100MHz 數(shù)字存儲(chǔ)示波表樣機(jī)的研究與試制----原理與主要指標(biāo)

1.1數(shù)字存儲(chǔ)示波器概述

示波器是電子測量中一種最常用的儀器，它能夠直觀的顯示被測信號的時(shí)域信息。當(dāng)前，數(shù)字示波器正逐漸取代模擬示波器成為主流的示波器產(chǎn)品。它在顯示方式、數(shù)據(jù)處理、波形保持和存儲(chǔ)等方面都不同于模擬示波器。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、信號分析處理技術(shù)的發(fā)展，特別是在微型機(jī)算計(jì)引入到示波器后，示波器無論在設(shè)計(jì)、性能、功能、使用、操作還是在故障診斷上都取得了巨大的進(jìn)步。

早期的模擬示波器通常由垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和顯示電路等部分組成。它的缺點(diǎn)是只能觀測周期信號。對于非周期性的單次瞬變信號的觀測，用模擬示波器是非常困難的，有時(shí)甚至是不可能的。同時(shí)，模擬示波器還存在著一些無法克服的缺陷。例如，信號帶寬受到陰極射線管的限制而不可能太高，不能存儲(chǔ)波形，預(yù)觸發(fā)功能難以實(shí)現(xiàn)等等。而數(shù)字示波器的許多優(yōu)點(diǎn)在近幾年得到了迅速發(fā)展。諸如，觀察低頻信號時(shí)具有存儲(chǔ)記憶功能，從而實(shí)現(xiàn)超低頻掃描；利用數(shù)字濾波技術(shù)進(jìn)行波形處理，準(zhǔn)確觀測原始信號波形；利用CPU或DSP的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，進(jìn)行參數(shù)分析，提高測試速度和精度；遠(yuǎn)距離傳輸測量的數(shù)據(jù)，共享數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試系統(tǒng)。數(shù)字示波器憑借以上種種優(yōu)點(diǎn)并隨著其價(jià)格的不斷降低，正逐漸成為測試領(lǐng)域的新寵。

目前來看，國外數(shù)字示波器仍然是市場上的主流產(chǎn)品。其中美國TEK公司的示波器一直處于領(lǐng)先地位，被世界公認(rèn)為示波器的權(quán)威。近來TEK推出的TDS系列示波器具有獨(dú)特的確保高信號保真度的獲取結(jié)構(gòu)，能夠利用最先進(jìn)的觸發(fā)系統(tǒng)，提供快速瞬態(tài)信號或重復(fù)信號的多通道獲取，并進(jìn)行先進(jìn)的波形處理然后送去顯示。TDS2012示波器具有100MHz的帶寬，1GS/s等效采樣率，記錄長度可達(dá)2.5K.除TEK公司外，安捷倫、力科也都是生產(chǎn)數(shù)字示波器的著名廠家。他們所研制的產(chǎn)品各有各的優(yōu)勢。例如，力科公司的數(shù)字示波器不僅能夠自動(dòng)測試32種參數(shù)，而且，它的存儲(chǔ)長度很長，而長的存儲(chǔ)深度可以提供高的分辨率。另外，力科獨(dú)有的存儲(chǔ)管理系統(tǒng)，配合其先進(jìn)的峰值檢測電路，使得整個(gè)波形在單一屏幕顯示，即可即時(shí)找出毛刺及干擾的所在，確保在任何掃描速度工作都能夠保持較高的采樣率。

1.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理與特點(diǎn)

數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）基于取樣定理，利用A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)和數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)，能迅速捕捉瞬變信號并長期保存。它首先對模擬信號進(jìn)行高速采樣獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，存儲(chǔ)器中貯存的采樣數(shù)據(jù)送入數(shù)字信號處理器（DSP）進(jìn)行相關(guān)的處理與運(yùn)算，從而獲得所需的各種信號參數(shù)。最后，它根據(jù)所得到的信號參數(shù)在液晶上重建信號波形，并可對被測信號進(jìn)行實(shí)時(shí)的、瞬態(tài)的分析，以便用戶了解信號質(zhì)量，快速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障的診斷。數(shù)字存儲(chǔ)示波器不僅可以觀測周期性重復(fù)信號，而且也能夠觀測非周期的單次的或隨機(jī)的信號。這是因?yàn)閿?shù)字存儲(chǔ)示波器可以采用實(shí)時(shí)采樣。與傳統(tǒng)的模擬示波器相比，數(shù)字存儲(chǔ)示波器具有許多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：

1.多通道單次信號捕獲：一個(gè)DSO能夠同時(shí)在多個(gè)通道上捕捉象電源開、關(guān)或故障發(fā)生這樣的單次瞬態(tài)事件。

2.波形處理：由于DSO內(nèi)部使用一個(gè)微處理器，它能夠在所獲得的波形上完成幅度和時(shí)間參數(shù)以及波形運(yùn)算等功能，加上選件能夠完成更復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，如積分、倒數(shù)、指數(shù)、對數(shù)、平均、數(shù)字濾波、極值、FFT等。

