简易多功能数字存储示波器蔡天 林立 苏鑫.docx
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简易多功能数字存储示波器蔡天林立苏鑫
简易多功能数字示波器
参赛学校：
武汉大学
参赛队员：
蔡天林立苏鑫时间：
2007-7-27
赛前辅导教师：
黄根春张望先文稿辅导教师：
黄根春徐大敏
摘要
本系统基于数字示波器基本原理，以8051单片机和FPGA组成的最小系统为控制核心；系统的频率范围为1Hz～2.8MHz，使用高速ADC芯片对任意波形信号进行采样量化，并在模拟示波器上显示，同时能对信号的基本参数进行数字测量，其中频率误差优于0.1％，幅度误差优于5％；通过FPGA对量化值进行FFT运算，实现了对输入信号的频谱分析；此外，本系统还可以利用傅立叶变换的性质对双通道输入的两路信号进行相位差测量，误差小于0.5o；实现周期信号的失真度测量，误差小于1％；系统的显示输出采用模拟示波器和128*64点阵液晶相结合的方式，连续可调电位器和3*8键盘为输入接口，故系统波形显示清晰，操作简单，界面友好。
关键词：
示波器FFT失真度测相
Abstract
Thesystem,mainlycontrolledbythecombinationofMCU8051andALTEA’sCycloneFPGA,isbasedontheelementsofDigitalOscillograph.Allkindsofsignalwiththefrequencyfewerthan2.8MHzcanbesampledbyADCchipAD9051andAD197.ThedataofsamplingisoperatedunderFFT,witharesultofthefrequencyspectrumoftheinputsignal.Addition,thesystemalsocanmeasurethephasicdifference,withtheprecisionfewerthan.Weadopttheanalogoscillographand128*64dot-matrixLCDscreensasexportequipment,3*8keyboardsandadjustableresistanceasimportequipment.Peoplewillfindeasytohandlethesystemwithcleardisplayandfriendlyinterface.
Keyword:
oscillographFFTAudibilityofDistortion
目录
摘要1
Abstract1
目录2
一、方案论证与选择3
1．题目任务要求及相关指标的分析3
2．方案的比较与选择3
二、系统总体设计方案及实现方框图5
三、理论分析与计算5
1、采样速率5
2、幅度控制5
3、波形的数据处理及相关参数测量5
4、快速傅立叶变换及误差6
四、主要功能电路的设计6
1、输入信号放大与采样量化电路6
2、同步采样时钟产生电路7
3、水平垂直div调节电路7
4、模拟示波器显示电路7
五、系统软件的设计7
六、测试数据与分析8
1．使用仪器及型号8
2．测试方案8
3．测量数据及结果分析8
七、总结分析与结论9
1、题目要求完成情况9
2、调试总结9
八、附录10
1、电路原理图10
2、参考文献11
一、方案论证与选择
1．题目任务要求及相关指标的分析
（1）题目要求仪器的输入阻抗大于100kΩ，我们可以使用一级射级跟随器或者同相放大器来实现；垂直刻度为8div，分辨率为32级/div，要求设置0.01V/div、0.1V/div、1V/div三档垂直灵敏度，误差≤5%，即直流档时输入信号电压范围为-4V～+4V，交流档时输入信号峰峰值范围为0V～8V，但为了能使用0.01V/div和0.1V/div档来清晰的观察小信号波形，所以需要根据输入信号的电压幅度的大小来对其进行适当放大或缩小，以适合ADC的采样和量化；水平刻度为10div，分辨率为20点/div，要求设置0.2s/div、0.2ms/div、20μs/div三档扫描速度，仪器的频率范围为DC～50kHz，误差≤5%，考虑极限情况，使用20μs/div档，采样周期为1μs，即此时采样频率为1MHz，对于0.2s/div和0.2ms/div，我们可以使用1MHz的采样频率，然后在下抽样，也可以分别使用100Hz和100KHz的采样频率。
