便携式数字存储示波器设计Word格式.docx
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sdesignobjectisbasicallyachieved.
KeyWords:
DSO;
Single-chipMicrocomputer;
CPLD;
LCD
第1章绪论
1.1示波器简介
人类在认识自然和改造自然的过程中,必定要进行测量活动。
电子测量,从广义上来说是利用电子技术进行的测量。
电子测量仪器则是采用电子技术测量电量或者非电量的测量仪器。
它是电子工业的基础和先行,近年来发展极为迅速,已成为一门独立的学科。
可以说,一个国家的电子测量技术水平,在一定程度上反映了该国的电子技术水平。
电子示波器能够将人眼无法直接看见的电子束运动状态与电信号的瞬变信号以曲线、图形、字符或数据域参数的形式清晰地展现在荧光屏或者其他显示器屏幕上,变成人眼能够直接观察到的光迹图像。
通过测量传感器,用示波器可以方便地观测和研究各种非电量的变化现象和过程。
示波器已成为一种直观、通用、精密的测量工具,广泛应用到物理学、化学、生物学、数学、医学等各种学科领域和电子工程、钢铁冶炼、仪器仪表、计算技术、雷达导航、自动控制、宇宙飞行等各种工程技术之中了,进行对电量和许多非电量的测试、分析、监视,示波器发展速度、销售额都远远超过其他电子测量仪器。
根据上世纪九十年代中期的一次统计,示波器年销售额大约占整个电子测量仪器总销售额的百分之十三左右。
示波器的发展先后经历了电子管示波器阶段,晶体管示波器阶段和集成化示波器阶段。
现在示波器正朝着数字化、智能化发向飞速发展,示波器面貌日新月异,新产品层出不穷。
随着科学技术的发展,示波器的种类、型号也是逐年更新。
通常,根据其用途和特点,示波器可划分为以下几种类型:
1)通用示波器:
它是利用单束示波管的示波器,运用了基本的显示原理,可对电信号进行定性、定量的测量。
2)多束示波器:
它是采用多束示波管的示波器。
屏幕上的每个波形均由独立的电子束产生,能同时观察和比较多个波形。
3)取样示波器:
通常采用取样技术把高频信号转换为低频信号,再运用通用示波器的基本原理观测信号。
一般用于观测频率高、速度快的脉冲信号。
4)记忆、存储示波器:
是具有存储信息功能的示波器。
虽然两种示波器的存储元件不同,但它们都能对单次瞬变过程、非周期现象、低重复频率的信号进行观测。
5)特征示波器:
指满足特殊用途或有特殊装置的示波器,如电视示波器、矢量示波器等。
1.2示波器的国内外研究现状
从第一台商品示波器的出现到今天,己经有六十多年的历史了,其间的发展大致分为以下几个阶段:
20世纪30~50年代是电子管示波器阶段。
到1958年示波器带宽达到100MHz后便长期停滞不前。
20世纪60年代是晶体管示波器阶段。
由于采用晶体管器件,示波器带宽在驻足9年之后突破100MHz达到150MHz。
20世纪70年代是集成化示波器阶段。
集成电路技术为示波器的小型化和向高性能、高可靠发展创造条件。
1972年,第一台数字存储示波器诞生,它对示波器的发展产生了重大的影响。
80年代以来,数字示波器异军突起,成果累累,大有全面取代模拟示波器之势。
现代示波器具有数字存储、数据处理、光标(游标)测量和CRT读出等多种功能,借助于总线能与主控电子计算机联网。
这使得示波器在当今人类探索物理、化学、生物与生命现象等内在奥秘的科学研究、试验以及现场监控等领域里,不仅起着显示波形的作用,还能同时测得被测量的数值大小。
比起数字频率计、数字电压表等数字化电子仪器,示波器还具备测量、显示波形、存储、比较、光标数字读出、计算、程控、接口连接等许多重要功能。
现在,每个科学技术人员的试验台上几乎都必备一台测量示波器。
国际上,示波器行业主要有美国的泰克,力科,安捷伦,HP公司,日本的岩崎,日立,建伍,台湾地区的固维等几十家制造商,其产品占据了国际示波器市场的大部分份额。
这些制造商的产品,基本上反映了国外示波器技术的发展历程、现状和趋势。
其中,1947年成立的美国泰克公司,目前已有九大系列产品,100多个品种,几乎各个门类示波器的最高指标均由它所占据,已成为示波器领域公认的权威。
力科公司一直都是数字存储示波器专门提供商,在高档产品方面以赶超泰克产品为目标,并发挥自己的高能物理测量特长。
安捷伦公司是测量仪器产品最全面的供应商,示波器只是多种品牌产品之一,近几年来数字示波器的发展速度放慢,由于基础雄厚,仍然有高档产品推出。
因此,在高档数字存储示波器市场是泰克、力科、安捷伦三家最具竞争力。
以下是一些公司的产品简介:
表1.1美国TEK的TDS家族
TDS300
TDS400A
TDS500A
TDS600B
TDS700A
TDS800
典型应用
基本检修
