简易存储示波器的设计.doc

毕毕业业论论文文 设设计计 简易存储示波器的设计简易存储示波器的设计 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 系系 别 别 专专 业 业 指导教师 指导教师 评阅教师 评阅教师 论文答辩日期论文答辩日期 答辩委员会主席答辩委员会主席 摘摘 要要 现代仪器正在向着智能化 便携式和虚拟化的方向发展 借助少许的采集硬件和通 用 PC 平台 仪器正在由单一化向集成化 由物理仪器向虚拟仪器方向发展 虚拟仪器 的发展必将推动现代仪器事业的发展 示波器是现代测试中必不可少的电子仪器 随着现代电子技术和通信技术的飞速进 步 示波器的实现方式正在经历着深刻的变革 传统的模拟示波器由于结构和功能上存 在的缺点 正在被功能强大 使用方便的数字示波器所取代 目前国产的测试用数字示 波器在技术上还比较落后 高性能的数字示波器主要靠进口 进口数字示波器虽然功能 强大 但价格太高 难以普及 另外 主流的数字示波器大都面向高频信号 高频 DSP 和数据采集芯片成本都很高 用于低频信号测试精度又难以满足要求 本设计针 对示波器开发以上的两个方面的问题 尝试开发了一种低频虚拟数字示波器 该示波器 除了具有传统模拟 CRT 示波器对波形的采集 显示等一般功能 还可以实现对波形数 据的存储 以及对波形参数的计算和显示 本设计要做的工作包括 分析了示波器的工作原理和虚拟示波器的结构 探讨了滤 波器的实现技术 选择切比雪夫低通滤波器作为低通滤波模型 并运用 Matlab 软件设 计了低通滤波器 选低成本单片机 PIC16F877 作为数据采集和处理单元 将采集到的 脉冲转换成数字信号 通过 RS232 串口传送到 PC 通过对数字存储示波器功能和结构 的分析 运用 Proteus 绘制了示波器各个模块的模拟和数字电路 对各电路的组成进行 了说明 仿真结果证明 设计的示波器能够对 20KHz 以内低频信号的获取和显示 满足普 通测试要求 具有结构简洁 操作方便 成本低廉的特点 且易于进行功能的扩展 拥 有广阔的应用前景 关键词关键词 PC MCU 虚拟 示波器 Abstract The oscilloscope is an indispensable testing instrument With rapid development in modern electronic and communication technology its actualization technology is also experiencing a profound revolution Due to its structural and functional defects the conventional analog oscilloscope is now being replaced by the convenient digital storage oscilloscope However the domestic produced digital oscilloscope for testing is still technically backward and the high power digital oscilloscopes are mostly foreign produced The imported digital oscilloscope is powerful but also expensive on the other hand can not put into popular use This study was targeted at solving the two problems mentioned above In the designed virtual oscilloscope a low cost PIC16F877 is selected as the unit for data acquisition and processing which converted the collected analog signal to digital information and then transferred it to PC through RS232 serial port for storage or display The stored signal can then be displayed on the screen of PC in wave form through a VC programmed software interface in Windows The designed oscilloscope has not only the functional of the conventional CRT oscilloscope like data collection and displaying but also storage and display of the waveform data as well as calculates and display the wave parameter The methods adopted in this design and