（2）题目要求仪器具有单次触发存储显示方式和连续触发存储显示方式，触发电路采用内触发方式，要求上升沿触发、触发电平可调，单次触发，即每按动一次“单次触发”键，仪器在满足触发条件时，能对被测周期信号或单次非周期信号进行一次采集与存储，然后连续显示；连续触发，即仪器能连续对信号进行采集、存储并实时显示，且具有锁存（按“锁存”键即可存储当前波形）功能。
同时要求具有水平移动扩展显示功能，要求存储深度增加一倍，并且能通过操作“移动”键显示被存储信号波形的任一部分。
该部分要求主要软件部分实现，包括波形存储和波形简单线性运算。
（3）增加双踪示波功能，能同时显示两路被测信号波形。
这就要求系统有两路高速ADC对两路信号进行采样，或使用多路复用器来实现通道转换。
（4）对于其它要求部分，我们计划增加FFT频谱分析和双踪信号相位测量的功能。
2．方案的比较与选择
（1）输入信号采样量化
方案一：
等效采样法。
使用等效采样法的前提是被测信号是周期出现的，因此，为了重建原信号，可以每一个周期内等效地等间隔地抽取少量的样本，最后将多个周期抽取的样本集合到同一个周期内，这样就可以等效成在一个被测信号周期内采样效果。
该方案的优点是采样频率不需要太高，与被采样信号频率相当即可，缺点是要求被测信号是周期的，而且采样过程较慢，比较耗时。
方案二：
同步采样法。
为了排除等效采样的缺点，我们可以利用锁相环将被测信号的频率和信号采样频率锁定成一定的比例关系，例如采样频率是被测信号的20倍频。
该方案的的优点是采样点与被采样信号是严格同步的，便于FFT运算，进行频谱分析，缺点是需要采样信号频率整数倍的时钟信号，实际电路较为复杂，抗干扰较难处理。
方案三：
固定频率采样。
根据题目要求，设定采样频率为1MHz、100KHz和100Hz三个固定频率。
这样就使电路简单，同时也便于根据题目要求进行显示，即每20点每div。
比较上述方案，我们采用方案三设定示波器的显示采样频率，使用方案二设定频谱分析和相位测量时的采样频率。
（2）触发电平的调节方式选择
方案一：
数字方法。
即使用按键来调节触发电平，使用软件方法实现，该方案不需要外围电路，实现简单，但操作不直观。
方案二：
模拟方法。
使用可调电位器调节某点电压，并用ADC采样量化到控制部分，依次作为触发电平调节的依据。
该方案需要模拟电路配合，电路复杂，但操作较为直观。
为了简化系统的复杂性，我们采用方案一。
（3）显示方式
方案一：
单路DAC输出。
使用一路DAC芯片输出所要显示的波形，而用于扫描的锯齿信号由模拟方式产生，具体方法是首先用比较器得到与显示波形同频的方波，再由积分电路得到锯齿波，这也就是显示所需的扫描信号。
该方案硬件电路复杂，且较难调试。
方案二：
双路DAC输出。
原理同方案一相同，不同仅仅是扫描信号同样由另外一路DAC产生。
该方案硬件电路较为简单，而且实际操作时比较灵活，便于调试。
综上考虑我们采用方案二。
（4）波形测量方案
波形的基本测量量包括幅度（峰峰值）、频率（周期）等，其测量方法可以分为模拟和数字两大类：
方案一：
模拟方法。
对于幅度测量可以真有效值转换芯片（如AD637等）将波形有效值信息转换为直流输出，后级再使用AD采样；也可以采用峰值检波将波形幅值信息转换为直流输出，后级同样用AD采样。
由以上描述可以看出，两种方法只能分别测量有效值信息和幅度信息，而且测量精度也不是很高。
对于频率测量，模拟方法可以使用比较器将信号整形成方波，再由控制部分FPGA测量其频率。
该方法精度比较高，但电路复杂，需要模拟比较器参与。
方案二：
数字方法。
基本思想是将被测信号用高速ADC芯片转换为数字序列，然后再根据采样所得数据进行处理，从而得出幅度和频率信息。
综上所述，鉴于系统前级有高速ADC采样信号，所以我们使用数字测量信号的幅度信息，但为了提高测频精度，我们采用模拟比较器法测量信号的频率信息。
（5）扩展功能频谱分析和相位测量
鉴于系统采用MCU8051和Cyclone系列的FPGA，有较强的控制和运算能力，所以我们可以直接将示波器前级ADC采样所得数据进行FFT，便可以得到所测波形的频谱信息和相位信息，所以该部分的主要方案是FFT方式，但待处理数据的获得有以下几种方案。