电子机械生物医学
设计研究与开发
数字设计高能物理
集成电路测试
通道数
2
2~4
2~16
4
带宽/MHz
50~200
200~
400
500
500~1000
8GHz
采样率
200Msa/s
~1Gsa/s
100Msa/s
250Msa/s
2.5Gsa/s
~5Gsa/s
500Msa/s
~4Gsa/s
最大纪
录长度
1000
120000
50000
15000
彩色显示
Y
表1.2力科(LeCory)公司的数字存储示波器型号
型号
9304A
9310A
9314AL
9350
9354A
带宽
200MHz
400MHz
500MHz
500Mhz
最高采样率
1Gsa/s
2Gsa/s
存储深度
50K
1M
100K
200K
表1.3手持数字存储示波表系列
公司
纪录长度
美国Fluk
F123
20M
25Msa/s
512点存储
F192
60M
27500点深存储
美国TEK
THS720A
100M
2.5K深存储
THS730A
200M
尽管在国际上数字示波器己经较为成熟发展,我国目前在数字示波器生产领域内基本上处于起步阶段。
国内示波器主要生产厂家有上海无线电二十一厂、西安红华无线电厂、辽宁无线电二厂、江苏绿扬集团、北京普源精电科技有限公司等。
江苏绿扬电子仪器集团有限公司是我国电子仪器行业的骨干企业,1998年以来,电子测量仪器的产销总量连续居全国同行第一,约占中国大陆市场销售量的1/3。
但是他们的产品主要是模拟示波器类型的产品。
北京普源精电科技有限公司是目前国内惟一以自主知识产权生产数字存储示波器的企业,主要产品是台式数字存储示波器和虚拟仪器系列。
2004年2月18日,该公司宣布他们自主开发的DS5000系列数字存储示波器,打破了国外产品一统天下的局面,推动了国产仪器的数字化发展。
近十年来,国内数字示波器技术研究以及发展也取得了相当的成果。
但是我国示波器行业总体水平还是比较落后的,国产示波器的智能化、数字化、集成化还是很低的。
1.3课题背景及主要工作
目前国内还大量使用模拟示波器,特别是在学校,一般仍大量使用20M左右的模拟示波器。
数字存储示波器的研究开发在国内尚属起步阶段,数字示波器的市场几乎全部被国外厂家占领。
在人均国民生产总值仍比较低的中国,价格高昂的国外产品也很难普及。
这严重阻碍了我国电子以及相关行业的发展。
因此,对于要提高国产数字示波器的水平来说,本课题是一次非常有意义的尝试。
本课题来源于同企业合作的开发项目。
目的是通过对数字示波器工作原理的研究,来开发具有自主知识产权的便携式数字存储示波器,同时为开发高性能数字存储示波器积累理论和实践经验,逐步缩小与国外的差距。
本文设计的便携式数字存储示波器采用液晶显示、功能齐全、体积小、重量轻、使用携带操作都十分方便,非常适合于生产现场和野外维护时使用,是电子测量领域里一类新型、实用的仪器。
它具有很高的技术含量、很强的实用性和巨大的市场潜力。
本文设计的便携式数字示波器的技术指标如下:
1)最高取样率40MSa/s;
2)记录长度2KB;
3)单通道;
4)水平扫描时基50us/div~10s/div,按1~2~5分级;
5)垂直扫描幅基5mV/div~5V/div,按1~2~5分级;
6)LCD显示。
为了达到这一目标,本课题重点在以下几个方面展开工作:
1.示波器基本原理及相关技术的研究学习
本课题工作初期主要阅读了大量相关书籍,深入研究了数字存储示波器的基本原理、技术特点、相关算法和显示技术等。
在这些工作的基础上,提出了系统的解决方案,并解决了其中的关键技术难题。
2.硬件系统设计
硬件电路设计主要包括前端信号调理电路设计、采样及数据存储电路设计、时基电路设计、触发电路设计、人机接口和通讯接口等方面的设计。
根据系统方案的要求,单片机W77E58作为系统的控制核心及数据处理中心,CPLD芯片EPM7064S辅助控制外围电路。
3.软件系统设计
软件系统主要包括数据采集处理程序、键盘响应程序、波形恢复显示、与CPLD芯片相互通信协调配合等。
为了满足系统的实时性要求,软件编程采用C语言和汇编语言混和编程。
4.稳定性与抗干扰设计
本系统最高工作频率达到40MHz,属于中高频电路设计,必须有稳定性与抗干扰措施。
由于嵌入式系统是硬件与软件的有机整体,本文从硬件与软件两个方面分别讨论了相应的抗干扰措施。
第2章数字存储示波器的原理及相关应用技术
2.1数字存储示波器的基本原理
传统的模拟示波器把需要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。
显然,这种模拟示波器体积大、重量重、成本高、价格贵,并且不太适合用于对非周期、单次信号的测量。
数字存储示波器基于取样原理,利用A/D转换技术和数字存储技术,能迅速捕捉瞬变信号并长期保存。
