简易数字存储示波器设计

简易数字存储示波器设计

显示器

键盘A

B

RESET

YX 通用示波器

主讲人 : 詹宏英

简易 DSO

有关现代显示技术

扫描显示光栅显示点阵显示显示方式用途显示器件扫描显示示波器、扫频仪、

频谱分析仪CRT

光栅显示扫频仪 CRT点阵显示示波器、扫频仪、

频谱分析仪LCD

本赛题是 :CRT 扫描显示电子测量的一种典型技术

赛题任务书一任务 : 设计一简易数字存储示波器 ( 简易 DSO )

二要求

(1) 信号频率： DC~50kHz ， Ri>100kΩ ； (2) 垂直： 32 级 /div ，水平 20 点 /div ，屏幕面积 8×10 div2 ； (3) 垂直灵敏度： 0.1V/div ， 1V/div ，误差≤ 5% ； (4) 水平扫速： 0.2s/div ， 0.2ms/div ， 20μs/div ，误差≤ 5% ； (5) 单次触发、扩展、内触发、上升沿、电平可调； (6) 显示波形无明显失真。

1. 基本要求

赛题任务书

赛题任务书——要求

2. 发挥部分（ 1 ）连续触发存储方式，并有“锁存功能”；（ 2 ）双踪显示；（ 3 ）水平移动扩展一倍；（ 4 ）垂直灵敏度 0.01V/div ，低输入噪声电

压。

赛题任务书

主要内容 :* 对赛题要求的分析* 方案讨论* 部分电路设计及模拟* 安装调试* 测试结果* 小结* 展望

简易数字存储示波器设计（解析）

(1) 工作流程：采集、存储、显示。具有： A/D 、 RAM 、 D/A 等主要器件；(2) 内触发上升沿、触发电平可调；扫描速度 0.2s/div ， 0.2ms/div ， 20 μ s/div ；

垂直灵敏度 0.1V/div ， 1V/div ， 0.01V/div ，连续、移动扩展、双踪。

要具有控制功能

1. 控制器 2. 人机接口

1. 对赛题要求的分析

（ 3 ）简易 DSO 组成框图

1. 对赛题要求的分析

Y 通道包括前向通道和后向通道

2. 方案讨论2.1 采样方式的选择实时采样和等效时间采样

题中要求信号 DC~50kHz ，样点直接恢复方式为 20 点 /周期，采速高达 1000kHz(1 μ s) ， A/D 转换速率 1Ms/s

采用实时采样方式

* 对控制器的要求采集速率：高达 1000kHz(1 μ s) ，低至 20ms ；（决定于扫描速度）

样点恢复速率： 10kHz ；程控增益： 1V/div ， 0.1V/div ， 0.01V/div 双踪、扩展…

* 三种方案(1) VLSI 例如 CPLD(2) MUC(3) MUC+CPLD

2. 方案讨论

2.2 控制器的选择

选择方案（ 3 ） MUC 和 CPLD控制器框图：

方案特点

(1) 速度快，烦琐，难度大

（ 2）

速度不能达到采样速率的要求

（ 3）

MUC 和 CPLD 可以适当分工，实现控制功能

2. 方案讨论

2.3 技术指标初步分配（误差是定量指标）

（ 1 ）信号通道前向通道（采集、存储）≤ 2.5% 后向通道（恢复） ≤ 2%

2.5% + 2% = 4.5% ≤ 5%

（ 2 ）时基（时间基线、扫描速度）控制信号（采样时钟）误差忽略不计扫描电压及输出电路 ≤ 2%

2. 方案讨论

简易 DSO 划分为 3 个部分 :Y 通道（前、后向通道）、 X 通道和控制器

3.1 前向通道* 作用（初步构思）

3. 部分电路设计及模拟

S1 校零， S2校满度* 内容信号调理电路；低通滤波器；电平移位；前向通道通道性能分析；双踪显示；触发电路。


1 ）输入电路 * 要求 : Ri

’≥100kΩ ，输入噪声电压影响； * 输入电阻（阻抗）对被测系统的影响 Z 越高，影响越小。

* 输入电路


*　取 R≥ 100kΩ*　运算放大器 LF353 初步核算：输入电阻 Ri

’ =R// Ri ≈ R ≈ 100kΩ ；输入端噪声电压 3.6nV ，而最高灵敏度时的测量分辨力为 312μV ， 3.6nV《 312μV

2 ）信号调理电路 * 作用使信号符合 A/D 输入的要求（预计 A/D 输入≤ 2V ） * 增益计算输入幅度灵敏度 ×8div 8V ， 0.8V ， 0.08 增益 0 . 25 ， 2 . 5 ， 25 （由程控实现） * 电路图


* 有关解释程控开关 Sn 必须是模拟开关，选择集成开关 MAX4501 ；增益调节电阻 Rnn ，模拟开关的内阻计人其中；补偿电容改善通道频响特性


3 ）低通滤波器* 作用：抗混迭采样信号的频谱混迭现象及改善方法


* 抗混迭滤波器电路

* 有关解释运算放大器构成有源低通滤波器；二阶Butterworth低通滤波器 .