方案一：
直接由示波器前级的高速ADC得到。
该方法简单易行，但误差较大，由于前级高速ADC采用固定的采样频率，而后级进行FFT时，根据离散傅立叶变换的特性可以得到，若采样频率与被测信号频率不为整数倍关系，在进行FFT变换时会出现频谱泄漏等问题，影响测量精度。
方案二、等效采样法。
使用等效采样法的前提是被测信号是周期出现的，因此，为了重建原信号，使用采样频率为被测信号的（n+1）/n或（n-1）/n倍，这样就可以只在被测信号的一个周期内采样一次，但每个周期内采样点所处的相位不同，在n次采样后得到的n点采样值就可以等效为用一个n倍频时钟去抽取信号所得采样点。
该方案的优点是不需要很高频率的采样时钟，对ADC芯片要求不高，系统高频干扰较小，但需要数字电路的配合，即产生（n+1）/n或（n-1）/n倍倍频信号。
方案三：
同步采样。
同输入信号采样量化部分的同步采样相同。
采用改方案系统较为复杂，需要额外的锁相环硬件电路，而且高速ADC的采样时钟为可变频率。
考虑到测量精度的要求，我们首先排除方案一；同时为了简化数字系统，而且我们选用的ADC芯片可以做到很高的频率，不需要考虑采样频率的限制，所以我们采用方案三。
二、系统总体设计方案及实现方框图
本系统主要分为输入信号放大与采样量化电路、同步采样时钟产生电路、水平垂直div调节电路和模拟示波器显示电路。
整体框图如下图所示。
前级输入信号放大与采样电路主要由MAX308和AD811实现程控放大，AD9051实现高速采样量化；同步时钟产生电路首先将输入信号整形，再由74HC7046锁相环倍频，最后送到FPGA内部处理产生所需的时钟信号；水平垂直div调节电路由低速ADC芯片MAX197采样可调电位器的电压输出，通过调节电位器就起到调节水平DIV和垂直DIV的效果；模拟示波器显示电路由双路DAC芯片DAC7801组成，其中一路DAC产生所要显示的波形，另外一路DAC产生扫描信号。
三、理论分析与计算
1、采样速率
最大采样速率是指单位时间内完成的完整的A/D转换的最高次数，常以频率表示，采样速率愈高，说明捕捉信号的能力就愈强。
计算公式如下：
根据题目要求的三档扫描速度0.2s/div、0.2ms/div、20μs/div，将其代如上面的公式可以得出三档所需的采样频率分别为：
100Hz、100KHz、1MHz，本系统中使用到的高速ADC芯片AD9051最高采样频率为60MHz，满足并超过题目要求。
2、幅度控制
本系统使用多路复用器MAX308和高速运放AD811组成程控放大电路（具体电路详见主要功能电路的设计），由于输入信号峰峰值最大为8V（±4V），而ADC能够承受的最大输入电压峰峰值为2V（±1V），又因为我们使用差分输入的方式，故信号最终送到采样量化电路时峰峰值不能超过1V（±0.5V）。
为了使输入信号幅度不超过ADC芯片所允许的范围，同时也为能充分发挥ADC芯片的性能，我们对幅度较大的信号进行缩小，对幅度较小的信号进行适当放大。
当输入信号峰峰值在0.8V～8V时，将信号放大0.125倍，使其范围落在0.1V～1V范围内；当输入信号峰峰值在0.08V～0.8V时，将信号放大1.25倍，使其范围落在0.1V～1V范围内；当输入信号峰峰值在0V～0.08V时，将信号放大12.5倍，使其范围落在0.1V～1V范围内。
3、波形的数据处理及相关参数测量
（1）本系统实现水平7档div调节，分别为0.2s/div、0.02s/div、2ms/div、0.2ms/div、0.02ms/div、2μs/div和0.5μs/div。
其中0.2s/div、0.02s/div、2ms/div、0.2ms/div、0.02ms/div档使用2MHz的采样频率，然后分别按适当的比例进行下抽样，2μs/div和0.5μs/div分别使用10MHz和40MHz的采样频率，进行采样存储。
（2）幅度测量。
基本思想是使用软件的方法在采集到的数据中寻找最大值Amax和最小值Amin，则被测信号的幅度就为A＝|Amax-Amin|。
系统中垂直div有三档，分别为10mV/div、100mV/div和1V/div。
（3）频率测量，可分为测周期法和等精度法。
测周期法主要用于测量频率较低的信号的频率（本系统中为低于10KHz），具体做法是以待测信号为门限，用计数器记录在此门限内的某个高频标准脉冲个数，从而确定待测信号的频率。