它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,存储器中储存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形;
然后它利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,从而获得所需要的各种信号参数;
最后,它根据得到的信号参数绘制信号波形,并可以对被测信号进行实时的、瞬态的分析,以方便用户了解信号质量,快速准确地进行故障的诊断。
下图为数字存储示波器的基本原理方框图。
图2.1数字存储示波器的基本原理图
Fig.2.1DiagramofDSO'
sprincipaltheory
输入信号经输入电路送至A/D变换器,按“t/div”开关设定的取样频率进行变换,从而得到一串数据流,在控制逻辑电路的作用下写入随机存储器RAM中。
RAM的读写受到控制逻辑电路控制,RAM地址选择器在RAM进行写操作时,将写地址输出选作RAM地址,在读操作时,则将读地址输出选作RAM地址。
控制逻辑电路一旦接受到来自触发放大器的触发信号,就启动一次数据写入循环,产生写功能信号送至RAM读写控制,同时使写地址计数器计数。
写地址计数器将顺序递增的地址送至存储器,确保每组数据写入相应的存储单元中去。
晶体振荡器产生高精度、高稳定性的时钟。
该时钟由分频电路产生与面板上“t/div”开关设置相对应的取样时钟,去控制A/D变换器和存储器写入。
时基分频电路亦产生读脉冲,供读地址计数器和显示地址计数器,以产生稳定的阶梯扫描电压。
2.2数字存储示波器的主要技术指标
1)最高数字化采样率f(次数/秒)
采样率,即单位时间内对模拟输入信号的采样次数,它主要取决于A心变换器的转换速率,常用每秒的取样点sa/s(sample/second)来表示。
在实际应用中,数字化采样率根据被测信号所设定的扫描时间(t/div)来选择
fs=N/(t/div)(2.1)
其中,N为每格取样数。
2)存储带宽
数字存储示波器的存储带宽分为单次信号存储带宽和重复信号存储带宽,这取决于它的采样方式是重复采集还是单次采集。
对于单次信号和慢速变化的信号,数字存储示波器采用实时取样工作方式,这时带宽又称为实时带宽,其取决于最大取样速率和所采用的显示恢复技术。
对于一个满刻度的正弦波来说,单次存储带宽Bw计算公式如下所示:
Bw=[最大采样速率(MHz)]/K(2.2)
式中K为一常数。
用光点显示时,约等于25;
用矢量显示时,约等于10;
用正弦内插显示时,约等于2.5。
重复采集采用的是等效时间取样技术,包括随机取样和顺序取样两种方式,用来测量快速的重复信号。
这时存储的波形是输入信号波形的多次重复取样的合成,这时示波器带宽称为模拟带宽或等效存储带宽,是指构成示波器输入通道电路的带宽特性,表示数字存储示波器可以不加失真的接收的最高频率。
关于示波器取样技术,在本章第四节将有详细论述。
3)分辨率
在数字存储示波器中,屏幕上的点不是连续的而是“量化”的。
分辨率是反映存储信号波形细节的综合特性,它包括垂直分辨率(电压分辨率)和水平分辨率(时间分辨率)。
垂直分辨率与A/D转换器的分辨率相对应,常以屏幕每格的分级数(级/div)、或百分数来表示。
水平分辨率由存储器的容量来决定,常以屏幕每格包含多少取样点或百分数来表示。
4)通道数
波形测量的输入通道数,主要用于观测若干个信号之间的相互关系。
对于通常的经济型故障查询应用来说,流行的是双通道示波器。
5)存储容量
存储容量又称记录长度,通常定义为获取波形的取样点数目,用直接存放A/D变换后数据的获取存储器的存储单元数来表示。
在数字示波器内,记录时间、取样速率及存储深度三者间的关系,可以用下列公式表示:
记录时间=存储深度/取样速率(2.3)
记录时间=扫描时间(t/div)×
10(2.4)
由以上两公式得:
取样速率=存储深度/(扫描时间×
10)(2.5)
由上式得知,当存储深度不变,扫描速度变慢时,则取样速率只有相应减慢,同理,若两台示波器以同一取样速率工作,深存储深度的示波器可以一记录更长的时间。
存储深度还与波形的缩放能力有关系。
数字示波器缩放能力的强弱,在于被测信号数字化后储存的数据点(Datapoints)有多少。
例如,一台示波器存储深度为1K点,而荧屏的水平分辨力为500点,则正常水平缩放率只有两倍。
若勉强将其放大5倍,则真正在荧屏上所显示的点数只有200点,使其水平分辨力变得很差,造成信号失真,可能使用户理解错误。
另外,存储深度还关系到能否成功捕捉到毛刺。
若一示波器存储深度为1K点,现希望能在扫描速度为0.lms/div,捕捉一个500ns的毛刺信号,那么成功的概率有多少呢?