the conclusions are listed below The working principle of oscilloscope and the structure of virtual oscilloscope are analyzed and the actualization technology of filter is discussed The Chebycov filter is selected as the low pass filter model and the filter was designed using Matlab By constructing the oscilloscope in a novel way of combining PICs and PC it not only met the testing demand but also reduced the cost to a minimum Based on the structural and functional analysis of the digital oscilloscope the analog and digital circuit of various modules of the oscilloscope is designed using Proteus together with introduction of the circuits Circuit simulation indicated the designing is satisfactory Conclusion The simulation of the designing was conducted by using a signal generator imulation result indicated that the designed oscilloscope met the testing demand by successfully capturing and displaying the low frequency signal with 20Hz in wave form The product has simple structure easy manipulation and low building cost The product has large potential in functional extension and good prospect in popularity Keywords PC MCU virtual oscilloscope 目目 录录 摘摘 要要 ABSTRACT 1 绪论绪论 1 1 研究的目的和意义研究的目的和意义 1 1 1 1 测量仪器的发展现状 1 1 1 2 示波器技术的发展 3 1 1 3 示波器软件开发工具 4 1 2 研究方法 内容与技术路线 4 1 2 1 研究方法及内容 4 1 2 2 技术路线 5 2 示波器设计原理示波器设计原理 2 1 示波器工作原理 7 2 1 1 模拟示波器工作原理 7 2 1 2 数字滤波器的工作原理 8 2 1 3 虚拟数字示波器 8 2 2 虚拟示波器设计要求 9 2 3 示波器中低通滤波原理和模型的选取 9 2 3 1 低通滤波原理 9 2 3 2 切比雪夫低通滤波模型的选取和设计 10 2 4 本章小结 11 3 示波器硬件设计示波器硬件设计 3 1 系统硬件结构 12 3 1 1 系统硬件的选择 12 3 1 2 数据采集硬件介绍 13 3 2 系统功能模块设计 14 3 3 采样方式的选择 15 3 4 系统模拟电路 16 3 4 1 电压增益电路 16 3 4 2 系统电源电路 17 3 5 系统数字电路 17 3 6 存储工作模式下的通信过程 18 3 7 本章小结 19 4 示波器软件设计示波器软件设计 4 1 软件设计思路 20 4 1 1 虚拟仪器的软件设计方法 20 4 1 2 软件的多线程实现 21 4 1 3 组件技术在虚拟示波器开发中的应用 22 4 2 系统软件网络结构 23 4 3 虚拟示波器系统模块设计 23 4 3 1 虚拟示波器的系统软件功能模块 23 4 3 2 数据采集模块的设计 24 4 3 3 A D 转换的设计 24 4 3 4 数据存储模块的设计 25 4 3 5 波形显示窗口的设计 25 4 3 6 用户控制界面的设计 26 4 4 本章小结 26 5 示波器仿真和测试示波器仿真和测试 5 1 测试流程 28 5 2 结果与分析 29 5 2 1 波形显示界面 29 5 2 2 波形显示工具栏 30 5 2 3 波形显示特点 31 5 3 示波器开发成本的计算 32 6 结论与展望结论与展望 3333 6 1 结论 33 6 2 展望 33 致致 谢谢 3535 参考文献参考文献 3636 附附 录录 3939 1 1 1 绪绪论论 1 11 1 研究的目的和意义研究的目的和意义 1 1 11 1 1 测量仪器的发展现状测量仪器的发展现状 随着微电子学和计算机技术的发展 测控仪器行业也同样经历着一场翻天覆地的变 革 现代测试系统越来越复杂 需要测试的数据量也越来越大 对测试的速度 精度 实时性 数据可信度 完整性以及测试系统的可靠性 