微型虚拟示波器的设计与实现

微型虚构示波器的设计与实现微型虚构示波器的设计与实现接触USB总线已经有5年左右的时间了，刚接触USB时就采纳了周立功代理的芯片——PDIUSBD12，该芯片为USB设施控制器，能够实现批量12Mbps的数据传输率.采纳该芯片我设计了一些数据收集系统以及信号发生系统，主要应用于虚构测试。这里我想总结一下我从前设计实现的微型虚构示波器，并对示波器的关键技术作一下简单总结。实物展现微型虚构示波器一共设计了三版,下列图是一个稳固版本。总的来说体积仍是相当小的，技术指标也还能够，能和一台一般20MHz带宽的模拟示波器相媲美。上图所示的板子为示波器的核心部分，还需要前向通道电路，实现阻抗般配、信号衰减以及程控放大.上位机的测控软件鉴于Labview平台,软件界面以下列图所示，Labview经过CLF接口接见动向链接库,进而操作硬件系统。点击看原图虚构示波器的硬件部分达成信号获得，实质为一个数据收集系统。软件部分达成信号办理，定义详细仪器的功能。假如只要要显示时域波形，那么该仪器定义为示波器,假如需要定义成频谱剖析仪，那么加入频谱剖析的算法环节(FFT频域变换）就能够了。设计实现的微型虚构示波器指标以下:1、鉴于USB总线,无需外面电源，即插即测;2、体积小，80mm×65mm，一般人手掌大小；3、±5V（1:1示波器探头）双极性信号输入;4、×0.5、×5倍程控放大；5、单/双通道可选择输入模式；6、实现单通道80MHz采样率,双通道40MHz采样率;7、单通道64K板载储存器，双通道32K板载储存器，而且程控调理储存容量8、8位垂直数据分辨率；9、外触发、程序触发等工作模式;10、8级采样频次程控选择；11、WDM驱动程序,合用于WINDOWS98/2000/XP操作系统；12、采纳DLL动向连结库与LabVIEW连结；系统原理框图微型虚构示波器的系统原理框图以下所示：输入信号经过无源探头进行阻抗般配，设计的输入阻抗为1MR/20PF。般配以后的信号经过衰减网络、前置放大通道,而后输入至双通道高速采样模块。双通道采样模块将信号采样、量化以后在CPLD的逻辑控制下直接输入至缓存，当缓存中的数据累计到必定程度以后，数据经过USB接口批量传输至PC，测控软件对信号进行办理、显示。要点技术剖析（一）高速采样双通道高速采样模块是系统的设计核心。示波器中常用的数据收集主要有以下三种

:1、双通道独立采样模式.在该模式中，双通道ADC对各自的通道独立采样，采样获得的数据分别存入各自的缓存空间,PC软件会显示双通道的独立信号。在这类模式下,每通道的数据采样率决定于ADC的实质能力.2、双通道并行采样模式。在该模式下，双通道的ADC聚合采样同一通道的信号,两个通道的采样脉冲相位差180度，双通道获得的信号经过PC软件进行交错聚合，输入一个通道的信号。采纳并行采样的方法能够在固定ADC的采样能力的基础上提高采样率。3、等效采样模式。该模式只好对周期信号进行采样，经过相移采样脉冲，采样多个周期下的信号波形，进而实现低采样率下的高速信号获得。本设计实现了（1）、（2）两种采样模式,核心的采样ADC采纳了TI企业供给的TLC5540，该芯片为半闪速8位高速模数变换器，最高采样率能够达到40Msps，输入信号频次带宽75MHz，内置基准点压源，在往常状况下，该芯片的功耗仅为75mW。在并行采样模式下，系统实质采样率能够达到80Msps,可是需要供给一个相差180度的采样时钟信号，为了防止逻辑门电路带来的延时,系统没有采纳非门实现采样时钟，而是经过JK触发器产生两路同频反相的时钟信号。（二)无源衰减网络示波器的一大特色在于信号的动向范围宽，频谱范围宽。为了保证数据收集系统能够正常工作，需要对大信号进行衰减，为了使得在宽频的信号范围下，信号不产生畸变，一般采纳无源阻容分压器。阻容分压器考虑输入信号的频次特征，在低频状况下直接为电阻分压比,在高频状况下，为电抗分压比。无源衰减网络实质上为一个均衡电桥，在一般的无源示波器探头中都存在一个调谐电容,调整该电容能够使得均衡电桥达到最正确赔偿状态，在该状态下，信号衰减率就与频次没关了，因此能够在一个较宽的频带范围内，实现固定的信号衰减.(三）程控放大无源衰减网络输出信号输入至程控放大器，程控放大器采纳美国德州仪器企业生产的FET输入宽频运算放大器OPA655和日本东芝企业最新推出的微型固态继电器AQY210实现.经过DC—DC变换模块将+5V电源变换成—5V电源,作为OPA655供电电源。OPA655是美国德州仪器企业（TI）生产的FET输入高阻宽带运放,常用作宽频光电检测放大器，测试丈量仪器前置放大器.(四）储存系统在示波器技术中，储存技术起到了要点作用，常常也是系统的瓶颈所在，因此当前商用示波器系统中储存芯片常常都要示波器厂商自己设计.因为本设计的采样频次不是很高，因此能够采纳IS61C256静态RAM作为储存介质，此外经过CPLD中的逻辑电路达成储存的时序接口。(五）USB通讯接口USB通讯接口采纳了D12+AT89S52的设计方案，该方案能够实现12Mbps的批量数据传输。批量传输的数据包最大能够达到64字节。Usb通讯接口的设计需要设计固件程序、驱动程序以及应用程序所需的DLL动向链接库。对于虚构示波器，USB1.1标准的接口性能偏低，当前能够考虑USB2.0标准的接口，通讯速率能够达到480Mbps。(USB设计资料：Tiloog’sblogfortechnology供给了USB固件源码,此外，computer00也供给了好多对于usb的设计事例及资料)示波器设计心得该微型虚构示波器已经设计多年了，设计之初考虑许多的是通讯接口、数据收集以及前向通道。特别是通讯接口是设计的要点,因为当时USB通讯设计仍是特别热点的事情，不简单将USB通讯搞通。数据收集也有必定的挑战性,因为采样率需要达到80Msps,另一个有难度的就是前向通道，可是,设计之初没有对前向通道投入足够的时间，不过做了简单设计,因此，从严格意义上讲，该系统还不可以称之为“示波器"。从我当前的认识来讲，示波器设计的核心在于前向通道、模数变换这两块，对于单台仪器来讲通讯接口问题不是很大(集成系统的通讯接口另当别论).前向通道的信号放大、衰减电路都特别重要，特别是现在的示波器通道带宽已经达到10GHz以上的水平,因此，前向通道面对着大动向范围、宽频的挑战，这是示波器设计的核心。模数收集也十分重要，跟着频次的提高,对模数变换提出了更高的采样率需求，当输入信号在10GHz量级时，采样率需要达到20GHz以上，因此模数变换器是示波器的核心器件，此外,高速采样必定需要大容量高速储存,因此对储存器的接见延缓、接见带宽提出了更高的要求。硬件都不是理想的，多多少少都会存在失真,都会存在非线性，因此示波器往常需要各种各种的赔偿,在示波器技术中，当前应用最多的是采纳DSP技术进行频域、时域的赔偿。经过赔偿，能够拓宽前向通道的带宽，经过校订能够滤除宽带引入的随机噪声。因此，DSP技术在示波