利用单片机和FPGA器件实现等效和实时采样方式的数字示波器

2019-12-03来源: elecfans关键字:单片机  FPGA器件  采样方式  数字示波器

引言

数字示波器自上个世纪七十年代诞生以来,它已成为测试工程师必备的工具之一。随着近年来电子技术取得突破性的进展,催生了更庞大的数字示波器市场需求。此外,信号传输在现代工程中是很重要的一个技术环节,但在信号传输中,数字信号将对模拟信号产生干扰,目前采用的解决方法是利用单片机来实现模拟信号和数字信号在单线中的混合传输,而这其中的测试和调试就要求示波器必须能够对数字信号和模拟信号同时进行分析和显示。因此,这里介绍一种基于等效和实时采样数字示波器的设计。


2 设计方案

2.1 采样方案

选择实时采样和等效采样相结合的方式,实时采样速率小于1 MS/s,水平分辨率至少为20点/div,故系统50 kHz以下采用实时采样方式,而50 kHz~10 MHz采用等效时间采样方式,最高等效采样速率可达到200 Ms/s。


2.2 频率测量方案

由于该系统测试频率上限为10 MHz。根据等精度测量和测周法原理,将此频率分为两段。因此,10 kHz以下频率段,采用测周法;10 kHz以上的频率段,采用等精度测量法,从而缩短测量时间。


2.3 触发方案

采用内部软件触发,通过软件设置触发电平,软件设置的施密特触发器参数容易修改,可以很好抑制比较器产生的毛刺。当所采样值大于该触发电平时,产生一次触发。该方案可排除硬件产生的毛刺干扰,触发和波形较稳定,且易实现触发电压的调整。


2.4 采样与保持电路方案

采用射极跟随器、模拟开关和电容搭建采样与保持电路。射极跟随器可选用带宽稳定且带动容性负载强的运放,有较多的TI模拟开关,使其速度很容易满足要求,再选用合适的漏电小的聚苯电容即可实现采样与保持电路。


3 系统硬件电路设计

系统制定出系统总体方案:输入信号经阻抗变换电路后进行程控放大,再经采样与保持电路后进人MAX118进行采样。其中程控放大倍数和A/D采样速率由垂直灵敏度和水平扫描速度确定,采样时刻由上升沿触发判断和等效采样控制单元决定。采样数据存入双端口RAM,显示控制模块读取RAM内容并控制DAC904输出显示。图1为系统总体设计实现框图。

利用单片机和FPGA器件实现等效和实时采样方式的数字示波器设计

3.1 程控放大及前级阻抗匹配

信号先经前级AD811的阻抗匹配后实现系统的输入阻抗为1 MΩ,再经过模拟开关MAX308CPE来实现不同通道放大的选择,最后经模拟开关COM总输出,如图2所示。

利用单片机和FPGA器件实现等效和实时采样方式的数字示波器设计

3.2 采样与保持电路

基于采样频带要达到10 MHz,系统采用模拟开关THS3166,其特点是低导通电阻、电容,低漏电流,低捕获时间和通断孔径时间,但只工作在正电压范围,故需前级加法器。开关前再加一级射极跟随器,采用带动容性负载强宽带运放THS3001做前后级的隔离。


3.3 整形及测频电路

高频段整形采用高速比较器MAX913,低频段采用低速比较器LM311。为提高输入MAX913信号的信噪比,在其前级加一级无限增益放大,采用高频率运算放大器LM7171,放大倍数50,这样减小MAX913输出脉冲边沿抖动。同时,为避免高频整形方波的谐波发射,比较器输出均经74LS393分频后送入FPGA进行等精度测频,脉冲边沿更陡峭,便于测量。


3.4 A/D采样电路

A/D转换器采样是信号处理的重要部分,是对模拟信号进行数字量化。采用MAx118的流水线工作模式,该模式下MAX118的工作直观,控制简单。图3为MAX118的实现电路。

利用单片机和FPGA器件实现等效和实时采样方式的数字示波器设计

4 系统软件设计

简化后的系统软件流程如图4所示。系统主体功能采用模块化的设计思想,通过按键进行选择,且菜单界面良好,具有较强的人机交互性。为了在示波器上显示稳定的波形,采用内触发方式进行扫描,软件对触发电平的设置较好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。另外双端口RAM的使用还使系统具备自动调节和波形存储的功能。

利用单片机和FPGA器件实现等效和实时采样方式的数字示波器设计

5 测试结果

5.1 使用的仪器及测试方案

PC机:清华同方P1.7 G,512 M;直流稳压电源:SG1733SB;双踪示波器:泰克TDS1002;仿真机:E51/S伟福;信号源:Agilent 33120A;数字合成高频信号发生器:SP1461。

将系统行列扫描输出端分别与模拟示波器X轴与y轴输入端相连,进行垂直灵敏度和水平扫描速度测试,信号幅值和周期测试。


5.2 测试数据及分析

表1和表2分别给出了该系统设计的水平灵敏度和垂直灵敏度测试数据。

利用单片机和FPGA器件实现等效和实时采样方式的数字示波器设计

利用单片机和FPGA器件实现等效和实时采样方式的数字示波器设计

系统电压测量误差主要于前级信号调理电路,被测信号是宽带宽,高动态范围的信号,因而对前级放大器幅频特性要求很高。系统频率测量的误差于等精度测频中对频标计数的±1误差,以及比较器边沿抖动和工作的不稳定性。


