摘要:本设计基于数字存储示波器的基本原理,以单片机和FPGA组成的最小系统为控制核心,具有实时采样方式和等效采样方式,其实时采样速率≤1MSa/s,并采用顺序等效采样的方式使等效采样速率达到200MSa/s。系统输入频率范围为10Hz~10MHz,输入幅值范围为4mvVpp~8vVpp,周期测量精度优于0.1%,幅值测量误差小于5%。系统具有三档垂直灵敏度和七档水平灵敏度,采用内触发方式,触发电平可通过外部旋钮进行调节,同时也具有单次触发功能。能够对波形进行存储,并且能在需要时调出存储波形进行回放。系统在模拟示波器上显示波形和刻度,并且借助于128*64点阵液晶显示示波器参数及波形信息,功能稳定,波形清晰。
关键词:数字存储示波器,实时采样,等效采样,取样保持
1导言
数字存储示波器可以对数据进行运算和分析,特别适合于捕获复杂动态信号中产生的全部细节和异常现象,因而在科学研究、工业生产中得到了广泛的应用。
本设计的目的在于制作一台实时采样方式和等效采样方式的数字存储示波器,可以测量周期信号的频率范围为10Hz~10MHz,实时采样速率≤1MSa/s,等效采样速率≥200MSa/s,包含三档水平扫描速率和三档垂直灵敏度,采用内触发方式,触发电平可调,可扩展存储和单次触发的功能,并能对信号进行幅值和频率的实时测量。
2 方案选择
2.1采样方式选择
实时采样是在信号存在周期对其采样,故都是在信号经历的实际时间内显示信号波形。根据采样定理,采样速率必须高于信号最高频率分量的2倍。对于周期的正弦信号,一个周期内至少应该有2个采样点。为了不失真的恢复原被测信号,通常一个周期内就需要采样8个点以上。其优点是采样时间较短,缺点是对A/D 转换其的速度和精度要求很高。
等效采样。使用等效采样法的前提是被测信号是周期出现的,因此,为了重建原信号,可以每一个周期内等效地等间隔地抽取少量的样本,最后将多个周期抽取的样本集合到同一个周期内,这样就可以等效成在一个被测信号周期内采样效果。该方案的优点是采样频率不需要太高,与被采样信号频率相当即可,缺点是要求被测信号是周期的,而且采样过程较慢,比较耗时。
为满足实时采样和等效采样相结合、实时采样速率≤1MSa/s、水平分辨率至少为20点/div,本设计50KHz以下采用实时采样方式,50KHz~10MHz采用等效时间采样方式,最高等效采样速率可达到200MSa/s。
2.2触发方案选择
为了在示波器上显示稳定的波形,必须利用触发使扫描信号与被观测信号保持同步关系,即当满足触发条件时才启动一次扫描。设计采用内触发方式,即以输入的被测信号作为触发源,且采用上升沿触发。如果采用比较器实现,当信号大于所设比较触发电平时,即产生一次触发。但是被测信号为10Hz~10MHz,对比较器的要求较高,而且比较器的边沿容易产生抖动,导致触发不稳。通过数字电路电路实现,在FPGA中可通过软件将触发电平写入一个寄存器中,通过A/D对信号进行实时采样,并与该寄存器的值进行比较当大于改值时即产生一个触发脉冲,可排除硬件毛刺产生的干扰,触发和波形较稳定,且易实现触发电压的调整,本设计通过数字电路实现。
2.3频率测量
用测周法测量频率,当选定高频时钟脉冲而被测信号频率较低时可以获得很高的精度,而被测信号频率过高时由于测量时间不够会有精度不够的问题,可见测周法适用于低频信号的测量。相关计数测频法(等精度测频法)和测周法很相似,不同的是测周法测量时间为被测信号的一个周期,不是固定值,测较高频率时测量时间过短,造成精度不够;而等精度测量法的测量时间并不是被测信号的一个周期,而是人为设定的一段时间。闸门的开启和闭合由被测信号的上升沿来控制,测量精度与被测信号频率无关,因而可以保证在整个测量频段内的测量精度保持不变。本设计采用等精度测频法,可使在10Hz~10MHz输入信号范围测频精度相等。
2.4幅值测量
峰值检波法通过峰值检波器将输入信号的峰值转换为直流信号输出,然后通过AD采样测的其幅值,但是峰值检波器在低频段的精度较低。数字检波法,通过A/D转换器对其采样,然后对采样数据进行处理得到信号的幅值。该方案受A/D转换器的速率的限制,当信号频率升高时,其精度会由于采样点数减少而降低。
综合分析,本设计采用两种方案相结合的方法对信号的峰值进行测量,以提高幅值测量的在整个频段范围内的精度,使电压测量误差小于5%。
3系统总体设计方案及实现方框图
图1 系统总体框图
系统框图如图1所示,系统以单片机AT89S52和FPGA为控制核心。被测10Hz~10MHz信号经由射极跟随器构成的阻抗匹配电路输入系统,为实现三档垂直灵敏度,共设置三级程控放大电路,然后信号经加法器变为单极性信号,经设计的采样保持电路送入A/D转换器进行采样。A/D转换器采用1Msps采样速率8位的MAX118。同时程控放大后的信号经测频整形电路送入FPGA进行测频,并经峰值检波电路由12位A/DMAX197采样,进行幅值测量。同时MAX197采样触发电平调节电位器电压,实现触发电平的调节。FPGA内部实现等精度测频,当所测频率小于50KHz时即采用实时采样,当所测频率大于50KHz时,采用等效时间采样。采样所得数据由波形数据存储控制模块写入FPGA内部,同时由波形显示控制模块将数据读出,送入列扫描电路,行扫描电路产生扫描电压,在模拟示波器上显示出信号波形。可以实现连续触发显示和单次触发显示,并能实现波形的存储与回放。
4理论分析与计算
4.1等效采样分析
等效时间采样是一种用低频信号采样高频信号的一种方法,即对每个周期仅采样一个点,经过若干个周期后就可对信号各个部分采样一遍,而这些点可以借助步进延迟方法均匀地分布于信号波形的不同位置。设输入信号f(t)(t)的周期为T(频率为f),若将f(t)的一个周期T以△t等分,则在采样时钟周期为Tc,且Tc=m×T+△t(m为正整数)时,在经过k个时钟周期后,
且k=T/△t,
f(kTc)=k(m×T+△t)=T/△t(m×T+△t)=T(mk+1)
即实现了对信号f(t)一个周期k个点的等效采样,等效采样频率为k×f,实时采样时钟为1/Tc=m×T+T/(k),调整m的值可使采样时钟频率<1MHZ,同时,由于最高输入频率为10MHZ,假设对10MHZ信号一个周期采样20个点,就可实现
设计要求的200MSa/s的等效采样率,分析可得△t<=5ns。
在实现等效采样时采用顺序等效采样,用具有时序的宽度极窄的采样脉冲在被测信号各周期不同相位逐次进行采样, 采样脉冲相对信号起点来讲依次延时0、△ t、2△ t、3△ t⋯ ~ n△ t时间, 如果原信号周期为T,步进延迟时间为△ t, 把被测高频周期信号变为相似的低频信号重现。以被测信号被整形后的脉冲信号作为触发事件,每到来一个新的触发事件就采集一个采样点。波形记录中有多少个存储位置就需要多少个触发事件。