4 ）电平移位电路假设 A/D 要求 +极性输入电压，而此前电路输出±极性电压。

5 ）前向通道性能分析 * 目的：阶段性小结 * 内容：频率特性的模拟；元器件参数的影响；环境温度的影响。


前向通道频率特性的模拟（用 EWB对程控增益放大器和低通滤波器模拟分析）


结果 -3dB带宽 80kHz〉 50kHz 满足设计要求

6 ）双踪示波器的实现* 样点采集次序交替、断续考虑最慢采样速率 20ms/ 点，选择断续方式* 样点数/页 20 点 /div × 10div=200 点（ 256 ）扩展方式 200 ×2=400 点（ 512 ）* 电路方案


选择方法二

7）触发电路 * 要求：内触发、正沿、触发电平可以调节； * 电路


说明：触发信号来自 A 通道；采用比较器，比较电平的极性为 + 、可以调节；输出为下降沿，向单片机申请中断（）。

3.2 信号的采样、量化、存储 (DSO 的基本技术）1 ）采样和模数转换器（ A/D ） A/D 的技术要求（ 1 ）转换速率 20 μ s/div 1 μs/ 点 1 Ms/s （ 2 ）量化位数 32 级 /div × 8=256 级 /8div

256=28 8bit 量化误差 1LSB=1/28 0.4%

（ 3 ）输入幅度 + （ 0---2 ） V

选择： TLC5510


关于 TLC5510 ① 内含 S/H ； ② 为半闪烁结构（ flash) ，两个 4bit 并行 A/D 组合为 8 bit 转换速率 20 Ms/s ； ③ 输入信号 + （ 0– 2 ） V ； ④ 基准电压 + 2V 等等 TLC5510 内部电路结构


2 ）数据存储器要求：存储容量单踪 512 byte，双踪 1024 byte；写速率 1 μs/ 点； RAM 或 FIFO或双口 RAM 。 3 ）电路方案


双 A/D ， RAM 实现双踪要求

3.3 后向通道 1) 设计要求将数字信号 (RAM 中的数据 ) 恢复为模拟信号并作为通用示波器的 Y 输入信号 (8V) ， A 、 B信号从同一个 Y端输入。要考虑的问题：信号恢复电路及器件选择，同步扫描电压，双踪显示。 2 ）信号恢复采用器件 D/A 恢复速率选择宜人的观察速率 10kHz 100 μs/ 点 256 点 × 100 μs/ 点 =25.6 ms (40 次 /秒）这样可以免除的高速 D/A 的要求（是 DSO 的优点）； D/A 选择 DAC0832 。


3 ）同步扫描电压设计 * 同步作用显示稳定的信号波形


* 同步扫描电压设计两种产生扫描电压的方法：通用示波器扫描电压 ( 要同步信号 ) 简易 DSO产生

选择由简易 DSO产生

* 扫描电压的产生用 D/A产生 D/A 选择 DAC0832 （与信号恢复器件一致） D/A 输入数据为 8 bit （ 00—FF） H递增，（实际为阶梯波而不是斜

波）关于扩展显示的信号恢复 ① 基本思想


② 恢复的数据在两个页面中取连续的 256 点③ 扫描电压与前相同因此，扩展显示是移动地在两个页面中显示一个页面，关键是

控制电路和软件。4 ）双踪显示要求：… 问题： A 、 B两个信号恢复后的显示如图（ a)所示，不便于观

察。实际要求将 A 、 B两个信号分别显示在通用示波器屏幕的上下方，如图（ b)所示，要求进行光迹分离。


光迹分离两种方法：电平位移；数据处理。

5 ）数据恢复电路

3. 部分电路设计及模拟有关解释： ① D/A YA 、 D/A YA

和 D/A X 分别用于恢复 A 、 B信号和产生扫描电压② A Y 和 A X 为 Y 和 X 的输出电路 . ③ 在同一地址的 A 、 B数据分时地进行恢复，否则两信号的光迹要重叠。

