傅立葉變換的性質(zhì)對雙通道輸入的兩路信號進行相位差測量，誤差小于0.5o；實現(xiàn)周期信號的失真度測量，誤差

2、小于1；系統(tǒng)的顯示輸出采用模擬示波器和128*64點陣液晶相結合的方式，連續(xù)可調(diào)電位器和3*8鍵盤為輸入接口，故系統(tǒng)波形顯示清晰，操作簡單，界面友好。關鍵詞：示波器FFT失真度測相AbstractThe system, mainly controlled by the combination of MCU 8051and ALTEAs Cyclone FPGA, is based on the elements of Digital Oscillograph. All kinds of signal with the frequency fewer than 2.8MHz can be sam

3、pled by ADC chip AD9051 and AD197. The data of sampling is operated under FFT, with a result of the frequency spectrum of the input signal. Addition, the system also can measure the phasic difference, with the precision fewer than. We adopt the analog oscillograph and 128*64 dot-matrix LCD screens a

4、s export equipment, 3*8 keyboards and adjustable resistance as import equipment. People will find easy to handle the system with clear display and friendly interface.Keyword: oscillographFFT Audibility of Distortion 目錄摘要1Abstract1目錄2一、方案論證與選擇31題目任務要求及相關指標的分析32方案的比較與選擇3二、系統(tǒng)總體設計方案及實現(xiàn)方框圖5三、理論分析與計算51、采樣

5、速率52、幅度控制53、波形的數(shù)據(jù)處理及相關參數(shù)測量54、快速傅立葉變換及誤差6四、主要功能電路的設計61、輸入信號放大與采樣量化電路62、同步采樣時鐘產(chǎn)生電路73、水平垂直div調(diào)節(jié)電路74、模擬示波器顯示電路7五、系統(tǒng)軟件的設計7六、測試數(shù)據(jù)與分析81使用儀器及型號82測試方案83測量數(shù)據(jù)及結果分析8七、總結分析與結論91、題目要求完成情況92、調(diào)試總結9八、附錄101、電路原理圖102、參考文獻11一、方案論證與選擇1題目任務要求及相關指標的分析(1)題目要求儀器的輸入阻抗大于100k，我們可以使用一級射級跟隨器或者同相放大器來實現(xiàn)；垂直刻度為8div，分辨率為32級/div，要求設置0

6、.01V/div、0.1V/div、1V/div三檔垂直靈敏度，誤差5%，即直流檔時輸入信號電壓范圍為-4V+4V，交流檔時輸入信號峰峰值范圍為0V8V，但為了能使用0.01V/div和0.1V/div檔來清晰的觀察小信號波形，所以需要根據(jù)輸入信號的電壓幅度的大小來對其進行適當放大或縮小，以適合ADC的采樣和量化；水平刻度為10div，分辨率為20點/div，要求設置0.2s/div、0.2ms/div、20s/div三檔掃描速度，儀器的頻率范圍為DC50kHz，誤差5%，考慮極限情況，使用20s/div檔，采樣周期為1s，即此時采樣頻率為1MHz，對于0.2s/div和0.2ms/div，我

7、們可以使用1MHz的采樣頻率，然后在下抽樣，也可以分別使用100Hz和100KHz的采樣頻率。（2）題目要求儀器具有單次觸發(fā)存儲顯示方式和連續(xù)觸發(fā)存儲顯示方式，觸發(fā)電路采用內(nèi)觸發(fā)方式，要求上升沿觸發(fā)、觸發(fā)電平可調(diào)，單次觸發(fā)，即每按動一次“單次觸發(fā)”鍵，儀器在滿足觸發(fā)條件時，能對被測周期信號或單次非周期信號進行一次采集與存儲，然后連續(xù)顯示；連續(xù)觸發(fā)，即儀器能連續(xù)對信號進行采集、存儲并實時顯示，且具有鎖存（按“鎖存”鍵即可存儲當前波形）功能。同時要求具有水平移動擴展顯示功能，要求存儲深度增加一倍，并且能通過操作“移動” 鍵顯示被存儲信號波形的任一部分。該部分要求主要軟件部分實現(xiàn)，包括波形存儲和波形

