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ABRESETYX通用示波器简易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8×10div2；(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，20μs/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(1μs)，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(1μs)，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

选择择方方案案（（3）MUC和CPLD控制制器器框框图图：：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.方案案讨讨论论2.3技术术指指标标初初步步分分配配（误误差差是是定定量量指指标标））（1）信信号号通通道道前向向通通道道（（采采集集、、存存储储））≤2.5%后向向通通道道（（恢恢复复））≤2%2.5%+2%=4.5%≤≤5%（2）时时基基（（时时间间基基线线、、扫扫描描速速度度））控制制信信号号（（采采样样时时钟钟））误误差差忽忽略略不不计计扫描描电电压压及及输输出出电电路路≤2%2.方案案讨讨论论简易易DSO划分为3个部分:

Y通道（前前、后向向通道））、X通道和控控制器3.1前向通道道*作用（（初步构构思）3.部分电路路设计及及模拟S1校零，S2校满度*内内容信号调理理电路；；低通通滤波器器；电平平移位；；前向通道道通道性性能分析析；双踪踪显示；；触发电电路。3.部分电路路设计及及模拟1）输入电电路*要要求:Ri’≥100kΩ，输入噪声声电压影影响；*输输入电电阻（阻阻抗）对对被测系系统的影影响Z越高，影影响越小小。*输输入电路路3.部分电路路设计及及模拟*取取R≥100kΩ*运算放大大器LF353初步核算算：输入电阻阻Ri’=R//Ri≈R≈≈100kΩ；输入端噪噪声电压压3.6nV，而最高灵灵敏度时时的测量量分辨力力为312μμV，3.6nV《312μV2）信号号调理电电路*作用使使信信号符合合A/D输入的要要求（预计A/D输入≤2V）*增益计算算输入幅度度灵灵敏度度×8div8V，0.8V，0.08增益0.25，2.5，25（由程控控实现））*电路图3.部分电路路设计及及模拟*有有关解释释程控开关关Sn必须是模模拟开关关，选择择集成开开关MAX4501；增益调节节电阻Rnn，模拟开关关的内阻阻计人其其中；补偿电容容改改善善通道频频响特性性3.部分电路路设计及及模拟3）低通滤滤波器*作作用：：抗混迭迭采采样信号号的频谱谱混迭现现象及改改善方法法3.部分电路路设计及及模拟*抗抗混迭滤滤波器电电路*有有关解释释运算放大大器构成成有源低低通滤波波器；二阶Butterworth低通滤波波器.3.部分电路路设计及及模拟4）电平移移位电路路假设A/D要求+极性输入入电压，，而此前前电路输输出±极性电压压。5）前向通通道性能能分析*目目的：阶阶段性小小结*内内容：频频率特性性的模拟拟；元器件参参数的影影响；环境温度度的影响响。3.部分电路路设计及及模拟前向通道频频率特性的的模拟（用EWB对程控增益益放大器和和低通滤波波器模拟分分析）3.部分电路设设计及模拟拟结果-3dB带宽80kHz〉50kHz满足设计要要求6）双踪示波波器的实现现*样点点采集次序序交替替、断续考虑最慢采样速率20ms/点，选择断续方式*样点点数/页20点/div××10div=200点（256）扩展方式200××2=400点（512）*电路路方案3.部分电路设设计及模拟拟选择方法二二7）触发电路路*要求求：内内触发、正正沿、触发发电平可以以调节；*电路路3.部分电路设设计及模拟拟说明：触发信号来来自A通道；采用比较器器，比较电电平的极性性为+、可以调节节；输出为下降降沿，向单单片机申请请中断（））。3.2信号的采样样、量化、、存储(DSO的基本技术））1）采样和模数数转换器（（A/D）A/D的技术要求求（1）转换速率20μs/div1μs/点1Ms/s（2）量化位数32级/div×8=256级/8div256=288bit量化误差1LSB=1/280.4%（3）输入幅度+（0---2）V选择：TLC55103.部分电路设设计及模拟拟关于TLC5510①内含S/H；②为半闪烁结结构（flash)，两个4bit并行A/D组合为8bit转换速率20Ms/s；③输入信号+（0–2）V；④基准电压+2V等等TLC5510内部电路结结构3.部分电路设设计及模拟拟2）数据据存储器要求：存储容量单单踪512byte，双踪1024byte；写速率1μs/点；RAM或FIFO或双口RAM。3）电路方案3.部分电路设设计及模拟拟双A/D，RAM实现双踪要要求3.3后向通道1)设计要求将数字信号号(RAM中的数据)恢复为模拟拟信号并作作为通用示示波器的Y输入信号(8V)，A、B信号从同一一个Y端输入。