智能化 开放性等要求也越来越 高 1 一方面 传统的测控仪器越来越满足不了测控技术的发展需求 其主要表现在 现代测控技术要求仪器不仅仅能单独测量数据 更希望仪器之间能够互相通信 实现信 息共享 从而完成对被测系统的综合分析 评估 得出准确判断 传统仪器缺乏相应的 计算机接口 因而配合数据采集与数据处理就十分困难 在传统测量控制方式中 对每 一个测量控制点必须配备一套相应的组合仪表 即采用组合仪表实物 每个单元自成一 体 连接线路复杂 故障较多 对于复杂的被测系统 为了正确使用各个厂家的不同测 试设备 用户需要的知识很多 仪器使用频率和利用率低 而且硬件存在冗余 采用智 能测量方式 虽然它所采用的智能化仪表是应用集成电路设计的 能减小体积及接线 并能降低故障率 但仍不能完全摆脱一对一的控制方式 另一方面 计算机技术的进步 为新型测控仪器的产生提供了技术基础 2 主要表现在 微处理器 MCU 和数字信 号处理 DSP 技术大大改变了传统电子行业的设计思想和观念 原来许多由硬件完成 的功能可以依靠软件来实现 面向对象技术和可视化程序设计语言为开发使用更方便 功能更强的应用软件提供了方便 网络技术的发展为数据的存储和远距离传输提供了条 件 使得远程采集信息和移动操作成为现实 鉴于以上两个方面的原因 基于计算机的测试仪器逐渐成为现实 随着电子技术 计算机技术 软件技术 网络技术的高度发展及其在仪器技术和测量技术上的应用 仪 表结构己经冲破传统仪器的概念 在功能和作用上已经发生了质的变化 产生了许多新 的测试仪器 测试理论 测试方法 测试领域 在这种背景下 虚拟仪器 就应运而 生了 虚拟仪器的核心思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化 以便最大程度地降低系统的成本 增强系统的灵活性 3 虚拟仪器技术发展很快 从 20 世纪 80 年代 NI 公司提出虚拟仪器的概念至今只有 短短的二十余年时间 但虚拟仪器产品已经占有了仪器市场很大的份额 虚拟仪器在很 多发达国家应用十分广泛 如电子测量 过程控制 电信 医学等领域 国外的著名示 波器厂家如泰克 安捷伦等公司都已经对虚拟仪器投入大量开发精力 并且已经有了相 关产品 从事仪器仪表研究的科学家和工程师清楚的认识到虚拟仪器不仅勿庸置疑地是 21 世纪仪器发展的主要方向 而且必将逐步取代传统的硬件化电子仪器 使成千上万 2 种传统仪器都融入计算机体系中 虚拟仪器的发展取决于三个重要因素 计算机是载体 软件是核心 高质量的 A D 采集卡及调理放大器是关键 大致来说 虚拟仪器在国外的发展可以分为三个阶段 4 1 利用计算机增强传统仪器的功能 这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线进行的 由于 GPIB 总线标准的确立 计算机 和外界通讯成为可能统的性能价格比不断上升 因而用户可以通过计算机控制仪器 而 随着计算机系 用计算机控制仪器成为一种趋势 经过近十年的发展 这些用户得到越 来越多的有关计算机控制仪器的软件 而且这些软件易学易用 最新的软件包括仪器驱 动库 数据分析函数库 图形接口函数库等 用户可以利用这些强有力的软件来增强自 己仪器系统的功能 使之能够分析和处理特定数据 并且可以显示结果 而不限于传统 仪器的固定功能之上 实际上 只要将传统仪器通过 GPIB 或 RS 232 同计算机连接起 来 这些新增功能就可以运转良好 因而用户可以将大量的独立仪器和计算机连接形成 用户自己设计的虚拟仪器 2 开放式的仪器构成 为满足仪器市场不断增长的需求 这时在仪器硬件上出现了两大技术进步 一是插 入式计算机单片机 plug in PC DAQ 二是 VXI 仪器总线标准的确立 这些新技术使仪 器的构成得以开放 消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别 仪器设计者和用户一样 企图尽可能提高效率和重复使用很多技术 仪器生产商建 立了他们自己设计的内在标准 使他们的微处理器 存储器 数据采集 分析 显示软 件等产品有利可图 许多在仪器上通用的元器件就是计算机里的标准件 这样使得计算 机成为构建虚拟仪器的理想平台 许多特殊功能件如 D A 数字 I 0 等都是模块化的功 能块 可以直接插在仪器上与仪器内部的处理器总线连接 所以用户可以将这些模块化 的插卡直接插在计算机的扩展槽内 另外 多个虚拟仪器可以共存于一台计算机上 而 且 像传统仪器一样 某个特定的仪器在一段时间内可以独享计算机的显示和控制部分 但是很多虚拟仪器能够共享显示 正是由于第二阶段虚拟仪器在软硬件上的这些进步 使得它的构建具备了开放性和更大的灵活性 得到了广泛的应用 5 第三阶段 虚拟仪器的框架得到了广泛的认同和采用 软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器所需要的东西封装起来 许多行业 标准在硬件和软件领域已经产生 常用的虚拟仪器平台开始逐渐成为虚拟仪器行业的标 准工具 发展到这一阶段 人们也认识到虚拟仪器软件框是数据采集和仪器控制系统实 现自动化的关键 NI 美国国家仪器公司 总结了这些观点并提出一句口号 软件就 是仪器 他们的软件产品也创造了整体的虚拟仪器框架 他们把离硬件较近的接口程 序和高级应用程序以及专门仪器的驱动程序组合起来 