100MHz 數字存儲示波表樣機的研究與試制----原理與主要指標

1.1數字存儲示波器概述

示波器是電子測量中一種最常用的儀器，它能夠直觀的顯示被測信號的時域信息。當前，數字示波器正逐漸取代模擬示波器成為主流的示波器產品。它在顯示方式、數據處理、波形保持和存儲等方面都不同于模擬示波器。隨著大規模集成電路技術、信號分析處理技術的發展，特別是在微型機算計引入到示波器后，示波器無論在設計、性能、功能、使用、操作還是在故障診斷上都取得了巨大的進步。

早期的模擬示波器通常由垂直偏轉系統、水平偏轉系統和顯示電路等部分組成。它的缺點是只能觀測周期信號。對于非周期性的單次瞬變信號的觀測，用模擬示波器是非常困難的，有時甚至是不可能的。同時，模擬示波器還存在著一些無法克服的缺陷。例如，信號帶寬受到陰極射線管的限制而不可能太高，不能存儲波形，預觸發功能難以實現等等。而數字示波器的許多優點在近幾年得到了迅速發展。諸如，觀察低頻信號時具有存儲記憶功能，從而實現超低頻掃描；利用數字濾波技術進行波形處理，準確觀測原始信號波形；利用CPU或DSP的強大的數據處理能力，進行參數分析，提高測試速度和精度；遠距離傳輸測量的數據，共享數據，從而實現自動測試系統。數字示波器憑借以上種種優點并隨著其價格的不斷降低，正逐漸成為測試領域的新寵。

目前來看，國外數字示波器仍然是市場上的主流產品。其中美國TEK公司的示波器一直處于領先地位，被世界公認為示波器的權威。近來TEK推出的TDS系列示波器具有獨特的確保高信號保真度的獲取結構，能夠利用最先進的觸發系統，提供快速瞬態信號或重復信號的多通道獲取，并進行先進的波形處理然后送去顯示。TDS2012示波器具有100MHz的帶寬，1GS/s等效采樣率，記錄長度可達2.5K.除TEK公司外，安捷倫、力科也都是生產數字示波器的著名廠家。他們所研制的產品各有各的優勢。例如，力科公司的數字示波器不僅能夠自動測試32種參數，而且，它的存儲長度很長，而長的存儲深度可以提供高的分辨率。另外，力科獨有的存儲管理系統，配合其先進的峰值檢測電路，使得整個波形在單一屏幕顯示，即可即時找出毛刺及干擾的所在，確保在任何掃描速度工作都能夠保持較高的采樣率。

1.2數字存儲示波器的原理與特點

數字存儲示波器（DSO）基于取樣定理，利用A/D轉換技術和數字存儲技術，能迅速捕捉瞬變信號并長期保存。它首先對模擬信號進行高速采樣獲得相應的數據并存儲，存儲器中貯存的采樣數據送入數字信號處理器（DSP）進行相關的處理與運算，從而獲得所需的各種信號參數。最后，它根據所得到的信號參數在液晶上重建信號波形，并可對被測信號進行實時的、瞬態的分析，以便用戶了解信號質量，快速準確地進行故障的診斷。數字存儲示波器不僅可以觀測周期性重復信號，而且也能夠觀測非周期的單次的或隨機的信號。這是因為數字存儲示波器可以采用實時采樣。與傳統的模擬示波器相比，數字存儲示波器具有許多優點，主要表現在：

1.多通道單次信號捕獲：一個DSO能夠同時在多個通道上捕捉象電源開、關或故障發生這樣的單次瞬態事件。

2.波形處理：由于DSO內部使用一個微處理器，它能夠在所獲得的波形上完成幅度和時間參數以及波形運算等功能，加上選件能夠完成更復雜的數學運算，如積分、倒數、指數、對數、平均、數字濾波、極值、FFT等。

3.數據存儲：DSO帶有非易失性的波形存儲器，它們能夠提供與DSO兼容的存儲卡或軟盤。示波器也能夠容易地與許多繪圖儀和打印機相連來進行高質量的硬拷貝。

4.更多的觸發功能：DSO也能夠提供許多模擬示波器所沒有的觸發能力。例如：當故障發生時，它能夠觸發并且能夠觀察引起故障觸發前的過程。

5.自動測試：數字存儲示波器能夠提供自動測試功能，簡化了使用者的操作，使儀器具有智能化。

1.3數字存儲示波表國內外的發展狀況

手持式數字存儲示波表是將臺式或便攜式數字存儲示波器設計成掌上型、內置電池供電的形式，它不但完全繼承傳統的數字存儲示波器的所有測量功能和技術性能，而且具備如下特點而備受市場歡迎：

●結構堅固，運行可靠，攜帶方便，輕巧耐用；

●數字電壓表和示波表測量功能，頻譜分析功能；

●適應無電力電源的野外、移動場合、窄小場地的作業區使用

目前，高性能手持示波表技術上居領先地位的是美國Tektronix公司和FLUKE公司。FLUKE的手持示波器有兩類：一類基于隨機采樣技術，典型產品有FLUKE123；另一類基于實時采樣技術，其典型產品有：FLUKE190系列。上述產品雖然技術實現途徑不同，但都將多種功能集合到一臺手持式儀器中，一般都由信號調理、A/D轉換器和高速存儲單元組成，采樣速率從20MSa/s到2.5GSa/s不等（FLUKE196為2.5GSa/s），通道數均為雙通道，它們具有可靠性高、功能強等特點，其中，FLUKE190系列具有一定的分析功能。

Tektronix公司的高性能手持示波器產品均采用實時采樣的方式實現，典型產品有THS700系列。帶寬100MHz，采樣率500MSa/S，具有示波器加萬用表功能，其中THS720P還具有諧波分析功能。

