數字示波器的設計

摘要：數字示波器是現代電子測量中最常角的儀器，它是一種可以用來觀察、測量、記錄各種瞬時電壓，并以波形方式顯示其與時間關系的電子儀器。本文中詳細介紹了數字存儲示波器的原理及特點，給出了一種以單片機和可編程邏輯器件為控制核心的設計方案，同時給出了其硬件和軟件設計的結構及思路。

關鍵詞：數字示波器；模塊化；FPGA

中圖分類號：TM935文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)20-30375-02

The Design of Digital Oscilloscope

LIU Yan

(Tianjin Industry University， Information and Communication Engineering Institute， Tianjin 300160， China)

Abstract: The modern electronic digital oscilloscope is the most commonly measured angle of the apparatus， which is a can be used to observe， measure and record all kinds of transient voltage and wave to show their relationship with the time the electronic device. This article described the digital storage oscilloscope in detail and the principle features of this paper， a microcontroller and a programmable logic device to control the core of the design plan， and gave its hardware and software design of the structure and ideas.

Key words: Digital oscilloscopes;modular;FPGA

1 引言

數字示波器是智能化數字存儲示波器的簡稱，是模擬示波器技術、數字化測量技術、計算機技術的綜合產物。它能夠長期存儲波形，可進行負延時觸發，便于觀側單次過程和緩變信號，具有多種顯示方式和多種輸出方式，同時還可以進行數學計算和數據處理，功能擴展也十分方便，比普通模擬示波器具有更強大的功能，因此在電子電信類實驗室中使用越來越廣泛。

2 數字示波器的工作原理

數字存儲示波器不是將波形存儲在示波管內的存儲柵網上，而是存在存儲器中，因而存儲時間可以無限長。數字存儲示波器主要利用A/D轉換技術和數字存儲技術來工作，它能迅速捕捉瞬變信號并長期保存。該示波器首先對模擬信號進行高速采樣以獲得相應的數字數據并存儲，存儲器中儲存的數據用來在示波器的屏幕上重建信號波形；然后利用數字信號處理技術對采樣得到的數字信號進行相關處理與運算，從而獲得所需要的各種信號參數；最后，該示波器根據得到的信號參數繪制信號波形，并對被測信號進行實時、瞬態分析，以方便用戶了解信號質量，快速準確地進行故障診斷。數字存儲示波器將輸入模擬信號經過AD/轉換，變成數字信號，儲存在半導體存儲器RAM中，需要時將RAM中存儲的內容讀出顯示在LCD，或通過DA/轉換，將數字信號變換成模擬波形顯示在示波管上。數字存儲示波器框圖如圖l所示。數字存儲示波器可以采用實時采樣，每隔一個采樣周期采樣一次，可以觀察非周期信號川。數字示波器的采樣方式包括實時采樣和等效采樣(非實時采樣)。等效采樣又可以分為隨機采樣和順序采樣，等效采樣方式大多用于測量周期信號。數字示波器工作原理框架如圖1。

3 數字示波器的主要特點

與傳統的模擬示波器相比，數字存儲示波器有其非常突出的特點，其具體表現如下：(1)信號采樣速率大大提高數字存儲示波器首先在采樣速率上有較大地提高。可從最初采樣速率等于兩倍帶寬提高至五倍甚至十倍。相應對正弦波取樣引入的失真也從10%降低至3%甚至1%。(2)顯示更新速率更高數字存儲示波器的顯示更新速率最高可達每秒40萬個波形，因而在觀察偶發信號和捕捉毛刺脈沖方面更加方便。(3)波形的采樣、存儲與顯示可以分離在存儲階段，數字示波器可對快速信號采用較高的速率進行采樣與存儲，而對慢速信號則采用較低速率進行采樣與存儲;在顯示階段，不同頻率的信號讀出速度可以采用一個固定的速率并可以無閃爍地觀測極慢信號與單次信號，這是模擬示波器所無能為力的。(4)存儲時間長由于數字存儲示波器是把模擬信號用數字方式存儲起來，因此，其存儲時間理論上可以無限長。(5)顯示方式靈活多樣為適應對不同波形的觀測，數字存儲示波器有滾動顯示、刷新顯示、存儲顯示、插值顯示等多種顯示方式。(6)測量結果準確LCD上每個光點都對應存儲區內確定的數據。操作時可用面板上的控制裝置(如游標)在LCD上標示兩個被測點，以算出兩點間的電壓或電流，再利用計算機的字符顯示功能在LCD上直接顯示測量結果，從而減少了人為誤差，提高了測量的準確度。(7)觸發功能先進與模擬示波器不同，數字存儲示波器不僅能顯示觸發后的信號，而且能顯示觸發前的信號還可以任意選擇超前和滯后的時間。(8)便于程控并具有多種方式的輸出由于數字存儲示波器的主要部分是數字系統，又由微計算機管理，故可通過接口接受程序控制，也可通過接口用于各種方式的輸出。

4 數字存儲示波器的系統結構

示波器主要以微處理器、數字存儲器、A/D轉換器與D/A轉換器為核心，輸人信號經過A/D轉換器把模擬波形轉換成數字信息，存儲在數字存儲器內，顯示時再從存儲器中讀出。通過接口可以與計算機相連，利用機內微處理器系統對存儲的信號作進一步處理.也可以直接將數字信號送至液晶顯示器，這樣大大改進顯示特性，增強功能，便于程控化和智能化。比傳統數字示波器精確得多的實時波形采集技術，使數字測量更加精確，主要用于高精度測量和分析，以及組成自動測試系統。其主要性能指標包括采樣速率、帶寬、顯示更新速率、存儲深度等。