用户可以使用其标准硬件接口程 序包去控制四种数据采集产品中的一种或全部 这个接口程序包中包括用户设计程序的 函数库 NI DAQ 是设计插入式单片机的标准接口 NI 488 2 是设计 GPIB 的工业标准 NI VXI 是 VXI 的标准接口 接口软件包中的所有程序都可以运行于多种计算机和操作 3 系统 6 我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期 对仪器设备的要求更加强劲 虚拟仪器赖 以生存的计算机近几年以迅猛的势头席卷全国 为虚拟仪器的发展奠定了基础 虚拟仪 器作为传统仪器的替代品 市场容量巨大 一方面 目前我国高档台式仪器如数字示波 器 频谱分析仪 逻辑分析仪等还主要依赖进口 这些仪器加工工艺复杂 对制造水平 要求很高 生产突破有困难 另一方面 用户可以将一些先进的数字信号处理算法应用 于虚拟仪器的设计 提供传统仪器不具备的功能 而且完全可以通过软件配置实现多功 能集成的仪器设计 国内虚拟仪器研究的起步较晚 最早的研究也是从引进消化 N I 的产品开始 但经 过多年研究 我国已经在虚拟仪器开发方面形成了自己的特色 国家自然科学基金委员 会已将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一 并被列为 十五 期间优先 资助领域 我国国民经济的持续快速发展 加快了企业的技术升级步伐 先进仪器设备 的需求更加强劲 虚拟仪器赖以生存的个人计算机最近几年以极高的速度在中国发展 这些都为虚拟仪器在我国的普及奠定了良好的基础 因此 我国的虚拟仪器存在巨大的 发展潜力 对虚拟仪器的研究 我国从 90 年代中期开始 至今已有很多新的进展 在 国内 西安交通大学等采用面向对象技术研究了可组态生成不同虚拟仪器的可视化虚拟 仪器软件开发平台 重庆大学秦树人等提出了虚拟仪器产品的网络化开发方法 重庆大 学测试中心成功解决了文件难以有序交换的制约 把多种测试仪器的功能 技术参数和 精度指标集成在功能软件库中 用户只需把装有程序的软盘和一个手掌大的硬卡分别插 入软驱和计算机总线 就能在计算机中实现被集成仪器的各项功能 东方振动和噪声技 术研究所研制出可实现单机多功能 多用途的 INV 系列虚拟仪器 实现了 把实验室 拎着走 还有浙江大学 哈尔滨工业大学 中科泛华电子科技公司 陕西海泰电子公 司等一批高校和高科技公司在虚拟仪器的研究和开发中都做了大量有益的工作 取得了 一定成果 7 10 1 1 21 1 2 示波器技术的发展示波器技术的发展 示波器技术和仪器技术的总体发展是同步的 现代示波器在电子和通信技术的带动 下 主要向这一下两个方向发展 1 智能化方向 软件技术将成为示波器智能化的关键 目前市场上流行的科学仪器软件开发平台 Lab VIEW VEE Lab Windows CVI 以及各种编程软件等将进一步发展完善 而示波器 的软面板 测量仪器的控件 信号处理与分析 虚拟测量平台 智能虚拟示波器驱动器 工业自动化等专用软件将不断涌现 丰富了科学仪器研制与开发的软件库 通过数字信 号处理 DSP 技术来增强仪器的检测能力 而仪器的智能化将通过智能软件技术 如 故障自动定位 自修复 自适应于测试环境等 来实现 11 2 轻巧便携式方向 4 大规模集成电路的发展和基于芯片的仪器设计将使包括示波器在内的仪器趋向小型 化 专门化 操作简单化 整个发展趋势可表示为 实验室仪器 移动式 便携式 手 持式 芯片实验室 lab on chip 集成电路将促成仪器的轻巧化 而虚拟技术和通讯技 术的加入将使数据的采集和处理突破空间和时间的限制 真正实现仪器虚拟智能化 国 外著名示波器生产厂商 Tec 等的产品都已经实现了手持式 国内厂家的示波器产品也在 向着这一方向发展 12 1 1 31 1 3 示波器软件开发工具示波器软件开发工具 目前国内数字示波器的开发主要依靠数字信号处理 DSP 芯片或者告诉数据采集 卡 DSP 虽然具有快速信号处理能力 但往往需要掌握熟练的编程语言 如汇编语言 它的另一个缺点在于开发成本较高 数据采集卡硬件资源有限 常常需要和其它控制单 元配合使用 在虚拟仪器开发软件方面 美国微软公司的 VC 和美国 NI 公司的 Labview 都是虚拟仪器开发的强大工具 Labview 对开发者程序编写的能力没有过高要 求 采用图形界面 使用十分方便 VC 库文件丰富 在 Windows 中有更好的移植性 总之 各种处理硬件和开发软件都具有各自的长处 因根据设计的规模 结构和目的选 用最合适的开发工具 1 21 2 研究方法 内容与技术路线研究方法 内容与技术路线 1 2 11 2 1 研究方法及内容研究方法及内容 本课题研究的虚拟示波器针对低频信号的采集和显示 示波器采用以单片机和 FPGA 为核心 对采样方式的选择和等效采样技术的实现进行了重点设计 使作品不仅 具有实时采样方式 而且采用随机等效采样技术实现了利用实时采样速率为 1Hz 的 ADC 进行最大 20KHz 的等效采样 同时系统还具有可测 2mV 小信号 波形存储回放 测频 触发沿选择 校准信号输出等功能 系统组成结构及工作原理系统的硬件部分为 一块高速的数据采集电路板 它能够实现双通道数据输入 每路采样频率可达到 60Mbit s 从功能上可以将硬件系统分为 信号前端放大及调理模块 高速模数转换模 