8、簡單線性運算。（3）增加雙蹤示波功能，能同時顯示兩路被測信號波形。這就要求系統(tǒng)有兩路高速ADC對兩路信號進行采樣，或使用多路復用器來實現(xiàn)通道轉換。（4）對于其它要求部分，我們計劃增加FFT頻譜分析和雙蹤信號相位測量的功能。2方案的比較與選擇（1）輸入信號采樣量化方案一：等效采樣法。使用等效采樣法的前提是被測信號是周期出現(xiàn)的，因此，為了重建原信號，可以每一個周期內(nèi)等效地等間隔地抽取少量的樣本，最后將多個周期抽取的樣本集合到同一個周期內(nèi)，這樣就可以等效成在一個被測信號周期內(nèi)采樣效果。該方案的優(yōu)點是采樣頻率不需要太高，與被采樣信號頻率相當即可，缺點是要求被測信號是周期的，而且采樣過程較慢，比較耗時。

9、方案二：同步采樣法。為了排除等效采樣的缺點，我們可以利用鎖相環(huán)將被測信號的頻率和信號采樣頻率鎖定成一定的比例關系，例如采樣頻率是被測信號的20倍頻。該方案的的優(yōu)點是采樣點與被采樣信號是嚴格同步的，便于FFT運算，進行頻譜分析，缺點是需要采樣信號頻率整數(shù)倍的時鐘信號，實際電路較為復雜，抗干擾較難處理。方案三：固定頻率采樣。根據(jù)題目要求，設定采樣頻率為1MHz、100KHz和100Hz三個固定頻率。這樣就使電路簡單，同時也便于根據(jù)題目要求進行顯示，即每20點每div。比較上述方案，我們采用方案三設定示波器的顯示采樣頻率，使用方案二設定頻譜分析和相位測量時的采樣頻率。（2）觸發(fā)電平的調(diào)節(jié)方式選擇方案

10、一：數(shù)字方法。即使用按鍵來調(diào)節(jié)觸發(fā)電平，使用軟件方法實現(xiàn)，該方案不需要外圍電路，實現(xiàn)簡單，但操作不直觀。方案二：模擬方法。使用可調(diào)電位器調(diào)節(jié)某點電壓，并用ADC采樣量化到控制部分，依次作為觸發(fā)電平調(diào)節(jié)的依據(jù)。該方案需要模擬電路配合，電路復雜，但操作較為直觀。為了簡化系統(tǒng)的復雜性，我們采用方案一。（3）顯示方式方案一：單路DAC輸出。使用一路DAC芯片輸出所要顯示的波形，而用于掃描的鋸齒信號由模擬方式產(chǎn)生，具體方法是首先用比較器得到與顯示波形同頻的方波，再由積分電路得到鋸齒波，這也就是顯示所需的掃描信號。該方案硬件電路復雜，且較難調(diào)試。方案二：雙路DAC輸出。原理同方案一相同，不同僅僅是掃描信號

11、同樣由另外一路DAC產(chǎn)生。該方案硬件電路較為簡單，而且實際操作時比較靈活，便于調(diào)試。綜上考慮我們采用方案二。（4）波形測量方案波形的基本測量量包括幅度（峰峰值）、頻率（周期）等，其測量方法可以分為模擬和數(shù)字兩大類：方案一：模擬方法。對于幅度測量可以真有效值轉換芯片（如AD637等）將波形有效值信息轉換為直流輸出，后級再使用AD采樣；也可以采用峰值檢波將波形幅值信息轉換為直流輸出，后級同樣用AD采樣。由以上描述可以看出，兩種方法只能分別測量有效值信息和幅度信息，而且測量精度也不是很高。對于頻率測量，模擬方法可以使用比較器將信號整形成方波，再由控制部分FPGA測量其頻率。該方法精度比較高，但電路復

12、雜，需要模擬比較器參與。方案二：數(shù)字方法。基本思想是將被測信號用高速ADC芯片轉換為數(shù)字序列，然后再根據(jù)采樣所得數(shù)據(jù)進行處理，從而得出幅度和頻率信息。綜上所述，鑒于系統(tǒng)前級有高速ADC采樣信號，所以我們使用數(shù)字測量信號的幅度信息，但為了提高測頻精度，我們采用模擬比較器法測量信號的頻率信息。（5）擴展功能頻譜分析和相位測量鑒于系統(tǒng)采用MCU8051和Cyclone系列的FPGA，有較強的控制和運算能力，所以我們可以直接將示波器前級ADC采樣所得數(shù)據(jù)進行FFT，便可以得到所測波形的頻譜信息和相位信息，所以該部分的主要方案是FFT方式，但待處理數(shù)據(jù)的獲得有以下幾種方案。方案一：直接由示波器前級的高速