1.4數字存儲示波表的主要性能指標

本課題設計的數字存儲示波表為雙信號通道，一個外觸發通道，100MHz帶寬，最大存儲深度為25K，設有光標自動測量功能，自動設置功能，峰值檢測功能以及多種觸發方式。

主要技術指標如下：

◆垂直分辨率：8bits

◆帶寬f_BW：雙通道100MHz

◆垂直偏轉系數：5mV/div—5V/div（1-2-5步進）

◆最大輸入電壓：40Vpp（1：1探頭時）

◆上升/下降時間：≤3.5ns

◆上沖≤5%輸入阻抗：1MΩ

◆最大實時采樣速率：100MSPS

◆最大等效采樣速率：5GSPS

◆存儲深度：25KB/CH

◆時基范圍：5ns/div—5s/diV（1-2-5步進）

主要功能指標有：

◇光標測量功能：用光標測量幅值域參數和時域參數。

◇滾動顯示功能：在自動觸發模式的慢時基檔位下，屏幕處于滾動顯示方式，波形從屏幕的左端滾動至右端。

◇存儲回調功能：有菜單選擇存儲區域將屏幕上顯示的波形或參數存儲起來，菜單選擇存儲過的波形或參數回調出來。

◇反相功能：通過菜單選擇把屏幕波形的極性取反。

◇自動量程和時基：對任一未知的信號，按示波器鍵盤上的“自動”鍵波形以適當的時基和量程顯示在屏幕上。

◇觸發特性：有內部/外部，上升和下降觸發，觸發方式有自動，正常，和單次，具有預觸發功能。

◇ACQUIRE方式：有采樣，峰值檢測和平均三種捕捉方式；其中采樣和峰值方式下用峰值顯示，平均次數可選4/16/32/64/128次。

◇解析度：240點×320點，其中：縱向8.0格×25點（每1個點為1個象素），橫向10格×25點（每1個點為1個象素）。

1.5本文設計的任務

數字系統設計是本項目的一個重要組成部分，而數據采集系統設計是其中的核心環節。本系統的設計是基于DSP+FPGA結構，利用FPGA極其靈活，可再編程的特點和DSP強大的數據處理能力完成數據的采集，緩存，處理，顯示。在LCD顯示方面，我們沒采用一般的LCD控制器，而是利用FPGA豐富的資源生成LCD顯示邏輯控制電路，外有兩片SRAM進行來回切換向LCD送去數據顯示。本論文就將圍繞數字系統的設計而展開，重點對數據采集系統的硬件結構以及LCD顯示電路進行介紹。

第二章數字系統總體結構

本數字系統采用的是FPGA＋DSP結構。由于DSP和FPGA可以反復的實時更新程序和數字邏輯結構，所以這種結構具有很高的靈活性。系統的總體框圖如圖2－1所示：

FPGA（現場可編程門陣列）芯片是一種特殊的ASIC芯片，屬于可編程邏輯器件，它是在PAL、GAL等邏輯器件的基礎上發展起來的。同以往的PAL、GAL等相比較，FPGA規模比較大，適合于時序、組合等邏輯電路應用場合，它可以替代幾十甚至上百塊通用IC芯片。這樣的FPGA芯片實際上就是一個子系統部件。這種芯片具有可編程性和實現方案容易改動的特點。由于芯片內部硬件連接關系的描述可以存放在磁盤、ROM、PROM或EPROM中，因此在可編程門陣列芯片及外圍電路保持不動的情況下，換一片存儲器芯片，就能實現一種新功能。可編程邏輯器件是一種用戶根據需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路。它的基本設計方法是借助于EDA軟件，用原理圖、狀態機、布爾表達式、硬件描述語言等方法，生成相應的目標文件，最后再由編程器和下載電纜，用目標器件來實現。這種利用器件邏輯結構、由用戶配置來實現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模集成電路的替代物，隨著設計技術和制造工藝的完善，器件性能、集成度、工作頻率等指標不斷提高，FPGA的應用范圍越來越廣，目前它已成為數字ASIC設計的主流。

如圖2－1所示，本系統采用了兩片FPGA.FPGA1采用ALTERA公司1K50系列的產品，它除了實現峰值檢測、地址譯碼、觸發、時基電路等功能外，而且由于系統采用了隨機取樣技術，所以計算觸發脈沖到第一個取樣脈沖時間間隔的隨機展寬計數電路也做在了里面。同時，1K50內部有5KB的RAM.我們將它做成了兩片容量分別為2.5KB的FIFO.這樣，不僅節約了成本，而且還提高了速度。FPGA2采用了ALTERA公司1K30系列的產品，它主要產生LCD所需的時序以及控制顯示數據的傳輸，同時還完成硬件測頻的功能。DSP我們選用的是TI公司的TMS320VC5416.它是一種16位的定點DSP，采用了先進的增強型哈佛結構，片內共有8條總線（1條程序總線、3條數據存儲器總線和4條地址總線）、專用硬件邏輯的CPU設計、片內存儲器和在片外圍電路等硬件，加上高度專業化的指令系統，使TMS320VC5416具有功耗小、高度并行等優點，可以滿足實時處理的要求。它主要用來對采集進來的數據進行快速的處理、運算。

另外，FLASH用來存儲DSP的程序代碼、字庫和一些需要保存的波形參數等；SRAM3用來保存DSP處理后的數據；SRAM1和SRAM2采用分時復用的方法來回切換讀取SRAM3的數據，送到LCD顯示。鍵盤控制與采集系統相對獨立，所以我們選用了型號為AT89C2051的MCU，對每個鍵操作編寫唯一的代碼，然后通過串口送至DSP，由DSP對不同的鍵操作做出相應的處理。