简易数字示波器设计报告.docx

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简易数字示波器设计报告

简易数字示波器

设计报告

学校：

苏州大学

学院：

电子信息学院

班级：

电子与通信工程

组员：

王婷杨静芝范静

第一章设计内容与要求

1.1设计内容：

设计并制作一台具有实时采样方式和等效采样方式的数字示波器，示意图如图1所示。

图1数字示波器示意图

1.2基本设计要求：

（1）被测周期信号的频率范围为10Hz～10MHz，仪器输入阻抗为1M，显示屏的刻度为8div×10div，垂直分辨率为8bits，水平显示分辨率≥20点/div。

（2）垂直灵敏度要求含1V/div、0.1V/div两档。

电压测量误差≤5%。

（3）实时采样速率≤1MSa/s，等效采样速率≥200MSa/s；扫描速度要求含20ms/div、2μs/div、100ns/div三档，波形周期测量误差≤5%。

（4）仪器的触发电路采用内触发方式，要求上升沿触发，触发电平可调。

（5）被测信号的显示波形应无明显失真。

1.3扩展要求：

（1）提高仪器垂直灵敏度，要求增加2mV/div档，其电压测量误差≤5%，输入短路时的输出噪声峰-峰值小于2mV。

（2）增加单次触发功能，即按动一次“单次触发”键，仪器能对满足触发条件的信号进行一次采集与存储（被测信号的频率范围限定为10Hz～50kHz）。

第二章系统的总体设计

2.1总体框图：

2.2硬件系统设计：

2.2.1输入信号调理电路：

图2输入信号调理电路

该电路中涉及到的芯片有：

（1）AD603：

在很多信号采集系统中，信号变化的幅度都比较大，那么放大以后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化相应调整放大器的增益。

在自动化程度要求较高的系统中，希望能够在程序中用软件控制放大器的增益，或者放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。

AD603正是这样一种具有程控增益调整功能的芯片。

它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆率为275V/μs。

管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-11～+30dB时的带宽为90Mhz，增益在+9～+41dB时具有9MHz带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。

该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统。

（2）TL431：

德州仪器公司（TI）生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。

它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。

该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。

TL431是一种并联稳压集成电路。

因其性能好、价格低，因此广泛应用在各种电源电路中，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。

2.2.2AD采样电路：

图3AD采样电路

该电路中涉及到的芯片有：

（1）AD9280：

AT9280是单芯片、单电源、8bit、32MSPS模数转换器；内部集成了采样保持放大器和电源基准源。

AT9280使用多级差分流水线架构保证了32MSPS数据转换数率下全温度范围内无失码。

2.2.3时钟与高速存储电路

图4AD采样电路

该电路中涉及到的芯片有：

（1）DS1085:

DS1085是双输出频率合成器，无需外部定时元件。

它可以作为独立振荡器，或作为一个由处理器控制的、可动态编程的外设部件来使用。

内部主振荡器可以在66MHz至133MHz的范围内进行编程，有三个分辨率选择，分别为10kHz、25kHz与50kHz。

一个可编程的3位预定标器（1、2、4或8分频）从主振荡器生成一个基准振荡器输出（OUT0），范围是8.2MHz至133MHz。

另一个独立的预定标器和一个1至1025分频器产生主输出（OUT1），范围是8.1kHz至133MHz。

两路输出尽管都与主振荡器同步，但可独立编程。

可编程主振荡器、预标定器以及分频器组合起来可以生成数千个用户规定的频率。

主振荡器、预标定器以及分频器的设置都保存在NV（EEPROM）存储器中，在上电时提供默认值，因此可以将其作为独立振荡器使用。

通过2线串行接口可以对主振荡器、预标定器（P0与P1）、分频器（N）进行在线动态编程。

如果需要，可以进行动态频率调节，或者，对于固定频率应用，DS1085可以采用工厂或用户编程的固定数值。

（2）SN74F574DW:

这8位触发器功能3态输出专为驱动高容性或相对低阻抗负载。

它特别适合于实施缓冲寄存器，I/O端口，双向总线驱动程序和工作寄存器。

八触发器的SN74F574的是边沿触发的D型触发器。

在时钟（CLK）输入的正跳变时，Q输出将被设置为分别设置在数据（D）输入的逻辑电平。

一个缓冲输出使能（OE）输入可用于放置八个输出在任何一个正常的逻辑状态（高或低逻辑电平）或高阻抗状态。

在高阻抗状态，输出负载也没有显著驱动总线线。

高阻抗状态，增加驱动器提供驱动总线线无接口或拉组件的能力。

输出使能（OE）不影响触发器的内部操作。

旧数据可以保留或新的数据可以输入而输出是在高阻抗状态。

（3）IDT7204:

能够实现高速存储功能

2.2.4DA电路

图5DA电路

该电路中涉及到的芯片有：

（1）AD5320：

（2）MC74VHC4051D

2.2.4电源电路

图6电源电路

该电路中涉及到的芯片有：

（1）A0512S：

输入5V双输出±12V模块

（2）7805：

7805三端稳压集成电路，电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。

顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。

用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。

因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。

2.3数字示波器的性能参数设计：

数字存储示波器的指标很多，包括采样率、带宽、灵敏度、通道数、存储容量、扫描时间和最大输入电压等。

其中关键的技术指标主要有采样率、垂直灵敏度（分辨率）、水平扫描速度（分辨率）。

这几项指标直接与所选A／D、FIFO和高速运放器件的性能，以及电路设计有关。

下面根据所选器件的性能参数，合理地分析和确定示波器的采样率和分辨率。

2.3.1.y通道参数计算

（1）输入阻抗

对于低速数据采集，由于信号反射对信号的传输过程影响微乎其微，所以低速数据采集系统良好的高阻抗性能，对提高系统的测量精确度有很大的意义。

本设计中采用电压跟随器实现阻抗变换，数据采集阻抗变换电路的设计方案如图4所示，其输入阻抗为1MΩ。

图4输入阻抗电路图

（2）灵敏度

垂直灵敏度有两档指标要求：

1V/div、0.1V/div，为此，我们必须在前端设计一个有两种增益的放大电路。

A/D转换器的基准电压为2V，D/A转换器的基准电压为2.5V，此外，该DAC的输出还具有两倍的增益，因此，其满幅输出为5V。

示波器显示屏垂直方向有8格，对应为5V，即0.625/div，而信号经过D/A和A/D后又被放大了2.5倍，由此计算三档垂直灵敏度对应的放大倍数如表2.1所示。

表1垂直灵敏度与放大倍数的关系

垂直灵敏度

1V/div

0.1V/div

放大倍数

0.25

2.5

2.3.2扫描速度

本系统显示屏的水平刻度为10格，水平显示分辨率n为20点/div，则水平共显示20点/div×10div=200个点。

假设扫描速度为s，采样频率为fs，则fs=n/s，由此得到设计要求的两档扫描速度所对应的采样频率如表2.2所示。

表2扫描速度与采样频率的关系

扫描速度s

20ms/div

2μs/div

采样频率

1Khz

10Mhz

当扫描速度在20ms/div和2μs/div档时采用实时采样方式进行采样。

由表2可见，当扫描速度为2μs/div时，采样频率fs超过了题目规定的最高实时采样速率1MSa/s的要求。

为解决这个问题，我们仍采用1MHz的采样频率，而在最后显示被测波形时将读RAM的速率变为锯齿波扫描速率的10倍，这就相当于将采样频率扩大了10倍，而实际的采样速率并没有超过题目的规定。

这样便满足了实时采样速率≤1MSa/s和等效采样速率≥200MSa/s的要求。

2.4STM32简介：

（1）STM32F10:

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。

按性能分成两个不同的系列：

STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。

增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。

两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。

时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。

STM32型号的说明：

以STM32F103RBT6这个型号的芯片为例，该型号的组成为7个部分，其命名规则如下：

（1）STM32：

STM32代表ARMCortex-M3内核的32位微控制器。

（2）F：

F代表芯片子系列。

（3）103：

103代表增强型系列。

（4）R：

R这一项代表引脚数，其中T代表36脚，C代表48脚，R代表64脚，V代表100脚，Z代表144脚。

（5）B：

B这一项代表内嵌Flash容量，其中6代表32K字节Flash，8代表64K字节Flash，B代表128K字节Flash，C代表256K字节Flash，D代表384K字节Flash，E代表512K字节Flash。

（6）T：

T这一项代表封装，其中H代表BGA封装，T代表LQFP封装，U代表VFQFPN封装。

（7）6：

6这一项代表工作温度范围，其中6代表-40——85℃，7代表-40——105℃。

103性能

（1）特点

内核：

ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。

单周期乘法和硬件除法。

存储器：

片上集成32-512KB的Flash存储器。

6-64KB的SRAM存储器。

时钟、复位和电源管理：

2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。

POR、PDR和可编程的电压探测器（PVD）。

4-16MHz的晶振。

内嵌出厂前调校的8MHzRC振荡电路。

内部40kHz的RC振荡电路。

用于CPU时钟的PLL。

带校准用于RTC的32kHz的晶振。

低功耗：

3种低功耗模式：

休眠，停止，待机模式。

为RTC和备份寄存器供电的VBAT。

调试模式：

串行调试（SWD）和JTAG接口。

DMA：

12通道DMA控制器。

支持的外设：

定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。

2个12位的us级的A/D转换器（16通道）：

A/D测量范围：

0-3.6V。

双采样和保持能力。

片上集成一个温度传感器。

2通道12位D/A转换器：

STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE独有。

最多高达112个的快速I/O端口：

根据型号的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。

除了模拟输入，所有的都可以接受5V以内的输入。

最多多达11个定时器：

4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。

2个16位的6通道高级控制定时器：

最多6个通道可用于PWM输出。

2个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）。

Systick定时器：

24位倒计数器。

2个16位基本定时器用于驱动DAC。

最多多达13个通信接口：

2个IIC接口（SMBus/PMBus）。

5个USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制）。

3个SPI接口（18Mbit/s），两个和IIS复用。

CAN接口（2.0B）。

USB2.0全速接口。

SDIO接口。

ECOPACK封装：

STM32F103xx系列微控制器采用ECOPACK封装形式。

第三章系统的软件设计

3.1软件流程图：

3.软件程序：