13、ADC得到。該方法簡單易行，但誤差較大，由于前級高速ADC采用固定的采樣頻率，而后級進行FFT時，根據(jù)離散傅立葉變換的特性可以得到，若采樣頻率與被測信號頻率不為整數(shù)倍關系，在進行FFT變換時會出現(xiàn)頻譜泄漏等問題，影響測量精度。方案二、等效采樣法。使用等效采樣法的前提是被測信號是周期出現(xiàn)的，因此，為了重建原信號，使用采樣頻率為被測信號的（n+1）/n或(n-1)/n倍，這樣就可以只在被測信號的一個周期內(nèi)采樣一次，但每個周期內(nèi)采樣點所處的相位不同，在n次采樣后得到的n點采樣值就可以等效為用一個n倍頻時鐘去抽取信號所得采樣點。該方案的優(yōu)點是不需要很高頻率的采樣時鐘，對ADC芯片要求不高，系統(tǒng)高頻干擾

14、較小，但需要數(shù)字電路的配合，即產(chǎn)生（n+1）/n或(n-1)/n倍倍頻信號。方案三：同步采樣。同輸入信號采樣量化部分的同步采樣相同。采用改方案系統(tǒng)較為復雜，需要額外的鎖相環(huán)硬件電路，而且高速ADC的采樣時鐘為可變頻率?？紤]到測量精度的要求，我們首先排除方案一；同時為了簡化數(shù)字系統(tǒng)，而且我們選用的ADC芯片可以做到很高的頻率，不需要考慮采樣頻率的限制，所以我們采用方案三。二、系統(tǒng)總體設計方案及實現(xiàn)方框圖本系統(tǒng)主要分為輸入信號放大與采樣量化電路、同步采樣時鐘產(chǎn)生電路、水平垂直div調(diào)節(jié)電路和模擬示波器顯示電路。整體框圖如下圖所示。前級輸入信號放大與采樣電路主要由MAX308和AD811實現(xiàn)程控放大

15、，AD9051實現(xiàn)高速采樣量化；同步時鐘產(chǎn)生電路首先將輸入信號整形，再由74HC7046鎖相環(huán)倍頻，最后送到FPGA內(nèi)部處理產(chǎn)生所需的時鐘信號；水平垂直div調(diào)節(jié)電路由低速ADC芯片MAX197采樣可調(diào)電位器的電壓輸出，通過調(diào)節(jié)電位器就起到調(diào)節(jié)水平DIV和垂直DIV的效果；模擬示波器顯示電路由雙路DAC芯片DAC7801組成，其中一路DAC產(chǎn)生所要顯示的波形，另外一路DAC產(chǎn)生掃描信號。三、理論分析與計算1、采樣速率最大采樣速率是指單位時間內(nèi)完成的完整的A/D轉換的最高次數(shù)，常以頻率表示，采樣速率愈高，說明捕捉信號的能力就愈強。計算公式如下：根據(jù)題目要求的三檔掃描速度0.2s/div、0.2m

16、s/div、20s/div，將其代如上面的公式可以得出三檔所需的采樣頻率分別為：100Hz、100KHz、1MHz，本系統(tǒng)中使用到的高速ADC芯片AD9051最高采樣頻率為60MHz，滿足并超過題目要求。2、幅度控制本系統(tǒng)使用多路復用器MAX308和高速運放AD811組成程控放大電路（具體電路詳見主要功能電路的設計），由于輸入信號峰峰值最大為8V（±4V），而ADC能夠承受的最大輸入電壓峰峰值為2V（±1V），又因為我們使用差分輸入的方式，故信號最終送到采樣量化電路時峰峰值不能超過1V（±0.5V）。為了使輸入信號幅度不超過ADC芯片所允許的范圍，同時也為能充分發(fā)