等精度法，这种方法和测周期法很相似，不同的是测周期法测量时间T为被测信号的一个周期，而等精度测量法的测量时间T是由人为设定和被测信号共同决定的。
即，在人为设定的时间内，闸门的开启和闭合由被测信号的上升沿来控制，计数器真正开始计数的时刻不是预置闸门的开始时刻，而是预置闸门打开后被测信号的第一个上升沿到来的时刻；同样闸门的关闭时刻不是预置闸门的结束时刻，而是预置闸门关闭后被测信号的第一个上升沿到来的时刻，这种计数方法叫做同步计数法。
在测量时间T内系统计数器同时对被测信号fx和标准脉冲信号fo分别进行计数，若两个计数器的计数值分别为nx和no，则可计算出被测信号的频率：
由上式可以得到：
测量精度与被测信号频率、闸门时间无关，因而可以保证在整个测量频段内的测量精度保持不变。
4、快速傅立叶变换及误差
（1）本系统中我们采用基2时间抽取DIT的FFT算法，基本过程是利用变换核WN的对称性，对有限长序列x（n），n＝0，1，···n，不断进行奇偶抽取，直到分解成一系列等于2的短序列，最终只需要计算长度等于2的短序列的DFT变换。
FFT相对直接DFT变换的乘法改善比为：
（2）在进行FFT运算时，采样信号的频率和采样点数的选取对最终计算结果有很大影响。
首先，若采样频率是信号频率的严格整数（大于等于2的整数）倍，而且进行2M（M为整数）点FFT计算，也就是说，参与FFT计算的数据在进行无限周期性延拓后仍是连续的，无跳变的，则计算结果就不会出现频率混叠、频谱泄漏和栅栏效应等问题；但如果采样频率不是信号频率的整数倍，那么计算结果就可能出现频谱泄漏和栅栏效应；如果采样频率小于信号频率的2倍，计算结果就会出现频率混叠问题。
四、主要功能电路的设计
1、输入信号放大与采样量化电路
高速采样电路由AD9051实现。
AD9051为10位60MHz的高速ADC，内置2.5V基准源，输入电压峰峰值范围不能大于2.0V。
具体电路如下所示。
2、同步采样时钟产生电路
CD74HC7046是高速CMOS锁相环，内部包含一个线型压控振荡器，两个相位比较器和一个锁定指示探测器，具体电路见附录。
该部分电路实际上就是一个锁相环电路，它的工作过程是：
当锁相环处在未锁定状态时，CD74HC7046的VCO输出不稳定频率，FPGA将该信号进行N分频后再输出给CD74HC7046，而后锁相环就将该分频信号与输入信号进行严格同步，当两路信号到达同步时，即锁相环到达锁定状态，VCO的输出频率也将固定下来，我们就可以使用此时VCO的输出信号作为同步采样的采样时钟。
3、水平垂直div调节电路
水平垂直div调节电路的设计是为了让仪器使用人员有直观的调节感觉，我们根据模拟示波器的调节方法改进而来。
工作原理是操作者通过调节电位器来改变抽头端的输出电压，ADC转换器芯片将该电压的改变信息送到系统的控制部分，而后根据该改变信息对输出显示做出相应的改变。
电压的采样电路由MAX197，其内置4.096V基准源，输入信号的峰峰值可以高达±10V。
具体电路见附录。
R1、R2分别为水平div和垂直div调节电位器。
4、模拟示波器显示电路
显示电路主要由两路DAC电路组成，使用的DAC芯片为Ti的DAC7801，其内部集成两路DAC输出，12bit精度，速度可达1.2MHz。
后级MAX477用来将电流转换为电压，其中R3、R4为输出幅度调节电阻。
具体电路见附录。
五、系统软件的设计
本系统软件部分由单片机和FPGA组成，单片机主要完成用户的输入输出处理和系统的控制，FPGA主要完成高速的处理（如信号采样和存储）和大计算量的处理（如FFT），整个软件系统的设计中模块化思想贯穿始终，采用菜单选择所用功能，系统流程图如下：
六、测试数据与分析
1．使用仪器及型号
清华同方计算机：
Pentium（R）4，1.8GHz，512M内存，MicrosoftWindowsXP操作系统
直流稳压稳流电源：
型号SG1733SB3A
60M数字存储示波器：
型号TektronixTDS1002
数字信号源：
型号Agilent33120A
万用表：
型号Fluke17B
2．测试方案
我们使用特殊波形对系统进行测试，即输入正弦波、方波、三角波和锯齿波，观察系统的显示输出波形，同时测量每种波形的频率、幅度和失真度，当输入两路同频信号时，可以测量其相位差，并与理论值比较。