3.4 控制器的设计控制器的作用控制、数据处理；控制器的组成控制器自身、人机接口。 1 ）键盘性质矩阵扫描非编码键盘组成（ 8 个键）


对键盘的解释：（ 1 ）按下的键状态为“ 0” ；（ 2 ） s/div 和 V/div 为 +1 键编码关系见表 6.1 ；（ 3 ）默认的仪器工作状态： 0.2ms/div 、 0.1V/div ；（ 4 ）扩展移动键每按一次 +5 ；（ 5 ）底层控制器（ CPLD ）扫描键盘，有键按下时向顶底层控制

器（单片机）申请中断（）；（ 6 ）仪器的复位键（ RESET ）不属于键盘管理。


3 ）控制器的硬件设计（ 1 ） DSO 的操作时序键盘输入 (相关设置 )启动等待触发仪器操作（采

集、存储、数据处理、信号恢复、显示）见图 6.20 ，例如


（ 2 ）控制信号


种类用途来源静态信号

校零输入短路 CPLD

校满度输入端接 0.8V CPLD

程控增益和扫描速度分别接通增益和选择时钟 CPLD

动态信号

开始写数据 RAMa 和 RAMb 地址为 00H CPLD

停止写数据 RAMa 和 RAMb 地址为 FFH 或 1FFH CPLD

数据处理将零点偏移、满度校准以及光迹分离量计入采集数据

单片机和 CPLD

启动显示从 RAM 读数据至 D/A 单片机和 CPLD

扩展显示选择数据的起点地址 X 单片机和 CPLD

锁存显示不再采集数据，继续显示单片机和 CPLD

双踪显示 A 、 B 信号同时显示单片机和 CPLD

单次触发只产生一次触发扫描单片机和 CPLD

（ 3 ）控制器件的选择 MUC AT89C52 CPLD ACEX1K10 AT89C52 8bit 12MHz 、 8kbyte EEPROM 、 256byte RAM ACEX1K10 3.5ns 时钟 I/O EBA(512byte) ( 可以在线编程）从存储器的配置来说，如此选择是极其有利的

（ 4 ）控制器电路图



* 底层控制器电路


* 顶层控制器电路

① 两层控制器总线连接（ Part A ）

锁存器连接

直接连接

3. 部分电路设计及模拟* 对控制电路的说明 CPLD 部分

② 时钟信号产生电路（ Part B）时钟信号种类：输入 10MHz ； 3 种采样时钟（由扫选择）和 100Hz ；选择时钟的编码自 PartD

信号采集时：

数据来自 A/D ； Reset 开始存储（ 00H ）；

写时钟来自 PartB。信号恢复时：读时钟自单片机；读允许信号自 PartD ；

读出数据经过数据选择器至单片机。


③数据存储器（ Part C ）

锁存器（ a) 输出时钟选择码；锁存器（ b) 输出产生扫描电压

的数据；锁存器（ c) 至前向通道控制开关；缓冲器（ d) 传递键值编码它们的选通由单片机 P1 口通过 138 实现


④ 有关的控制信号（ Part D ）

扫描时钟 100Hz ，自 Part B；输出行扫描信号，读入列信号，输出键值编码，至 Part D ；向单片机申请中断。


⑤ 键盘扫描电路（ Part E）

* 对控制电路的说明单片机部分① 显示器是其外设；② 与 CPLD 的连接是 P0 、 P1 口；③ 键盘中断优线于触发中断；④ 输出信号恢复和产生扫描电压的数据；⑤ 单片机的有关设定 P1 口，表 6.4 内 RAM 的设定，表 6.5 前向通道的控制信号，表 6.6 补充说明：扫描速度为 0.2s/div 时，每采样一点就显示一次，否则要产生闪烁现象。4) 控制器的软件设计 (根据 DSO 的工作过程编写 ) 自顶向下，充分利用子程序和中断功能一个主程序和两个中断子程序



向单片机申请中断 ,再至 CPLD的 Reset 引脚，使其从地址 00H开始存储采集的数据 .

4 安装调试理论设计与实际工作之间；单元电路和级连电路之间；电路的实际负载能力。

5 测试结果 5.1 拟定测试方案

方案的组成对测试仪器的精度要求

5.2 测试结果记录 ( 测试项目要针对设计要求 )

* 单次和连续扫描 * 扩展功能 * 双踪示波 * 垂直灵敏度 * 扫描速度5.3 测试结果总评价 ( 误差≤ 5% 实事求是、中肯 )

5 测试结果

6 小结（ 1 ）模拟电路部分设计较合理；（ 2 ）两层控制；（ 3 ）充分利用片内存储器；（ 4 ）充分利用新颖电子技术。

7 展望（ 1 ）采用程控电阻（ 2 ）扩展功能的再扩展，利用双扫描和 CRT 的 Z通道（ 3 ）数字信号处理

电子设计竞赛是一项千军万马的活动，让我们在不同的岗位上共同努力！

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