数字示波器电子设计竞赛山东省成功参赛奖作品.docx
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数字示波器电子设计竞赛山东省成功参赛奖作品
数字示波器电子设计竞赛山东省成功参赛奖作品
摘要：
本系统是以ARM7芯片LPC2138为控制核心,由输入信号调理、触发、采样保持、采集、数据处理和波形显示等模块组成的，具有实时采样方式和等效采样方式的数字示波器。
高速A/D最高采样率可达1MSa/s，输入信号频率范围为10Hz～10MHz，实时采样速率小于等于1MSa/s,等效采样速率大于等于200MSa/s。
系统采用内触发方式，上升沿触发，触发电平可调，并且具有单次触发功能。
仪器可存储当前波形，在需要时可以调出显示，显示采用通用示波器，并且能提供频率为100KHz，幅度值为0.3V的方波校准信号。
整个系统结构清晰，满足题目要求。
关键词：
等效采样,高速A/D,ARM7，数字示波器
Abstract:
Thisdesignofdigitaloscilloscope,whichiscontrolledbyLPC2138withanARM7core,usesahigh-speedanalog-to-digitalconverterAD7821withamaxsamplingrate1MSa/s.IthasReal-timeSamplingmodeandEquivalent-timeSamplingmode,andtheReal-timeSamplingrateislessthan1MSa/s,theEquivalent-timeSamplingrateislargerthan200MSa/s.Thistwomodesmakethesystemdealtheinputsignalwithafrequencyrankfrom10Hzto10MHzfreely.Thetriggersystemhasaalterabletriggerlevel,andithasthefunctionofsinglesweep.Theoscilloscopecansavethewavedisplayedcurrently,andthesavedwavecanberecalledwhenneeded.Thewaveisdisplayedonthegeneraloscilloscope.Thesystemcanalsoprovideanadjustsquarewavewithafrequencyof100KHz,andanamplitudeof0.3V.Thewholearchitectureperformswonderfully.
Keywords:
Equivalent-timeSampling，High-speedAnalog-to-DigitalConverter,ARM7,DigitalOscilloscope
系统方案
1．1方案比较与选择
1.1.1微控制器模块
方案一：
采用FPGA作为控制器。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，非常适合本题要求；但是考虑到我们对此并不熟悉，不得不放弃此方案。
方案二：
采用单片机作为控制器。
我们选择了ARM7芯片LPC2138，集成度高、处理速度快，存储器容量大，适合本题要求。
并且我们对此芯片比较熟悉，故选用此方案。
1.1.2输入信号调理电路
方案一：
采用程控放大器AD603进行放大或者衰减，但是该器件货源短缺。
方案二：
采用继电器阵列，选择不同的反馈电阻和集成运放OP37构成标准的反向运算放大器来实现。
经试验，这种方案能够比较好的控制放大或者衰减。
因此，我们选择方案二。
1.1.3A/D转换模块
方案一：
采用高速A/D芯片TLC5510。
最高采样速率可达20MSa/s,但是本题对采样速率有限制，使用此芯片完全没有必要，故不采用。
方案二：
采用8位高速A/D芯片AD7821。
最高采样速率1MSa/s，正好满足本题要求，因此采用此芯片。
我们选择方案二。
1．2整体设计方案
我们将设计任务划分为输入信号调理电路、采样与保持电路、A/D转换电路、触发电路、键盘显示模块、显示控制模块，另外增加了语音模块、掉电保护模块。
系统框图如图1所示：
图1整体设计方案
理论分析与计算
2．1等效采样分析
等效采样是指对多个信号周期连续采样来复现一个信号波形，在这种模式下采样系统能以扩展的方式复现频率大大超过奈奎斯特极限的信号波形。
对于一个频率为fin（周期为Tin）的输入信号，采样信号频率为fs（周期为Ts）与之相近，但频率相差为Δf，周期相差为Δt，即：
（1）
对于输入信号来说，每个周期上的采样位置是递增的，每次的增量即为Δt。