17、揮ADC芯片的性能，我們對幅度較大的信號進行縮小，對幅度較小的信號進行適當放大。當輸入信號峰峰值在0.8V8V時，將信號放大0.125倍，使其范圍落在0.1V1V范圍內(nèi)；當輸入信號峰峰值在0.08V0.8V時，將信號放大1.25倍，使其范圍落在0.1V1V范圍內(nèi)；當輸入信號峰峰值在0V0.08V時，將信號放大12.5倍，使其范圍落在0.1V1V范圍內(nèi)。3、波形的數(shù)據(jù)處理及相關參數(shù)測量（1）本系統(tǒng)實現(xiàn)水平7檔div調(diào)節(jié)，分別為0.2s/div、0.02s/div、2ms/div、0.2ms/div、0.02ms/div、2s/div和0.5s/div。其中0.2s/div、0.02s/div、2

18、ms/div、0.2ms/div、0.02ms/div檔使用2MHz的采樣頻率，然后分別按適當?shù)谋壤M行下抽樣，2s/div和0.5s/div分別使用10MHz和40MHz的采樣頻率，進行采樣存儲。（2）幅度測量?；舅枷胧鞘褂密浖姆椒ㄔ诓杉降臄?shù)據(jù)中尋找最大值Amax和最小值Amin，則被測信號的幅度就為A|Amax-Amin|。系統(tǒng)中垂直div有三檔，分別為10mV/div、100mV/div和1V/div。（3）頻率測量，可分為測周期法和等精度法。測周期法主要用于測量頻率較低的信號的頻率（本系統(tǒng)中為低于10KHz），具體做法是以待測信號為門限，用計數(shù)器記錄在此門限內(nèi)的某個高頻標準脈沖個

19、數(shù)，從而確定待測信號的頻率。等精度法，這種方法和測周期法很相似，不同的是測周期法測量時間T為被測信號的一個周期，而等精度測量法的測量時間T是由人為設定和被測信號共同決定的。即，在人為設定的時間內(nèi)，閘門的開啟和閉合由被測信號的上升沿來控制，計數(shù)器真正開始計數(shù)的時刻不是預置閘門的開始時刻，而是預置閘門打開后被測信號的第一個上升沿到來的時刻；同樣閘門的關閉時刻不是預置閘門的結束時刻，而是預置閘門關閉后被測信號的第一個上升沿到來的時刻，這種計數(shù)方法叫做同步計數(shù)法。在測量時間T內(nèi)系統(tǒng)計數(shù)器同時對被測信號fx和標準脈沖信號fo分別進行計數(shù)，若兩個計數(shù)器的計數(shù)值分別為nx和no，則可計算出被測信號的頻率：由

20、上式可以得到：測量精度與被測信號頻率、閘門時間無關，因而可以保證在整個測量頻段內(nèi)的測量精度保持不變。4、快速傅立葉變換及誤差（1）本系統(tǒng)中我們采用基2時間抽取DIT的FFT算法，基本過程是利用變換核WN的對稱性，對有限長序列x(n)，n0，1，···n，不斷進行奇偶抽取，直到分解成一系列等于2的短序列，最終只需要計算長度等于2的短序列的DFT變換。FFT相對直接DFT變換的乘法改善比為：（2）在進行FFT運算時，采樣信號的頻率和采樣點數(shù)的選取對最終計算結果有很大影響。首先，若采樣頻率是信號頻率的嚴格整數(shù)（大于等于2的整數(shù)）倍，而且進行2M（M為整數(shù)）點FFT計算，

21、也就是說，參與FFT計算的數(shù)據(jù)在進行無限周期性延拓后仍是連續(xù)的，無跳變的，則計算結果就不會出現(xiàn)頻率混疊、頻譜泄漏和柵欄效應等問題；但如果采樣頻率不是信號頻率的整數(shù)倍，那么計算結果就可能出現(xiàn)頻譜泄漏和柵欄效應；如果采樣頻率小于信號頻率的2倍，計算結果就會出現(xiàn)頻率混疊問題。四、主要功能電路的設計1、輸入信號放大與采樣量化電路高速采樣電路由AD9051實現(xiàn)。AD9051為10位60MHz的高速ADC，內(nèi)置2.5V基準源，輸入電壓峰峰值范圍不能大于2.0V。具體電路如下所示。2、同步采樣時鐘產(chǎn)生電路CD74HC7046是高速CMOS鎖相環(huán)，內(nèi)部包含一個線型壓控振蕩器，兩個相位比較器和一個鎖定指示探測器