3.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：DSO帶有非易失性的波形存儲(chǔ)器，它們能夠提供與DSO兼容的存儲(chǔ)卡或軟盤。示波器也能夠容易地與許多繪圖儀和打印機(jī)相連來進(jìn)行高質(zhì)量的硬拷貝。

4.更多的觸發(fā)功能：DSO也能夠提供許多模擬示波器所沒有的觸發(fā)能力。例如：當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，它能夠觸發(fā)并且能夠觀察引起故障觸發(fā)前的過程。

5.自動(dòng)測試：數(shù)字存儲(chǔ)示波器能夠提供自動(dòng)測試功能，簡化了使用者的操作，使儀器具有智能化。

1.3數(shù)字存儲(chǔ)示波表國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r

手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表是將臺(tái)式或便攜式數(shù)字存儲(chǔ)示波器設(shè)計(jì)成掌上型、內(nèi)置電池供電的形式，它不但完全繼承傳統(tǒng)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器的所有測量功能和技術(shù)性能，而且具備如下特點(diǎn)而備受市場歡迎：

●結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，運(yùn)行可靠，攜帶方便，輕巧耐用；

●數(shù)字電壓表和示波表測量功能，頻譜分析功能；

●適應(yīng)無電力電源的野外、移動(dòng)場合、窄小場地的作業(yè)區(qū)使用

目前，高性能手持示波表技術(shù)上居領(lǐng)先地位的是美國Tektronix公司和FLUKE公司。FLUKE的手持示波器有兩類：一類基于隨機(jī)采樣技術(shù)，典型產(chǎn)品有FLUKE123；另一類基于實(shí)時(shí)采樣技術(shù)，其典型產(chǎn)品有：FLUKE190系列。上述產(chǎn)品雖然技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑不同，但都將多種功能集合到一臺(tái)手持式儀器中，一般都由信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換器和高速存儲(chǔ)單元組成，采樣速率從20MSa/s到2.5GSa/s不等（FLUKE196為2.5GSa/s），通道數(shù)均為雙通道，它們具有可靠性高、功能強(qiáng)等特點(diǎn)，其中，F(xiàn)LUKE190系列具有一定的分析功能。

Tektronix公司的高性能手持示波器產(chǎn)品均采用實(shí)時(shí)采樣的方式實(shí)現(xiàn)，典型產(chǎn)品有THS700系列。帶寬100MHz，采樣率500MSa/S，具有示波器加萬用表功能，其中THS720P還具有諧波分析功能。

1.4數(shù)字存儲(chǔ)示波表的主要性能指標(biāo)

本課題設(shè)計(jì)的數(shù)字存儲(chǔ)示波表為雙信號通道，一個(gè)外觸發(fā)通道，100MHz帶寬，最大存儲(chǔ)深度為25K，設(shè)有光標(biāo)自動(dòng)測量功能，自動(dòng)設(shè)置功能，峰值檢測功能以及多種觸發(fā)方式。

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

◆垂直分辨率：8bits

◆帶寬f_BW：雙通道100MHz

◆垂直偏轉(zhuǎn)系數(shù)：5mV/div—5V/div（1-2-5步進(jìn)）

◆最大輸入電壓：40Vpp（1：1探頭時(shí)）

◆上升/下降時(shí)間：≤3.5ns

◆上沖≤5%輸入阻抗：1MΩ

◆最大實(shí)時(shí)采樣速率：100MSPS

◆最大等效采樣速率：5GSPS

◆存儲(chǔ)深度：25KB/CH

◆時(shí)基范圍：5ns/div—5s/diV（1-2-5步進(jìn)）

主要功能指標(biāo)有：

◇光標(biāo)測量功能：用光標(biāo)測量幅值域參數(shù)和時(shí)域參數(shù)。

◇滾動(dòng)顯示功能：在自動(dòng)觸發(fā)模式的慢時(shí)基檔位下，屏幕處于滾動(dòng)顯示方式，波形從屏幕的左端滾動(dòng)至右端。

◇存儲(chǔ)回調(diào)功能：有菜單選擇存儲(chǔ)區(qū)域?qū)⑵聊簧巷@示的波形或參數(shù)存儲(chǔ)起來，菜單選擇存儲(chǔ)過的波形或參數(shù)回調(diào)出來。

◇反相功能：通過菜單選擇把屏幕波形的極性取反。

◇自動(dòng)量程和時(shí)基：對任一未知的信號，按示波器鍵盤上的“自動(dòng)”鍵波形以適當(dāng)?shù)臅r(shí)基和量程顯示在屏幕上。

◇觸發(fā)特性：有內(nèi)部/外部，上升和下降觸發(fā)，觸發(fā)方式有自動(dòng)，正常，和單次，具有預(yù)觸發(fā)功能。

◇ACQUIRE方式：有采樣，峰值檢測和平均三種捕捉方式；其中采樣和峰值方式下用峰值顯示，平均次數(shù)可選4/16/32/64/128次。

◇解析度：240點(diǎn)×320點(diǎn)，其中：縱向8.0格×25點(diǎn)（每1個(gè)點(diǎn)為1個(gè)象素），橫向10格×25點(diǎn)（每1個(gè)點(diǎn)為1個(gè)象素）。

1.5本文設(shè)計(jì)的任務(wù)

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目的一個(gè)重要組成部分，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)是其中的核心環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于DSP+FPGA結(jié)構(gòu)，利用FPGA極其靈活，可再編程的特點(diǎn)和DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力完成數(shù)據(jù)的采集，緩存，處理，顯示。在LCD顯示方面，我們沒采用一般的LCD控制器，而是利用FPGA豐富的資源生成LCD顯示邏輯控制電路，外有兩片SRAM進(jìn)行來回切換向LCD送去數(shù)據(jù)顯示。本論文就將圍繞數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而展開，重點(diǎn)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)以及LCD顯示電路進(jìn)行介紹。

第二章數(shù)字系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本數(shù)字系統(tǒng)采用的是FPGA＋DSP結(jié)構(gòu)。由于DSP和FPGA可以反復(fù)的實(shí)時(shí)更新程序和數(shù)字邏輯結(jié)構(gòu)，所以這種結(jié)構(gòu)具有很高的靈活性。系統(tǒng)的總體框圖如圖2－1所示：

FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）芯片是一種特殊的ASIC芯片，屬于可編程邏輯器件，它是在PAL、GAL等邏輯器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同以往的PAL、GAL等相比較，F(xiàn)PGA規(guī)模比較大，適合于時(shí)序、組合等邏輯電路應(yīng)用場合，它可以替代幾十甚至上百塊通用IC芯片。這樣的FPGA芯片實(shí)際上就是一個(gè)子系統(tǒng)部件。這種芯片具有可編程性和實(shí)現(xiàn)方案容易改動(dòng)的特點(diǎn)。由于芯片內(nèi)部硬件連接關(guān)系的描述可以存放在磁盤、ROM、PROM或EPROM中，因此在可編程門陣列芯片及外圍電路保持不動(dòng)的情況下，換一片存儲(chǔ)器芯片，就能實(shí)現(xiàn)一種新功能?？删幊踢壿嬈骷且环N用戶根據(jù)需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。它的基本設(shè)計(jì)方法是借助于EDA軟件，用原理圖、狀態(tài)機(jī)、布爾表達(dá)式、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，最后再由編程器和下載電纜，用目標(biāo)器件來實(shí)現(xiàn)。這種利用器件邏輯結(jié)構(gòu)、由用戶配置來實(shí)現(xiàn)任何組合邏輯和時(shí)序邏輯功能的器件，最初被視為分立邏輯電路中和小規(guī)模集成電路的替代物，隨著設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝的完善，器件性能、集成度、工作頻率等指標(biāo)不斷提高，F(xiàn)PGA的應(yīng)用范圍越來越廣，目前它已成為數(shù)字ASIC設(shè)計(jì)的主流。

如圖2－1所示，本系統(tǒng)采用了兩片F(xiàn)PGA.FPGA1采用ALTERA公司1K50系列的產(chǎn)品，它除了實(shí)現(xiàn)峰值檢測、地址譯碼、觸發(fā)、時(shí)基電路等功能外，而且由于系統(tǒng)采用了隨機(jī)取樣技術(shù)，所以計(jì)算觸發(fā)脈沖到第一個(gè)取樣脈沖時(shí)間間隔的隨機(jī)展寬計(jì)數(shù)電路也做在了里面。同時(shí)，1K50內(nèi)部有5KB的RAM.我們將它做成了兩片容量分別為2.5KB的FIFO.這樣，不僅節(jié)約了成本，而且還提高了速度。FPGA2采用了ALTERA公司1K30系列的產(chǎn)品，它主要產(chǎn)生LCD所需的時(shí)序以及控制顯示數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)還完成硬件測頻的功能。DSP我們選用的是TI公司的TMS320VC5416.它是一種16位的定點(diǎn)DSP，采用了先進(jìn)的增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)共有8條總線（1條程序總線、3條數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線和4條地址總線）、專用硬件邏輯的CPU設(shè)計(jì)、片內(nèi)存儲(chǔ)器和在片外圍電路等硬件，加上高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)，使TMS320VC5416具有功耗小、高度并行等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足實(shí)時(shí)處理的要求。它主要用來對采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的處理、運(yùn)算。

另外，F(xiàn)LASH用來存儲(chǔ)DSP的程序代碼、字庫和一些需要保存的波形參數(shù)等；SRAM3用來保存DSP處理后的數(shù)據(jù)；SRAM1和SRAM2采用分時(shí)復(fù)用的方法來回切換讀取SRAM3的數(shù)據(jù)，送到LCD顯示。鍵盤控制與采集系統(tǒng)相對獨(dú)立，所以我們選用了型號為AT89C2051的MCU，對每個(gè)鍵操作編寫唯一的代碼，然后通過串口送至DSP，由DSP對不同的鍵操作做出相應(yīng)的處理。