块 FPGA 逻辑控制模块 单片机控制模块 USB 数据传输模块 液晶显示和键盘控制 等几部分 整个系统是以 FPGA 为核心 包括前端模拟信号处理模块 单片机模块 显示模块和键盘输入模块 而信号的前级处理模块又包括射级跟随器 程控放大电路 整形电路 A B 通道的信号经前级处理变为 O 4 V AD9220 对其采样 波形存储控 制模块将其采样数据写入 FPGA 内部 RAM 再由波形显示控制模块进行显示 FPGA 通过编程设置实现测频 键盘扫描 显示驱动 波形存储控制等功能 单片机 AT89S52 控制整个系统键盘和点阵液晶模块实现人机交互 通过面板按键可方便调整波 形显示方式 本文的主要内容如下 5 1 文献综述 分析当前国内外仪器的发展趋势以及实现技术 确定示波器设计方 案 2 数字存储示波器理论分析和基本工作原理 确定示波器整体框架和实现方式 3 确定硬件框架 选择数据处理芯片 进行各个模块模拟和数字电路的设计和仿 真 以及系统分析论证 4 结合示波器模型和硬件结构 利用 VC 进行程序开发 编写包括 A D 转换 数据存储和显示控制界面的程序 主要内容是实现波形的多通道显示和控制调整 5 利用 Matlab 等工具进行软件仿真调试 测试代码的可执行性以及设计的合理 性 6 总结设计过程过程 展望未来发展方向 1 2 21 2 2 技术路线技术路线 采样速率的理论计算 以实时采样速率为 1MHz 的 ADC 实现最大 200MHz 的等效采样 是本题的最大难 点 也是设计的重点之一 其中 最大的采样速率计算如下 1 MAX N f t div 1 式中 N 每格的取样数 t div 扫描时间因数 扫描一格所占用的时间 亦称扫描速度 1 9 20 200 100 10 MAX fHzMHZ 2 此外 较宽的信号带宽 10Hz 10MHz 和较大的幅度动态范围 1mV 8V 也 给前级的信号调理电路提出了很高的要求 对此 我们考虑了以下几种方案 1 核心处理器选择 方案一 纯单片机方式 即完全由单片机来实现前级信号程控调理 采样保持电路 及 A D 转换器的控制 数据的处理及存储 波形显示和控制电路等功能 方案二 单片机与 FPGA 结合的方式 即由单片机来完成信号调理和人机界面等 顶层控制功能 而由 FPGA 来完成采集和信号处理等底层的核心计算 方案三 单片机与 DSP 结合的方式 单片机来控制实现对 A D 和 D A 转换的控制 DSP 对 A D 转换后的数字进行高速处理 加快了数据处理的速度 然后将数据传送给 D A 转换器进行 D A 转换 方案一的最大特点是只用单片机 系统规模可以做得很小 成本较低 但是 单片 机在处理高速信号时略显吃力 而且在时序控制方面也显得精度不足 方案三使用了高 6 性能的 DSP 数据处理芯片 但是不能很好的体现高的性价比 相比之下 方案二则更 加合理和可靠 FPGA 的应用已经相当的普遍和成熟 用其进行采样时钟控制和信号处 理 是提高系统性能和指标最有效的方法 因此 我们选择单片机与 FPGA 的结合来 作为系统的核心处理器 2 前级信号调理方案设计 方案一 一路调理 即所有信号 都通过同一路信号调理电路 经过相应的衰减或 放大设计 将信号幅度控制在合适的范围内 以便后级的数据采样 方案二 多路调理 即将不同频率范围或不同幅度范围的信号经过各自的电路进行 调理 示波器选择不同的档位 则选择了不同的信号通路 7 2 2 示波器设计原理示波器设计原理 本章主要介绍示波器设计理论 主要内容包括示波器的分类 各类示波器的工作原 理 通过对 CRT DSO DPO 等常用示波器实现结构的比较 以及低通滤波器的结构 和实现方法的研究 为后续设计奠定理论基础 2 12 1 示波器工作原理示波器工作原理 电子示波器是一种综合性的电信号测试仪器 它能把眼睛看不见的电信号转换成能 直接观察的波形显示于荧光屏上 利用波形幅度的大小和变化来反映加在示波器 Y 偏 转极板上的电压的相对大小和变化 从而反映出电磁感应中所产生的交变电动势大小 借助示波器可以研究感应电动势与其产生条件的关系 这在现代测试中尤其重要 很多 电量和非电量的测量都是借助传感器和示波器的帮助实现的 物理示波器按其结构原理 一般可以分为模拟示波器和数字示波器 而虚拟数字示 波器是用软件实现了一般数字示波器对数据的存储分析和后期处理等功能 13 2 1 12 1 1 模拟示波器工作原理模拟示波器工作原理 传统的模拟示波器把需观测的两个电信号加至示波管的 X Y 通道以控制电子束的 偏移 从而获得荧光屏上关于这两个电信号关系的显示波形 单踪模拟示波器一般由示 波管 Y 轴放大器 X 轴放大器扫描发生器 电源和测试探头等几大部分组成 示波器 图 2 1 所示为 CRT 示波器的结构框图 它由垂直系统 水平系统 Z 轴电路 中央处 理单元 CPU 及电源等几部分组成 14 16 垂垂直直 衰衰减减器器 垂垂直直前前 置置放放大大 通通道道 开开关关 延延 迟迟 线线 垂垂直直放放 大大电电路路 触触发发 同同步步 扫扫 描描 发发生生器器 水水平平放放 大大电电路路 字字符符放放大大器器 控控制制电电路路CPU Z轴轴 电电路路 Y X Z Y输输 入入 控控制制 信信号号 内内 外外外外触触发发 输输入入 示示 波波 器器 水水平平系系统统 图 2 1 CRT 示波器结构框图 8 模拟示波器具有操作简单 