22、，具體電路見附錄。該部分電路實際上就是一個鎖相環(huán)電路，它的工作過程是：當鎖相環(huán)處在未鎖定狀態(tài)時，CD74HC7046的VCO輸出不穩(wěn)定頻率，F(xiàn)PGA將該信號進行N分頻后再輸出給CD74HC7046，而后鎖相環(huán)就將該分頻信號與輸入信號進行嚴格同步，當兩路信號到達同步時，即鎖相環(huán)到達鎖定狀態(tài)，VCO的輸出頻率也將固定下來，我們就可以使用此時VCO的輸出信號作為同步采樣的采樣時鐘。3、水平垂直div調(diào)節(jié)電路水平垂直div調(diào)節(jié)電路的設計是為了讓儀器使用人員有直觀的調(diào)節(jié)感覺，我們根據(jù)模擬示波器的調(diào)節(jié)方法改進而來。工作原理是操作者通過調(diào)節(jié)電位器來改變抽頭端的輸出電壓，ADC轉換器芯片將該電壓的改變信息送到

23、系統(tǒng)的控制部分，而后根據(jù)該改變信息對輸出顯示做出相應的改變。電壓的采樣電路由MAX197，其內(nèi)置4.096V基準源，輸入信號的峰峰值可以高達±10V。具體電路見附錄。R1、R2分別為水平div和垂直div調(diào)節(jié)電位器。4、模擬示波器顯示電路顯示電路主要由兩路DAC電路組成，使用的DAC芯片為Ti的DAC7801，其內(nèi)部集成兩路DAC輸出，12bit精度，速度可達1.2MHz。后級MAX477用來將電流轉換為電壓，其中R3、R4為輸出幅度調(diào)節(jié)電阻。具體電路見附錄。五、系統(tǒng)軟件的設計本系統(tǒng)軟件部分由單片機和FPGA組成，單片機主要完成用戶的輸入輸出處理和系統(tǒng)的控制，F(xiàn)PGA主要完成高速的處

24、理（如信號采樣和存儲）和大計算量的處理（如FFT），整個軟件系統(tǒng)的設計中模塊化思想貫穿始終，采用菜單選擇所用功能，系統(tǒng)流程圖如下：六、測試數(shù)據(jù)與分析1使用儀器及型號清華同方計算機：Pentium（R）4，1.8GHz，512M內(nèi)存，Microsoft Windows XP操作系統(tǒng)直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源：型號SG1733SB3A60M數(shù)字存儲示波器：型號Tektronix TDS1002數(shù)字信號源：型號Agilent 33120A萬用表：型號Fluke 17B2測試方案我們使用特殊波形對系統(tǒng)進行測試，即輸入正弦波、方波、三角波和鋸齒波，觀察系統(tǒng)的顯示輸出波形，同時測量每種波形的頻率、幅度和失真度，當輸

25、入兩路同頻信號時，可以測量其相位差，并與理論值比較。3測量數(shù)據(jù)及結果分析（1）頻率測量數(shù)據(jù)。輸入信號峰峰值為5V。輸入頻率正弦波三角波方波鋸齒波1Hz1.0000050.999980.999971.00000510Hz10.0003Hz10.0001Hz10.0007Hz9.9994Hz100Hz99.9997Hz99.9996Hz100.003Hz99.9996Hz1KHz999.998Hz1000.001Hz999.9996Hz999.998Hz10KHz9.9878KHz9.9981KHz9.9972KHz9.9956Hz100KHz100.00012KHz99.9985KHz100.0

26、0002KHz100.00012KHz1MHz0.999998MHz0.999999MHz0.999997MHz1.00002MHz頻率測量平均誤差優(yōu)于10-4，但在10KHz附近誤差較大，原因是我們設定10KHz為等精度測頻法與測周期法的分界點，故在其附近誤差較大。（2）幅度測量數(shù)據(jù)。輸入信號頻率為1KHz。輸入幅度正弦波50mV49.789mV500mV510.65mV1V1.047 V3V2.887V5V4.911V8V7.879V但由于采樣壞點的存在，誤差較大，平均誤差優(yōu)于5。(3)失真度測量。輸入信號幅度為5V，頻率為1KHz。波形正弦波方波三角波鋸齒波失真度理論值048.34312.11580.308實際測量值047.86112.01779.731（4）相位差測量。輸入兩路信號完全相同，且幅度為5V，頻率為1KHz。測量次數(shù)正弦波（o度）三角波（o度）方波（o度）鋸齒波（o度）10.610.3610.4720.3721.2350.2390.4150.75230.8340.8650.0360.684由于