要考虑的问问题：信号号恢复电路路及器件选选择，同步步扫描电压压，双踪显示。2）信号恢复复采用器件D/A恢复速率选选择宜人的的观察速率率10kHz100μs/点256点×100μs/点=25.6ms(40次/秒）这样可以免除的的高速D/A的要求（是是DSO的优点）；；D/A选择DAC0832。3.部分电路设设计及模拟拟3）同步步扫描电压压设计*同同步作用显显示稳定定的信号波波形3.部分电路设设计及模拟拟*同同步扫描电电压设计两种产生扫扫描电压的的方法：通用示波器器扫描电压压(要同步信号号)简易DSO产生选择由简易DSO产生*扫描描电压的产产生用D/A产生D/A选择DAC0832（与信号恢复器器件一致））D/A输入数据为为8bit（00—FF）H递增，（（实际为阶阶梯波而不不是斜波））关于扩展显示的信号恢复复①基本思想3.部分电路设设计及模拟拟恢复的数据据在两个页面面中取连续续的256点扫描电压与与前前相同因此，扩展展显示是移移动地在两个页面中中显示一个个页面，关关键是控制制电路和软软件。4）双踪显示要求：…问题：A、B两个信号恢恢复后的显显示如图（（a)所示，不便便于观察。。实际要求求将A、B两个信号分分别显示在在通用示波波器屏幕的的上下方，，如图（b)所示，要求进行光光迹分离。3.部分电路设设计及模拟拟光迹分离两两种方法：：电电平位移移；数据处理。5）数据据恢复电路路3.部分电路设设计及模拟拟有关解释：：①D/AYA、D/AYA和D/AX分别用于恢恢复A、B信号和产生生扫描电压压②AY和AX为Y和X的输出出电路路.③在同一地址址的A、B数据分时地地进行恢复复，否则两两信号的光光迹迹要重叠叠。3.4控制器的设设计控制器的作作用控控制、数数据处理；；控制器的组成成控制制器自身、人人机接口。1）键盘性质矩阵阵扫描非编码码键盘组成（8个键）3.部分电路设计计及模拟对键盘的解释：：（1）按下的键状状态为“0”；（2）s/div和V/div为+1键编码关关系见表6.1；（3）默认的仪器器工作状态：：0.2ms/div、0.1V/div；（4）扩展移动键每每按一次+5；（5）底层控制器器（CPLD）扫描键盘，有有键按下时向向顶底层控制制器（单片机）申申请中断（））；（6）仪器的复位位键（RESET）不属于键盘管管理。3.部分电路设计计及模拟3）控制器的硬硬件设计（1）DSO的操作时序键盘输入(相关设置)启动等等待触发仪仪器器操作（采集集、存储、、数据处理、、信号恢复、、显示）见见图6.20，例如3.部分电路设计计及模拟（2）控制信信号3.部分电路设计计及模拟种类用途来源静态信号校零输入短路CPLD校满度输入端接0.8VCPLD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00HCPLD停止写数据RAMa和RAMb地址为FFH或1FFHCPLD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）控制器器件的选择MUCAT89C52CPLDACEX1K10AT89C528bit12MHz、8kbyteEEPROM、256byteRAMACEX1K103.5ns时钟I/OEBA(512byte)(可以在线编程程）从存储器的配配置来说，如如此选择是极极其有利的（4）控制器电路路图3.部分电路设计计及模拟3.部分电路设计计及模拟*底层控控制器电路3.部分电路设计计及模拟*顶层控控制器电路①两层控控制器总线连连接（PartA）锁存器连接直接连接3.部分电路设计计及模拟*对控制电电路的说明CPLD部分②时钟钟信号产生电电路（PartB）时钟信号种类类：输入10MHz；3种采样时钟（由由扫选择）和和100Hz；选择时钟的编编码自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：：读读时钟自单单片机；读读允允许信号自PartD；读出数据经过过数据选择器器至单片机机。3.部分电路设计计及模拟③数据存储器器（PartC）锁存器（a)输出时钟选择择码；锁存器（b)输出产生扫描描电压的数据；锁存器（c)至前向通道控制开关关；缓冲器（d)传递键值编码码它们的选通由由单片机P1口通过138实现3.部分电路设计计及模拟④有关的的控制信号（（PartD）扫描时钟100Hz，自PartB；输出行扫描信信号，读入列列信号，输出键值编码，，至PartD；向单片机申请请中断。。3.部分电路设计计及模拟⑤键盘盘扫描电路（（PartE）*对对控制制电路路的说说明单单片片机部部分显示器器是其其外设设；与CPLD的连接接是P0、P1口；键盘中中断优优线于于触发发中断断；输出信信号恢恢复和和产生生扫描描电压压的数数据；；单片机机的有有关设设定P1口，表表6.4内RAM的设定定，表表6.5前向通通道的的控制制信号号，表6.6补充说说明：：扫描速速度为为0.2s/div时，每每采样样一点点就显显示一一次，，否则则要产产生闪烁现现象。。4)控制器器的软软件设设计