垂直分辨率高 数据更新快以及实时带宽和实时显示等 特点 而且不容易出现混淆波形 2 1 22 1 2 数字滤波器的工作原理数字滤波器的工作原理 常规的数字示波器是数字存储示波器 Digital Signal Oscilloscope 现代数字存储 示波器首先对模拟信号进行高速采样获得相应的数字数据并存储 用数字信号处理技术 对采样得到的数字信号进行相关处理与运算 从而获得所需的各种信号参数 根据得到 的信号参数绘制波形 并可对被测信号进行实时的 瞬态的分析 17 数字存储示波器 DSO 便于捕获和显示那些可能只发生一次的事件 通常称为瞬 态现象 它可以将波形信息以二进制序列存储起来 方便进行分析 存档 打印和其他 的处理 数字存储示波器一般由取样存储 读出显示和系统控制等 3 大部分组成 他们 之间通过数据总线 地址总线和控制总线相互联系和交换信息 以完成各种测试功能 图 2 2 为一个典型数字示波器的界面 18 图 2 2 典型数字示波器 显然 数字存储示波器与传统的模拟示波器相比具有下列的突出优点 1 可以根据被测信号的特点自动确定和调整测试条件 实现自动 离手测试 2 能够较容易地实现对高速 瞬态信号的实时捕获 3 在波形存储与运算方面有着明显的优势 2 1 32 1 3 虚拟数字示波器虚拟数字示波器 与传统示波器不同 虚拟示波器以透明的方式把计算机资源 如微处理器 内存 显示器等 和仪器硬件 如 All D A 数字 UO 定时器 信号调理板等 的测量 控 制能力结合在一起 在这种仪器系统中 不仅仪器的操控和测量结果的显示是借助于计 算机显示器以虚拟面板的形式来实现的 而且数据的传送 分析 处理 存储是由计算 9 机软件来完成的 这就大大突破了传统仪器仪表在这些方面的限制 方便了用户对仪器 的使用 维护 扩展和升级等 19 图 2 3 显示了虚拟示波器的结构组成和各部分功能 它包括了 DSO 示波器数据采 集和处理以及存储显示的部分 还可以通过软件吸纳一些附加的功能 经过采集的信号 数据 经过模数 A D 转换之后进行数据处理 然后可以通过两个通道传给计算机 其中之一是以二进制编码的方式直接传输 另外一条需要经过数模 D A 转换以模拟 波形的形式存储在计算机中作为显示和后期处理之用 20 模模 数数 转转 换换 数数 据据 处处 理理 计计 算算 机机 系系 数数 模模 转转 换换 波波形形显显示示存存储储 后后期期处处理理 输输入入 信信号号 直直接接传传输输 图 2 3 虚拟示波器功能模块 2 22 2 虚拟示波器设计要求虚拟示波器设计要求 基于对测试信号和应用领域的分析 对要设计的虚拟示波器提出一下要求 1 能够采集 存储和显示 20KHz 以内的低频信号 分辨率应该不小于 1 256 要 能对信号参数进行简单的显示和分析 2 为了使得 A D 在合适的模拟输入信号幅度下进行转换 应该根据垂直灵敏度 的要求选择信号调理电路相应的增益 3 能够同时进行 4 通道的采集和显示 并且可以对信号参数进行调整 4 开发应该控制成本 软件开发应该保证程序的可移植性 2 32 3 示波器中低通滤波原理和模型的选取示波器中低通滤波原理和模型的选取 2 3 12 3 1 低通滤波原理低通滤波原理 数字滤波器是数字信号处理中使用的最广泛的一种线性系统环节 也是示波器数据 采集系统中一个必不可少的环节 它的输入输出均为数字信号 通过一定运算关系改变 输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分 从而达到对期望信号的选取 10 这里我们设 x n 是系统的输入 X ejw 是其傅立叶变换 设 y n 是系统的输出 Y ejw 是其傅立叶变换 21 则有 2 1jwjw n m yh nm x mFX eH e 1 由式 2 1 可以看出 输入序列的频谱经过滤波器 其系统性能用 H ejw 表示 后变 成 X ejw H ejw 选取 H ejw 使滤波器输出 X ejw H ejw 符合我们的要求 这就是数 字滤波器的工作原理 2 3 22 3 2 切比雪夫低通滤波模型的选取和设计切比雪夫低通滤波模型的选取和设计 通常采用的低通滤波器模型包括巴特沃斯和切比雪夫滤波器 巴特沃斯滤波器设计 中为了某一性能达到标准 往往迫使滤波器阶数过高 过渡带过宽 切比雪夫滤波器能 够将误差均匀地分布在通带或阻带内 可使滤波器的阶数大为减低 另外它能在通带产 生最佳的衰减 即具有最快的滚降 这里结合第一张中提出的示波器的设计指标 通过 分析 选择切比雪夫滤波器作为低通模型 切比雪夫滤波器的传递函数表达式如 2 4 所 示 22 25 2 21 0121 out n innn VG Vaa sa sass 2 其中 在通带波动的称为切比雪夫 I 型滤波器 在阻带波动的称为切比雪夫 II 型滤 波器 这里我们采用 I 型 低通滤波器的可以在很多软件环境下进行自动设计 输入滤波器参数 选定滤波器 模型就可以设计出滤波器的框架和基本电路 这里选用 Matlab 中的滤波器设计工具 FDAtool 进行示波器数据采集系统中低通滤波器环节的设计 设置滤波器的通带截止频 率 fp 20000Hz 阻带截止频率 fs 40000Hz 最大衰减为 60 fp 20000 fs 40000 rp 1 rs 60 wp 2 pi fp ws 2 pi fs N wo cheb1ord wp ws rp rs s 求阶数和截频 B A cheby1 N rp wo s 滤波器参数 多了 rp H w freqs B A plot w 2 pi 20 log abs H log 10 Matlab 集成了一套功能强大的滤波器设计工具 FDATool 可以完成各种滤波器的 设计分析和性能评估 11 通过 FDA tool 可以完成对滤波器的包括幅频响应 相频响应 幅频和相频特性 比较比较 冲击相应 阶跃响应 零极点图等特性的分析 列出滤波器系数 还可以进 行量化噪声分析 通过对以上参数的分析 可以修改 FIR 滤波器模型 2 42 4 本章小结本章小结 本章简要介绍了各种示波器的结构和原理 阐述了示波器设计中的一些指标和术语 重点介绍了示波器通用结构中滤波器的结构原理 通过理论上的分析 得出如下结论 1 虚拟数字示波器是现代示波器技术的发展方向 随着现代电子通信技术的发展 虚拟示波器的功能将会越来越强大 结合相关的虚拟软件平台 个人 PC 就将成为一个 多功能的测试平台 2 滤波器在示波器信号选取中发挥着重要作用 应该根据所设计示波器的类型和 测试目的选取合适的数字滤波器类型 本文中作者结合设计目的 通过比较滤波器模型 和实现方法 最后确定采用切比雪夫滤波器软件实现低通滤波 3 提出了示波器的设计要求和技术指标 12 3 3 示波器硬件设计示波器硬件设计 本章主要是对示波器硬件部分的设计 其中包括数据采集硬件的选取以及结构分析 主要模块模拟电路和数字电路的设计 以及理论分析与参数计算 数据芯片选为 PIC16F877 电路设计工具是 Proteus 设计电路包括输入电压增益 A D 转换和功率电 路 通信协议部分包括实时工作方式和存储工作模式 3 13 1 系统硬件结构系统硬件结构 本系统采用单片机和 FPGA 作为数据处理和控制核心 将设计任务划分为输入电路 触发信号产生 数据处理与存储 波形显示 控制面板等功能模块 输输入入 电电路路 A A D D 转转换换 触触发发 电电路路 单单片片机机 D D A A 转转换换 Y Y输输入入 普普通通示示 波波器器 X X输输入入 Y Y 输输出出电电路路 X X 输输出出电电路路 荧荧光光 屏屏 键键盘盘 显显示示器器 程程控控增增 益益控控制制 低低频频滤滤波波 电电平平转转 换换电电路路 比比较较电电路路 输输入入信信号号 F FP PG GA A控控制制部部分分 R RA AM M 1 10 00 0K KH Hz z D DD DS S 图 3 1 系统总体框图 3 1 13 1 1 系统硬件的选择系统硬件的选择 虚拟示波器一般都是由主机和从机组成 主机为微型计算机 从机为数据采集子系 统 从机采集输入电压信号 主机完成虚拟示波器软面板的功能 实现对单 多双通道 电压的波形及数据显示 26 30 本设计的目的是设计 组建和测试一个基于 PC 的低成本的数字实时存储示波器 数据处理硬件的选取上应该在满足对低频信号测试要求的前提下 尽可能选取编程方便 价格便宜的芯片 PC 和单片机 PICs 组成了虚拟示波器的硬件平台 单片机构成了 虚拟示波器的数据采集和控制单元 其性能指标直接决定着虚拟示波器的采样速率 精 13 度等主要指标 CPU 的速度及计算机的内存影响着示波器处理数据的速度 计算机的 硬盘决定着它的存储数据的容量 这里通过对各种 MCU 的分析和比较 设计者选择了 Microchip 公司的 PIC16F877Flash 单片机作为数据采集硬件 PIC16F877 是新一代 8 位数字信号处理单片机 采用 Harvard 双总线结构 运行速 度快 工作电压低 全静态设计 带有 EPROM 体积小 另外 PICs 具有高速数据采 样 A D 转换 多种触发方式 能够自动对设定的通道进行检测等功能 己经广泛地应 用于军事 航空 通信 无线电 雷达 高能物理中 具有较高的性价比 所以本文采 用 PIC16F877 作为信号采集和处理硬件 通过 RS232 串口和 PC 相连 31 32 3 1 23 1 2 数据采集硬件介绍数据采集硬件介绍 PIC16F877 是一个高性能的闪存微控制器单元 Micro Control Unit 可以提供给 设计者尽可能大的灵活性 除了拥有 8192 14 个字节的闪存程序存储器 256 个字节 的数据存储单元 368 个字节的用户 RAM 还有一个 8 通道的 10 位 A D 转换器 外设 包括 2 个 8 bit 计数器 一个 16 bit 计数器 一个看门狗计数器 它的 40 个管脚分部如 图 3 1 所示 尤其重要的是 PIC16F877 还有强大的编程功能 用户可以使用 C 语言 对 PIC16F877 进行编程 并可以通过 PCI 总线将数据高速传递到内存区域 它支持低 电压自动编程 用户可以在设备工作电压下对设备编程 电路内调试功能允许用户在没 有电路内置仿真器的情况下对 PIC16F877 进行仿真 33 图 3 2 PIC16F877 管脚分部 PIC16F877 拥有一个能够和 8 个输入引脚相连接的 ADC 图 3 2 是 PIC16F877 的 内置 10 bitADC 的电路简图 20 从该图中可以看出输入模拟通道 AN4 0 和端口 A 相接 而通道 AN7 5 和端口 E 相连 一旦 ADC 系统复位 所有管脚都被设置成接受模拟信号 那些被重新设置成数字 I O 的管脚不能被连接用以接受模拟信号 PICs8 个 ADC 管脚中的 4 个用于数据采集 一个 MAX232 buffer 用于将 PICs 14 UART 的串行逻辑转换成正确的 RS232 格式 此外还需要设计一个模拟电路以确保输 入电压落在 0 5V 的区间 即实现对大输入电压的衰减和对小输入电压的放大 图 3 3 显示了这种电压的转变过程 其中 10V 的峰值电压被将为 5V ADC 取值 1024 0V 被 2 5V 取代 ADC 取值 512 而 10V 则对应 0V ADC 取值为 0 这个过程可以使 用 2 个 741op amps 来实现 另外可以采用一些二极管用于保护 PIC 免于经受电压过载 带来的冲击 34 图 3 3 输入电压区间的转化 3 23 2 系统功能模块设计系统功能模块设计 虚拟示波器除了具备物理示波器的一般功能 并且还加入了一些附加的功能模块 所设计的示波器主要包括 数据采集模块 低通滤波模块 A D 转换模块 数据传输模 块 数据存储模块 D A 转换模块 波形显示模块 示波器功能模块如图 3 5 所示 35 数数据据采采集集 低低通通滤滤波波 A D转转换换 数数据据传传输输数数据据存存储储 频频谱谱分分析析 参参数数调调节节 波波形形显显示示 控控 制制 窗窗 口口 帮帮助助文文件件 图 3 4 示波器的功能模块框图 数据采集系统的任务是采集原始的模拟信号 把它们转换为计算机可以处理的数字 信号 其主要指标有采样精度和采样速度 低通滤波模块主要任务是滤除包含在期望信号中间的高频噪声 15 A D 转换模块的主要任务就是将采集到的模拟电压转换成二进制数字信息并加以存 储或者直接传输到 PC 数据存储模块的主要功能是将 A D 转换得到的二进制信息存储在单片 ROM 中 以 备传输和显示 数据传输模块的主要任务就是将 A D 转换达到的数据进行传输 A D 转换模块的主要任务就是将 PC 接收到的二进制数字信息重新转换成模拟电压 信号 波形显示模块的主要任务就是将经过 D A 转换后的信息通过相位平移和波形重建 技术在 pc 屏幕上以波形的方式现实出来 频谱分析模块的主要任务就是对所显示的波形信息进行分析 提取特征参数并进行 参数显示 帮助文件主要针对示波器使用中出现的一些问题做必要的说明和解释 3 33 3 采样方式的选择采样方式的选择 在现代存储示波器中 通常有两种采样方式 实时采样和等效时间采样 1 实时采样 实时采样的含义是在信号存在周期进行采样 当数字化一开始 信号的波形的第一 个采样点就被采入并数字化 然后经过一个采样间隔 再采入第二个样本 一直将整个 波形数字化后存入存储器 按照采样定理 采样速率必须高于信号中最高频率分量的 2 倍 对于周期性正弦信号 一个周期内应该有 2 个采样点 如果采样频率不够高 就会 产生 混叠 现象 36 考虑到实际因素的影响 为了不失真地恢复原被测信号 采样 率要在带宽的五倍以上 最好能在八到十倍 即一个周期内应该有 20 个采样点左右 图 3 6 是实时采样的效果图 图 3 5 实时采样效果图 实时采样的主要优点在于波形可以即时采入 因此适合于任何形式的信号波形 重 复的或不重复的 它的缺点是速度分辨率较差 16 2 等效时间采样 实时采样受到采样频率的限制 采样速率越高采样器的价格 主要是 A D 的价格 就越贵 但是对于周期性信号可以采样等效时间采样方法 等效时间采样的定义是 从 重复性信号的不同周期经过多次单采样 取得足够的采样点来重建这个重复信号的波形 图 3 7 是等效时间采样的效果图 37 等效采样必须满足重复信号和稳定触发两个条件 图 3 6 等效时间采样效果图 采样方式的比较和选择 等效时间采样虽然可以进行高频信号采样 但是步进延迟 的采样技术较难实现 另一方面本文中所设计的示波器主要用于测量模拟示波器难于捕 获的低频信号 因此采用 PIC16F877 在实时采样工作方式下就很容易实现 3 43 4 系统模拟电路系统模拟电路 3 4 13 4 1 电压增益电路电压增益电路 图 3 8 是用于输入电压增益 放大和衰减 的模拟电路 38 用以确保电压范围落在 0V 5V 之间 第一个运算放大器用于保证电压的负极性 例如将电压范围 1V 1V 的输 入转换成 0V 2V 的输入 第二个运算放大器是一个反相放大器 用于改变电压极性并 作适当放大 第三部分的 2 个齐纳二极管用于保护作用 因为过大的电压 超过 5V 会破坏 PIC 中的 A D 转换器 5V R5 2K 2 5to2 5V input R1 1K 2 5to2 5V input 2 5to2 5V input R3 100K R4 1K 15V 15V IC741 R6 10K R7 10K 15V 15V IC741 5V D1 D2 C1 ToADC R8 150 图 3 7 电压变换模拟电路 17 可变电阻的作用主要在于校准 1 把接地电压 1V 转换为 1V 用 VR3 校准直到第一个运算放大器的输入变成 1 5V 2 改变 VR4 直到齐纳二极管和 2 个 150R 电阻之后的输出为 205V 3 反变 1V 到 1V 输入一个 10 10V 的电压 并且用 VR1 校准 电路的优点 1 全部采用定值电阻 降低了成本 2 对超大的输入电压进行运算放大 衰减 保护范围能用微控制器控制