在扫描速度为0.lms/div时,由上式得:
取样速率=1000/(0.1ms×
10)=1MSa/s。
而此时两取样点之间的时间间隔为:
r﹣1/取样速度==1000ns。
所以,其成功捕捉毛刺的概率为:
概率=(500ns/l000ns)×
100%=50%。
但若该示波器的存储深度为50K点,则重复上述计算,将得出其取样数率为50MSa/s,两取样点之间间隔时间为20ns,捕捉毛刺概率为(500ns/20ns)×
100%>
100%。
由此可见,较深的储存深度,有更强的毛刺捕捉能力。
6)扫描时间因数t/div
扫描时间因数取决于来自A/D变换器的数据写入获取存储器的速度以及存储容量,而存储容量又称为存储长度,通常又定义为获取波形的取样点数组,用直接存放A/D变换后数据的获取存储器的存储单元数来表示。
扫描时间因数为相邻两个取样点的时间仰角(取样窗口)与每个取样点数的乘积,即
t/div=(1/fsa)×
N(2.6)
由上式可以看出,在A/D变换器速率相同的条件下,存储容量越大则扫描时间因数也越大。
若A/D的变换速率为20MSa/s,存储容量为1K,则最快扫描时间因数为5us/div,若存储容量为10K,则最快扫描时间因数为50us/div。
2.3数字存储示波器的主要特点
由于数字电子技术的引入,与传统的模拟示波器相比,数字存储示波器有其非常突出的特点。
1)可观测周期的、非周期的、单次的和超低频的信号
对单次脉冲以及低频重复频率的信号测量方便。
一旦捕捉到波形,就能清晰的进行显示。
即对低占空比的信号显示清晰稳定,并可以长时间保留波形,在观察缓慢信号时无闪烁现象,这是因为采用了RAM存储器,可以快速写入、慢速读出。
现在,先进的数字存储示波器都配备有电池,在切断外部电源的情况下,仍能保存数据。
2)具有丰富的触发功能
数字示波器最大的优点就是具有先进的触发功能,从而使示波器的应用更得心应手。
利用先进的触发功能,示波器就能够比以前完成更多的工作。
触发功能可分为:
1.事件延迟:
由你规定事件数目,当最后一个事件出现时,示波器就触发。
2.延迟后运行:
由你规定延迟时间,首先主事件出现,接着计时器运行之后,示波器触发。
3.时间延迟:
由你规定延迟时间和一个二级事件,首先主事件出现,接着计时器运行之后二级事件出现,然后示波器触发。
4.毛刺触发:
由你定义一个毛刺,规定其最小宽度,当检测到窄于规定宽度的脉冲时,示波器就触发。
毛刺的极性可以规定为正、负或任意。
另外,还有Runt(电平过低)脉冲触发方式、脉冲极性和宽度触发方式、逻辑状态触发方式和逻辑模拟触发方式等。
值得一提的是数字存储示波器具有前触发(Pretrigger)和后触发(Postrigger)功能,具有预触发能力,即由一个信号来触发示波器,而示波器显示触发时刻之前的信号的能力。
通过调节触发延迟可以控制触发位置在屏幕上或者在采集记录中的移动,从而可以方便的显示触发点以前不同时刻的波形,克服了普通示波器只能观测触发点以后的波形的缺点,特别有利于分析故障产生的原因。
3)使用简单
数字存储器机内可以方便的存储多个波形,并能在屏幕上同时显示不同的时间或相同的时间发生的波形,因而可以方便灵活的将已存储的波形与实时波形进行比较。
也可以把标准波形存储在仪器的参考存储器中,并可以随意把标准波形调出来显示在屏幕上,以便和同时显示在屏幕上存储波形或实时波形进行比较。
数字存储示波器大部分具有自动测量功能,对使用者非常方便,可以方便的对各种参数进行自动测量。
按下自动定标旋钮,示波器可以根据输入信号自动调制时基、灵敏度、补偿、触发字等,
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