按照從整體到局部的系統設計原則，根據現代數字存儲示波器的性能指標要求和實際研制需要，首先確定所設計的DSO系統應該具備的功能和所需達到的性能。

（1）被測周期信號的頻率范圍為10Hz～10MHz，儀器輸入阻抗為1MW，顯示屏的刻度為8 div×10div，垂直分辨率為8bits，水平顯示分辨率≥20點/div。

（2）垂直靈敏度要求含1V/div、0.1V/div兩檔。電壓測量誤差≤5%。

（3）實時采樣速率≤1MSa/s，等效采樣速率≥200MSa/s；掃描速度要求含20ms/div、2μs /div、100 ns/div三檔，波形周期測量誤差≤5%。

（4）有自動設置功能，具有多種采集、觸發和顯示方式。

（5）儀器的觸發電路采用內觸發方式，要求上升沿觸發，觸發電平可調。

（6）系統失真小、精度高、抗干擾性強，能穩定工作在各種工作環境中。

根據上述的設計指標要求，參考基于ARM+FPGA架構的系統設計原則，我們將本系統設計成由以下幾個子系統組成：模擬通道、數據采集和處理模塊、系統控制模塊、鍵盤與顯示模塊、電源模塊和系統監控電路模塊。相應的結構框圖如圖2所示。通道2和外部觸發通道的輸入信號調理電路，信號調理電路是將通道和觸發信號進行放大或衰減、濾波等調理，把被測信號調節到VIPs=500mV～2V的ADC滿量程范圍。數據采集和處理模塊主要器件為高速ADC和FPGA。ADC負責將調理過的信號采集下來，FPGA根據觸發信號對采集下來的波形值進行接收、插值和存儲，并將存儲的波形值傳輸給ARM主控模塊進行后續的處理和顯示工作。考慮到系統對采樣速率的高要求，我們采用了并行采樣技術，利用兩個500M的ADC分別在時鐘信號的上升沿和下降沿采樣來實現最高1G的采樣速率。這樣不但可以降低數據的數率以便后端的處理，也減少了系統成本。系統控制模塊完成對系統其它模塊的控制，并接收FPGA傳輸來的波形值，根據鍵盤的操作對波形和菜單進行實時的顯示與更新。它還完成系統與上位機的通信。本系統對系統任務進行了合理的分割，引入了嵌入式實時操作系統μCOS-Ⅱ來調度系統的各個任務。鍵盤與顯示模塊主要完成系統的人機交互工作以及波形和菜單的實時顯示和更新。本系統采用一個單片機單獨管理鍵盤，一個LCD顯示器作為系統的顯示部件。操作者每一次按鍵時，單片機都向主CPU發出一個中斷，主CPU響應鍵盤的中斷，并對鍵語進行分析，根據操作者的要求實時地更新菜單和波形。電源模塊完成對系統的供電功能；系統監控電路模塊完成對整個系統運行狀況的實時監控工作，一旦發生異常，復位整個系統。

5 系統軟件設計

系統采用硬件描述語言，VHDL，按模塊化方式進行設計，并將各模塊集成于FPCA芯片中，然后通過Quar-tusll4.1軟件開發平臺，對設計文件自動地完成邏輯編譯、邏輯化簡、綜合優化、邏輯布局布線、邏輯仿真，最后對FPGA芯片進行編程，實現系統的設計要求。

系統主要實現的功能是提供良好的人機交互功能，包括顯示波形、鍵盤控制和通信等功能。系統軟件設計的目標是在硬件的基礎上，能實現所設計的各種功能，而且系統的穩定性要好，實時性要高。本系統主要實現系統的初始化、信號的采集與轉換、存儲、顯示及通信等功能。本系統的軟件整體框架如圖3。初始化部分是系統加電后首先執行的動作，主要完成的任務有：定義程序中使用的全局變量或數組，并對其進行初始化；對液晶進行復位，向液晶發初始化命令，清除液晶顯示緩沖區、初始化液晶模塊內部寄存器等；進入顯示主界面；設置默認的衰減/放大倍數；設置觸發產生電路的觸發信號比較電平；初始化鍵盤掃描電路；初始化觸發電路，其中包括觸發信號是來自內部還是外部，上升沿還是下降沿觸發，自動觸發還是單次觸發等；根據時基大小設置采樣時鐘的分頻比。初始

化完成后進入主循環，系統開始正常工作。初始化是保證系統正常運作的基礎，只有正確配置了CPU的工作模式寄存器、空間控制寄存器、中斷向量表等參數，CPU才能進入正常的工作狀態。參數提取是把系統軟件的狀態字、標志字、環境變量等常用參數從FLASH中讀取到RAM中。系統在初始化階段關閉中斷，當初始化完成后開中斷，響應數據采集中斷、定時中斷和復位中斷。

主循環部分主要工作是負責正常顯示時的數據處理和波形顯示，它根據不同的顯示狀調用相應的處理和顯示程序。數據采集和顯示過程中，主程序首先判斷采樣是否結束，如果結束，再判斷系統是否處于掃描模式。

6 結束語

利用本文提出的以單片機和可編程邏輯器件為控制核心的數字存儲示波器可以實現波形的采集、存儲、參數的處理與計算等功能，而且輕巧便攜、簡單實用。而利用該示波器的通訊功能還可以與外部計算機相連以進行更為復雜的數據運算、分析和處理，從而為工業現場應用和科學研究提供很大的方便。要數字存儲示波器它與模擬示波器相比，具有極強的優越性，且隨著科學技術的不斷進步和其制造成本及市場價格的不斷下降，其發展前景十分看好。

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