这样就在信号的不同周期上取到了关于信号幅值变化的完整信息。
复现的信号虽然在频率上失真了，但是保留了信号的基本变化规律，如同一个实时采样的信号被扩展。
这时，复现一个波形的采样点数为：
（2）
采样速率为采样间隔的倒数，则等效采样速率为：
（3）
进而，如果采样信号频率与输入信号频率的1/N相近（N取自然数）：
（4）
即每N个输入信号周期采样1个点，信号波形也可被恢复。
此时，等效采样速率为：
（5）
假设输入频率为10MHz，采样时钟为800KHz的情况下，等效采样速率可达240MSa/s.此时复现一个波形采样24点。
将时基设置值为100ns/div，每格显示20个采样点，则可以求出等效时间采样速率为：
等效时间采样速率=20/100ns=200MS/s
2．2垂直灵敏度
根据题目要求，垂直分辨率为8bits，因此选用8位A/D转换器满足要求。
垂直分辨率共分为3挡，分别为1V/div,0.1V/div,2mV/div。
为了满足发挥部分2mV/div的要求，前级放大电路的增益G必须满足：
对于1V/div，
，
对于0.1V/div，
我们通过单片机选择不同的继电器，选通不同的反馈电阻来改变增益，从而改变垂直分辨率。
2．3扫描速度
扫描速度分为20ms/div,2us/div,100ns/div三挡，鉴于分辨率为20点/div，则采样周期分别为1ms、100ns、5ns，采样速率分别为100KSa/s、10MSa/s、200MSa/s.由于我们选用采样速率为1MSa/s的A/D转换器，实时采样速率小于等于1MSa/s，等效采样速率大于等于200MSa/s，满足扫描速度的要求。
电路与程序设计
3．1电路设计
3.1.1输入信号调理电路
考虑到本系统输入信号的动态范围较大，本设计通过继电器阵列来控制衰减或放大倍数。
放大采用具有宽频带范围的OP37。
经试验，在全频带范围内均可达到较好的放大或者衰减效果。
通过选通继电器开关改变Rf的值，就可以控制放大倍数。
图2输入信号调理电路
3.1.2采样保持电路和A/D转换电路
A/D转换电路使用了最高采样速率为1MSa/s的芯片AD7821，符合题目要求，采用双极性方式，能测量在-2.5V～＋2.5V的电压。
取样保持芯片采用AD781,二者可以方便的连接。
图3取样保持和A/D转换电路
3.1.3峰值检测电路
通过如图4所示峰值检测电路得到信号的峰值，单片机读出峰值之后控制输入信号的放大倍数。
图4峰值检测电路
3．2程序设计
3.2.1软件流程图如图5所示：
图5软件流程图
3.2.2源程序
见附录一。
系统测试
4．1测试方案
采用先分别测试各单元模块，调试通过后再进行整机调试的方法。
整机调试时，用标准的函数信号发生器产生周期信号，将测到的频率、周期、峰峰值与输入值进行比较，调节电路参数进行校准，使误差控制在题目要求之内。
4．2测试仪器
测试过程中所用到的仪器如表1所示：
表1测试仪器
仪器
型号
数量
数字示波器
TDS1002
1台
40MHz函数信号发生器
TFG2040
1台
20MHz普通示波器
XJ4318
1台
数字万用表
VC9807A
1台
微机电源
WD990
1台
联想PC
1台
4．3测试结果
4.3.1扫描速度
测试条件：
垂直灵敏度1V/div。
测试数据由表2所示。
表2扫描速度测试结果
20ms/div
2us/div
100ns/div
10.2
10
2
10
10
0
1
1
0
50.5
50
1
20
20
0
2
2
0
100
100
0
100
100
0
10
10
0
由测量数据分析得：
水平扫描速度满足指标（波形周期测量误差≤5%）。
4.3.2垂直分辨率
测试条件：
信号频率为200KHz。
测试数据由表3所示。
表3垂直分辨率测试结果
1V/div
0.1V/div
2mV/div
2.0
2.01
0.5
0.2
0.205
2.5
6
5.8
3.3
4.0
4.00
0.0
0.4
0.400
0.0
10
10.1
1.0
6.0
5.90
1.6
0.6
0.617
2.8
14
13.9
0.7
由测量数据分析得：
垂直分辨率满足指标（电压测量误差≤5%）。
4.3.3方波校准信号
测试条件：
校准信号端子连接到数字示波器输入端。
测试数据由表4所示。
表4方波校准信号测试结果
实测值
理论值
误差
频率
100.5KHz
100KHz
0.5%
100.478KHz
100KHz
0.48%
100.32KHz
100KHz
0.32%
电压
0.308V
0.3V
2.7%
0.312V
0.3V
4%
0.305V
0.3V
1.6%
由测量数据可以得到，电压误差≤5%（负载电阻≥1M时），频率误差≤5%，满足题目要求。
4.3.4输入阻抗测试
输入阻抗大于
.