系统具有3档垂直灵敏度,电压测量误差小于2%,7档水平扫描速率,周期测量误差小于0.01%,以及触发电平调节和存储波形的功能。


6 结束语

该数字示波器增加了垂直灵敏度和水平扫描速度的档位、AUTOSET和光标显示以及对显示波形处理的功能,显示波形无明显失真,幅度测量误差小于2%,频率测量精度优于0.01%,并能进行单次触发,存储/调出波形。系统的显示输出采用模拟示波器和128×64点阵液晶相结合的方式,波形显示清晰,工作稳定,操作简单,人机界面友好。

关键字:单片机  FPGA器件  采样方式  数字示波器 编辑:什么鱼 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/ic481780.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:使用RIGOL程控数字示波器对电源纹波进行有效测量
下一篇:细数示波器或曾不为人知的12项功能

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

数据的加密传输——单片机上实现TEA加密解密算法
各位大侠在做数据传输时,有没有考虑过把数据加密起来进行传输,若在串口或者无线中把所要传的数据加密起来,岂不是增加了通信的安全性。常用的加密解密算法比如DES、RSA等,受限于单片机的内存和运算速度,实现起来比较困难,但一种叫TEA的加密算法特别适合单片机使用。TEA(Tiny Encryption Algorithm)是一种简单高效的加密算法,以加密解密速度快,实现简单著称。算法很简单,TEA算法每一次可以操作64-bit(8-byte),采用128-bit(16-byte)作为key,算法采用迭代的形式,推荐的迭代轮数是64轮,最少32轮。目前我只知道QQ一直用的是16轮TEA。我之前做过一个数字的无线对讲机,把语音数据加密后
发表于 2019-12-11
通过PICC编译环境下,对PIC单片机程序进行操作研究
PICC基本上符合ANSI标准,但是不支持函数的递归调用,其主要原因是PIC单片机特殊的堆栈结构。PIC单片机中的堆栈是硬件实现的,其深度已随芯片固定,无法实现需要大量堆栈操作的递归算法;另外在PIC单片机中实现软件堆栈的效率也不是很高。为此,PICC编译器采用一种“静态覆盖”技术,以实现对C语言函数中的局部变量分配固定的地址空间。经这样处理后产生出的机器代码效率很高。当代码量超过4KB后,C语言编译出的代码长度与全部用汇编代码实现的差别已经不是很大(<10%),当然前提是在整个C代码编写过程中需时时注意所编写语句的效率。PICC中的变量类型和标准C语言一样,这里不再重复。为了使编译器产生最高效的机器码,PICC把单片机
发表于 2019-12-11
通过PICC编译环境下,对PIC单片机程序进行操作研究
PIC单片机的IIC接口程序
PIC单片机的IIC接口程序IniTI2CBusMaster;************************************************************TxmtStartBit   bsf    Bus_Busy                       ; on a start condiTIon bus is busy 
发表于 2019-12-11
PIC单片机是什么_PIC单片机介绍
PIC单片机(Peripheral Interface Controller)是一种用来开发的去控制外围设备的集成电路(IC)。一种具有分散作用(多任务)功能的CPU。与人类相比,大脑就是CPU,PIC 共享的部分相当于人的神经系统。PIC单片机有计算功能和记忆内存像CPU并由软件控制允行。然而,处理能力—存储器容量却很有限,这取决于PIC的类型。但是它们的最高操作频率大约都在20MHz左右,存储器容量用做写程序的大约1K—4K字节。时钟频率与扫描程序的时间和执行程序指令的时间有关系。但不能仅以时钟频率来判断程序处理能力,它还随处理装置的体系结构改变(1*)。如果是同样的体系结构,时钟频率较高的处理能力会较强。这里用字来解释程序
发表于 2019-12-11
PIC单片机实用教程基础篇
PIC单片机(Peripheral Interface Controller)是一种用来开发的去控制外围设备的集成电路(IC)。一种具有分散作用(多任务)功能的CPU。与人类相比,大脑就是CPU,PIC 共享的部分相当于人的神经系统。PIC 单片机是一个小的计算机PIC单片机有计算功能和记忆内存像CPU并由软件控制允行。然而,处理能力—存储器容量却很有限,这取决于PIC的类型。但是它们的最高操作频率大约都在20MHz左右,存储器容量用做写程序的大约1K—4K字节。时钟频率与扫描程序的时间和执行程序指令的时间有关系。但不能仅以时钟频率来判断程序处理能力,它还随处理装置的体系结构改变(1*)。如果是同样的体系结构,时钟频率较高的
发表于 2019-12-11
PIC单片机的程序设计经验分享
PIC单片机(Peripheral Interface Controller)是一种用来开发去控制外围设备的集成电路(IC)。一种具有分散作用(多任务)功能的CPU。本内容讲述了PIC单片机中的程序设计方面的学习1、PIC单片机程序的基本格式先介绍二条伪指令:EQU ——标号赋值伪指令ORG ——地址定义伪指令PIC16C5X单片机在RESET后指令计算器PC被置为全“1”,所以PIC16C5X几种型号芯片的复位地址为:PIC16C54/55:1FFHPIC16C56:3FFHPIC16C57/58:7FFH一般来说,PIC单片机的源程序并没有要求统一的格式,大家可以根据自己的风格来编写。但这里我们推荐一种清晰明了的格式供参考
发表于 2019-12-11
PIC单片机的程序设计经验分享
小广播
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2019 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved