数字存储示波器的设计

数字存储示波器的设计

一、实验目的                                                                         

1．掌握数字示波测量的基本原理。
2．熟悉数字存储示波器的硬件结构。
3．掌握虚拟数字存储示波器的CVI软件设计。

二、实验要求

  设计虚拟数字存储示波器
  （1）设计一个包含耦合方式选择、伏/格调整、触发源选择、时基选择等基本功能的虚拟数字存储示波器界面，要求显示屏水平刻度为10div，垂直刻度为10div。
  （2）在完成内容（1）的基础上实现幅值、时基可调的虚拟双踪数字存储示波器。
   要求：①垂直灵敏度至少包含50mV/div、0.1V/div、0.5V/div、1V/div四档；②扫描速度至少包含0.1u/div、1u/div、10u/div、100u/div、500u/div、1m/div、10m/div、0.1s/div八档；③增加双踪示波功能，能同时显示两路被测信号波形。
  （3）数据处理设计
   要求：①显示被测信号幅值包括：有效值、峰峰值、平均值；②显示被测信号的频率值。
  （4）在电子测量实验箱中示波器硬件提供32K存储深度的基础上设计波形存储、回放功能。

三、实验器材

1．SJ-8002B电子测量实验箱                         1台
2．计算机                                         1台
3．信号源（也可以使用平台的DDS信号源）            2台
4．Q9线                                           1 条
5．示波器                                         1台

四、实验原理

  4．1 数字示波器原理

  数字存储示波器是用 A/D 变换器把模拟信号转换成数字信号，然后把数据存储在半导体存储器 RAM 中。当有需要时，将 RAM 中存储的内容调出，通过 LCD 用点阵或连线的方式再现波形，其原理框图可以参考图1。在这种示波器中信号处理和信号显示功能是分开的，它的性能主要取决于进行信号处理的AD、RAM 和微处理器的性能。由于采用 RAM 存储器，可以快写数慢读数，使得即使在观察缓慢信号时也不会有闪烁现象。

  4．2 虚拟数字存储示波器组成

                              图1    虚拟数字存储示波器

    虚拟示波器将计算机和测量系统融合于一体，用计算机软件代替传统仪器的某些硬件的功能，用计算机的显示器代替传统仪器物理面板。通过相关的软件可以设计出的操作方便、形象逼真的仪器面板，不仅可以实现传统示波器的功能，而且具有存储、再现、分析、处理波形等特点，还可以进行各种信号的处理、加工和分析，完成各种规模的测量任务。而且仪器的体积小、耗电少，方便携带，可以在不同的计算机上使用。
   因此，在SJ-8002B中，也引用了虚拟数字存储示波器的原理来实现数据的采集。其中的信号调理、AD转换、存储数据的SRAM以及控制逻辑都在是实验平台中，计算机主要起到了数据的处理和显示的作用。

   4．3 SJ-8002B电子测量实验箱示波器硬件结构

   4.3.1测试范围及采集参数调整范围
   测试电压幅度范围：－20V～＋20V（峰峰值）
   测量频率范围：1Hz～1MHz
   采样时钟：

timebase序号	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
采样时钟频率	20M	20M	20M	20M	20M	20M	20M	20M	20M	20M
timebase序号	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19
采样时钟频率	10M	5M	2.5M	1M	500K	250K	100K	50K	25K	12.5K

   可程控增益：

Div序号	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
通道总增益A	20	10	5	2	1	0.5	0.2	0.1	0.05	0.02

   数据缓存深度：64KB
   对采集的数据进行分析，显示波形的峰值、平均值、有效值和频率、周期等参数。

   4.3.2 硬件原理图

                                   图2  SJ8002B示波器硬件原理图

   图2为示波器模块的原理框图。由图可见，高速采集的双通道是完全独立的，因此可以完成多种不同的测试任务，实现虚拟双踪数字存储示波器的各种功能。

   4.3.3 控制逻辑
   示波器的硬件控制主要分为数据写入（采集）和数据读出（显示）两个部分。其中控制逻辑全部都在存储在CPLD内部，如图3所示：

 

                                 图3  示波器的硬件控制逻辑

    Ain1和Ain2通道接入同样的采样时钟，同时进行转换。转换后的数据经过缓冲器，送至SRAM锁存。当一次采集完成后，由主机读回数据，进行进一步的处理，如滤波、显示等。
   数据写入：AD9288在采样时钟CLK的控制下，将两路输入模拟信号数字离散为8bit数字信号经过数据缓冲器送至SRAM。地址由同一个地址计数器提供，该地址计数器为加/减计数器（采集数据时递增，读取时递减）。这样，每次采集所得数据都会顺利的存入SRAM中。

    4.3.4采集部分
   采集部分的关键器件是ADI公司的AD9288，它是8bit双通道含有采样保持电路的单片集成的模/数转换器，具有低功耗、体积小、动态特性好、易于实用的特点。双8bits、40MSPS，低功耗（每个通道90mw），SNR=47DB（在41MHz时），每个通道的模拟输入范围1.024Vp-p，中心电平Vin0=1/3 Vdd，3.0V模拟供电（2.7V-3.6V），两种数据输出模式（补码或原码），电平兼容TTL/CMOS。

    4.3.5 调理电路
    由于AD9288采用了差分输入，所以需要将实验板的模拟输入的直流耦合单边信号，无失真的转化为差分信号，并将信号的幅度进行平移，以满足AD9288 0.5～1.5V的输入要求。采用了如下的通道电路实现信号的转换。

                             图4 差分信号转化电路

   电路中，U1是一个跟随器，作用是阻抗匹配；差分信号的产生采用了2个运算放大器，其中U2是作为输入的同相放大器，U3是作为输入补给的反相放大器。两个二极管和U4组成了信号平移部分。

   4.3.6 衰减和增益控制电路
    由于示波器的测试范围（-20V~+20V）比AD9288的测试范围（0.5V~1.5V）宽，因此，在采集电路的前端加入信号衰减和信号增益两级幅度调整电路，保证测量的正确性以及提高测量的精确度。

                                     图5  衰减电路

   输入通道的第一级是髙阻衰减电路如图5所示，这样可以保证数字示波器有较高的输入阻抗，同时把较大的输入信号经过衰减，以满足后续电路。这里通过继电器来实现电路的切换。通过设置衰减器的通断设置初级放大系数A1=0.5、1.25、2.5、5;幅度的粗调和直流偏移部分是由12位DAC7512来控制。通过电子开关改变运放的增益，从而实现幅度的调节。次级放大系数为A2=×5，所以通道总增益A=K1*A1*K2*A2

   4.3.7 数据处理
   计算出被测信号的有效值、均值、峰值、频率。
   离散信号的电压平均值及峰值的数学表达式如下所示：
   电压有效值： 　　
   电压平均值：　 　　
   电压峰－峰值：     
   信号频率计算：根据频率的定义，每秒变化的次数。
   被测信号的上述参数可调用实验平台软件提供的函数processing_data（）获取，该函数的详细说明见5.2节中实验平台提供的函数列表。

五、设计指导

   5.1 虚拟数字存储示波器界面设计
   设计一个包含耦合方式选择、伏/格调整、触发源选择、时基选择等基本功能的虚拟数字存储示波器界面，要求显示屏水平刻度为10div，垂直刻度为10div，如图6所示。

                   

                                图6   虚拟数字存储示波器面板

    其中用到的控件有列表控件(Ring)、命令按钮（Command）、图形控件(Picture)、文本控件(Text)、数值控件(Numeric)。

    5．2 在完成界面设计的基础上实现幅值、时基可调的虚拟双踪数字存储示波器
    要求：①设置垂直灵敏度至少有50mV/div、0.1V/div、0.5V/div、1V/div四档；②设置扫描速度至少有0.1u/div、1u/div、10u/div、100u/div、500u/div、1m/div、10m/div、0.1s/div八档；③增加双踪示波功能，能同时显示两路被测信号波形；④数据处理设计：显示被测信号幅值包括：有效值、峰峰值、平均值；显示被测信号的频率值。
    在设计时，可以参考的程序流程和函数调用如图7所示，首先进行EPP接口的初始化以及取回用户界面设置的采集参数，如耦合方式、触发方式、垂直灵敏度、时基等，然后启动采集；当预设的采集点数采集完以后计算机把数据读回；最后对读回的数据进行处理，例如计算幅度、频率，进行滤波并且显示波形等操作。
设计前，请完成各档位对应的增益和时基的计算选择并把结果填入下面的表1和表2中。计算方法举例：
   ⑴ 给定垂直灵敏度20mv/div ,则量程 = 20mV × 10 = 200mV = 0.2V ; 由于AD9288的输入范围是 0.5V----1.5V,为提高分辨率，可采用5倍的通道总增益，即0.2V×5=1 V，对应于4.3.1节的SJ8002B电子测量实验箱测试范围及采集参数调整范围即可得到Div序号为2。

垂直灵敏度	50mV/div	0.1V/div	0.5V/div	1V/div
量程(V)
通道总增益
Div序号

                                                  表1

   ⑵ 给定扫描速度为200u/div,则采样时间TS =200u×10 =2000u=2ms,由于满屏采样点数固定为25000点，所以由FS×TS <25000，可得到FS < 12.5M 。由于提供的时钟没有12.5M，因此可选择最接近的10MHZ作为采样时钟。

Timebase序号
tdiv(s)	0.1u/div	1u/div	10u/div	100u/div
采样时钟（HZ）
Timebase序号
tdiv(s)	500u/div	1m/div	10m/div	1s/div
采样时钟（HZ）

                                                          表2

                                 图7 示波器软件流程图

设计中可参考的CVI软件和实验软件平台提供的主要函数如下表所示：

（1）	函数功能	EPP接口初始化
	函数原型	void epp_init(void)
	输入参数	无
	输出参数	无
	返回值	无
（2）	函数功能	返回控件的当前值
	函数原型	int GetCtrlVal (int panelHandle, int controlID, void *value)
	输入参数	panelHandle － 内存当中的面板句柄，即为控件所在面板的句柄值 controlID － 控件的ID值，在控件属性面板中可以获得
	输出参数	value    返回的控件当前值
	返回值	0 －成功 其他值－失败
（3）	函数功能	Ain1和Ain2采集过程控制
	函数原型	int sampling (  unsigned char coupling1_cw, int div1, int DC1_code,unsigned char coupling2_cw, int div2, int DC2_code,int timebase, unsigned chartri, int sampling_points,int Panel_Handle, int stop_ID, unsigned char ain1_data[], unsigned char ain2_data[],double *show_pots)
	输入参数	coupling1_cw，coupling2_cw ＝＝ Ain1，Ain 2通道的耦合方式控制字 0：直流耦合（不隔直）  1：交流耦合（隔直） div1，div2 ＝＝ Ain1，Ain 2通道的伏格序号 Div序号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 通道总增益 20 10 5 2 1 0.5 0.2 0.1 0.05 0.02 DC1_code，DC2_code ＝＝ Ain1，Ain 2通道的垂直偏置，取值范围10～4095 time_base ＝＝ 时基 timebase序号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 采样时钟 20M 20M 20M 20M 20M 20M 20M 20M 20M 20M timebase序号 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 采样时钟 10M 5M 2.5M 1M 500K 250K 100K 50K 25K 12.5K tri ＝＝ 触发源选择 0：时钟CLK1  3: 外部信号  4：内部DDS1 5：内部DDS2   6： 手动 sampling_points ＝＝采样点数 Panel_Handle＝＝中断采集的控件面板句柄 stop_ID ＝＝中断采集的控件名称
	输出参数	ain1_data[] ＝＝ Ain1的采集值 ain2_data[] ＝＝ Ain1的采集值; show_pots ＝＝ 在显示波形的graph控件上X轴的点数
	返回值	0－采集成功；输出值有效 1－采集不成功，被中断；输出值无效 8－采集不成功，EPP不能读数；输出值无效

（4）	函数功能	由enable_timer( )函数调用来设置定时器启动，实现循环采集
	函数原型	int SetCtrlAttribute (int panelHandle, int controlID, int controlAttribute, ...)
	输入参数	panelHandle － 内存当中的面板句柄，即为控件所在面板的句柄值 controlID － 控件的ID值，在控件属性面板中可以获得 controlAttribute － 特定的控件属性
	输出参数	无
	返回值	0 －成功   其他值－失败
（5）	函数功能	采集数据处理－根据采集的参数设置，计算信号的频率，峰峰值，平均值和有效值
	函数原型	int processing_data (unsigned char data[], int points, unsigned char coupling_cw, int div,int timebase, double *signal_fr, double *vp, double *vm, double *ve)
	输入参数	data[ ] － 采集数据存放数组 Points － 采集数据点数 coupling_cw － 耦合方式 0：直流耦合（不隔直） 1：交流耦合（隔直） div － 垂直灵敏度（伏/格）序号 必须和采集时设置的div一致 timebase － 扫描速度（时基）序号 必须和采集时设置的timebase一致
	输出参数	signal_fr＝＝ 信号频率Hz vp  ＝＝ 峰值; vm  ＝＝ 均值; ve   ＝＝ 有效值;
	返回值	0 －OK ，输出值有效 1 －出错，输出值无效。 采样频率太大，应减小时基序号，以增大采样频率
（6）	函数功能	在图形控件上显示波形
	函数原型	int PlotWaveform (int panelHandle, int controlID, void *yArray, int numberOfPoints, int yDataType, double yGain, double yOffset, double initialX, double xIncrement, int plotStyle, int pointStyle, int lineStyle, int pointFrequency, int color)
	输入参数	panelHandle － 图形控件所在面板的句柄值 controlID － 图形控件的ID值 *yArray － 沿Y轴分布的数据数组首地址 numberOfPoints － 需要显示的数据点数 yDataType － 指定数据类型 yGain － 指定Y轴显示数据的增益 yOffset － 指定Y轴显示数据的偏移量 initialX － 指定X轴的初始值 xIncrement － 指定X轴的步进值 plotStyle － 指定显示波形的连点方式 pointStyle － 指定显示波形的点的形状 lineStyle － 指定显示波形的线条形状 pointFrequency －当plotStyle VAL_CONNECTED_POINTS or VAL_SCATTER时 指定点之间的标记间； color － 指定线条的颜色
	输出参数	无
	返回值	整数 代表所绘图形的句柄

   5．3 在电子测量实验箱中示波器硬件提供32K存储深度的基础上设计波形存储、回放功能
   在5.2节设计的虚拟存储示波器面板上有两个命令按钮（Command）控件，如图6所示，保存波形（保存按钮）调用ArrayToFile（）函数，打开波形文件（打开按钮）调用FileToArray（）函数，波形的显示调用PlotWaveform（）函数，以上函数均由CVI软件提供，可直接使用。

六、设计结果分析

   6．1 双踪显示波形的观测
   由两台函数信号源分别产生两路电压信号，一个产生幅度为5V，频率为5KHz的正弦波，另一个产生幅度为3V，频率为5KHz的三角波，从设计的虚拟数字存储示波器进行双踪显示，并画出波形。
   画信号一波形：画信号二波形：

 

   6．2由函数信号源产生一个频率为5KHz，幅度变化（有效值）如下表的正弦波，利用设计的虚拟数字示波器进行有效值测量。

标准信号（V）	0.25	0.5	2.5	5
通道1（Ain1）（V）
通道2（Ain2）（V）

    6．3由函数信号源产生一个幅度为5V，频率变化如下表的正弦波，利用设计的虚拟数字示波器进行频率测量。

标准信号（KHZ）	0.01	0.1	0.5	1.0	5.0	10.0	50.0	100.0	1000.0
通道1（Ain1）（KHZ）
通道2（Ain2）（KHZ）

七、思考和练习题

1．能否用一个带宽为20MHz的示波器观测重复频率为15MHz的正弦波和方波？为什么？
2．利用示波器测量各种波形参数时，你如何减小其测量误差？
3．测量方波的上升和下降时间可以有哪些方法？