4.3.5A/D转换器最高采样速率测试
测试条件：
采样保持器时钟为800KHz。
经检测，A/D时钟不大于1MHz.
4．4测试分析
测量结果能够满足题目的精度要求。
题目中要求的波形周期测量误差≤5%，电压测量误差≤5%，方波校准信号电压误差≤5%（负载电阻≥1M时），频率误差≤5%，我们都能够实现，如表2~表4所示。
参考文献：
【1】童诗白、华成英，模拟电子技术基础，高等教育出版社，2001
【2】周立功主编，深入浅出ARM7-LPC213X,北京航空航天出版社，2005
【3】TektronixCo.Ltd，深入了解示波器，2005
【4】黄智伟，基于Multisim2001的电子电路计算机仿真设计与分析，电子工业出版社，2002
附录1：
源程序
/*******************************************
AD7821模数转换
P0.18~P0.23P0.26P0.27Data
P0.28cs
P0.29RD
P0.31WR
*******************************************/
#include"config.h"
#definecs_AD782128
//#defineRD_AD782129
//#defineWR_AD782131
uint8Data;
uint32i,j;
uint32k;
uint16m=0;
uint8l[20];
voidPWM_Init（）
{
uint32tmp;
tmp=Fpclk/700000;
PWMPR=0;//Pclk分频Fpclk
PWMMCR=0x02;//PWMMR0PWMTC匹配时复位PWMTC
PWMPCR=（1<<2）|
（1<<4）|
（1<<6）|
（1<<10）|
（1<<12）|
（1<<14）;
PWMMR0=tmp;
PWMMR1=0;
PWMMR2=（tmp/8）*4;
PWMMR3=（tmp/8）*0;
PWMMR4=（tmp/8）*4;
PWMMR5=（tmp/8）*0;
PWMMR6=（tmp/8）*4;
PWMLER=0x7F;
PWMTCR=0x02;
PWMTCR=0x09;
}
/**************************
延时函数dly每加一，延时加0.09us
***************************/
externvoidDelay（uint8dly）
{
while（dly--）;
}
/***********************************
中断服务函数,获取键值
**********************************/
voidFIQ_Exception（void）
{
//uint8i,j;
//Delay
（2）;
k=IO0PIN;
//i=（（k&0x00fc0000）>>18）;
i=（（k&0x00fc0000）>>18）&0x0000003f;
i=（uint8）i;
j=（（k&0x0c000000）>>20）&0x000000c0;
j=（uint8）j;
Data=（i|j）;
if（m<20）
{
l[m]=Data;
m+=1;
}
//m=（Data+128）*4;
//DACR=（m<<6）;
//if（m=40）m=0;
//DACR=（i<<6）;
//while（m--）;
EXTINT=0x01;//清除EINT0中断标志
}
/*****************************************
外部中断0初始化
*******************************************/
externvoidEINT0_Init（void）
{
EXTMODE=0x01;//外部中断边沿触发
EXTPOLAR=0x00;//下降沿触发
FIQEnable（）;//使能FIQ中断
VICIntSelect|=（1<<14）;//设置所有为FIQ
EXTINT=0x01;//清除中断标志
VICIntEnable=（1<<14）;
}
intmain（void）
{
//PINSEL1|=0x00000001;//设定P0.16外部中断0
//PINSEL1|=（PINSEL1&0x300f000f）;//
//PINSEL1|=0x00080000;
PINSEL1|=0x00080001;
PINSEL0=（2<<14）|
（2<<16）|
（2<<18）;
DACR=0x00000000;
DACR=（128<<6）;
PWM_Init（）;
//IO0DIR|=（1<<28）;
//IO0DIR|=（3<<7）;
//IO0SET=（3<<7）;
EINT0_Init（）;
while
（1）
{
;
}
return0;
}
附录2：
电路图
附图1最小系统板原理图
附图2电路原理图
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