3．测量数据及结果分析
（1）频率测量数据。
输入信号峰峰值为5V。
输入频率
正弦波
三角波
方波
锯齿波
1Hz
1.000005
0.99998
0.99997
1.000005
10Hz
10.0003Hz
10.0001Hz
10.0007Hz
9.9994Hz
100Hz
99.9997Hz
99.9996Hz
100.003Hz
99.9996Hz
1KHz
999.998Hz
1000.001Hz
999.9996Hz
999.998Hz
10KHz
9.9878KHz
9.9981KHz
9.9972KHz
9.9956Hz
100KHz
100.00012KHz
99.9985KHz
100.00002KHz
100.00012KHz
1MHz
0.999998MHz
0.999999MHz
0.999997MHz
1.00002MHz
频率测量平均误差优于10-4，但在10KHz附近误差较大，原因是我们设定10KHz为等精度测频法与测周期法的分界点，故在其附近误差较大。
（2）幅度测量数据。
输入信号频率为1KHz。
输入幅度
正弦波
50mV
49.789mV
500mV
510.65mV
1V
1.047V
3V
2.887V
5V
4.911V
8V
7.879V
但由于采样坏点的存在，误差较大，平均误差优于5％。
（3）失真度测量。
输入信号幅度为5V，频率为1KHz。
波形
正弦波
方波
三角波
锯齿波
失真度理论值
0
48.343
12.115
80.308
实际测量值
0
47.861
12.017
79.731
（4）相位差测量。
输入两路信号完全相同，且幅度为5V，频率为1KHz。
测量次数
正弦波（o度）
三角波（o度）
方波（o度）
锯齿波（o度）
1
0.61
0.361
0.472
0.37
2
1.235
0.239
0.415
0.752
3
0.834
0.865
0.036
0.684
由于缺少移相信号源，测试相位差缺少基准，我们测试了三次0o的相移，由于采样坏点的存在，致使相位波动较大，但误差保持在1.5o以内。
七、总结分析与结论
1、题目要求完成情况
本系统除不能测量DC信号以外，其它各项指标和要求都达到并超过了题目的要求。
其中测量最高频率达到2.8MHz；实现了测频测幅功能，误差均优于题目要求，水平七档div调节，垂直三档div调节，误差小于5％；具有单次触发和连续触发的功能，且触发电平可调；有单路和双路显示，水平移动和垂直移动扩张显示功能；同时还扩展了信号频谱分析，双路相位差测量，失真度测量等功能。
2、调试总结
系统需要高速ADC采样，时钟和数据传输速率都比较高，高频干扰也很严重，所以系统抗干扰很关键，这直接影响最终的采样质量。
抗干扰的主要措施是注重系统的布线、器件的摆放等基本问题，例如数字地和模拟地的共点问题。
八、附录
1、电路原理图
（1）同步采样时钟产生电路
（2）水平垂直div调节电路
（3）双路DAC显示电路
2、参考文献
【1】全国大学生电子设计竞赛组委会（编）．全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选（2003）．北京：
北京理工大学出版社，2005
【2】马忠梅（主编）．单片机的C语言应用程序设计（第三版）．北京：
北京航空航天大学出版社，2004
【3】Schildt,H.（著）．C语言大全（第四版）．北京：
电子工业出版社，2002
【4】MichaelD.Ciletti（著）．VerilogHDL高级数字设计（英文版）．北京：
电子工业出版社，2004
【5】谢自美编，<<电子线路设计·实验·测试>>，武汉：
华中理工大学出版社，2000年7月第2版.
【6】EmmanuelC.Ifeachor,BarrieW.Jervis.DigitalSignalProcessing,APracticalApproach,（SecondEdition）
【7】祁才君，数字信号处理技术的算法分析与应用，机械工业出版社
【8】夏宇闻.Verilog数字系统设计教程.北京：
北京航空航天大学出版社
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