100MHz 数字存储示波表样机的研究与试制----原理与主要指标

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1.1数字存储示波器概述
          示波器是电子测量中一种最常用的仪器，它能够直观的显示被测信号的时域信息。当前，数字示波器正逐渐取代模拟示波器成为主流的示波器产品。它在显示方式、数据处理、波形保持和存储等方面都不同于模拟示波器。随着大规模集成电路技术、信号分析处理技术的发展，特别是在微型机算计引入到示波器后，示波器无论在设计、性能、功能、使用、操作还是在故障诊断上都取得了巨大的进步。
       
        早期的模拟示波器通常由垂直偏转系统、水平偏转系统和显示电路等部分组成。它的缺点是只能观测周期信号。对于非周期性的单次瞬变信号的观测，用模拟示波器是非常困难的，有时甚至是不可能的。同时，模拟示波器还存在着一些无法克服的缺陷。例如，信号带宽受到阴极射线管的限制而不可能太高，不能存储波形，预触发功能难以实现等等。而数字示波器的许多优点在近几年得到了迅速发展。诸如，观察低频信号时具有存储记忆功能，从而实现超低频扫描；利用数字滤波技术进行波形处理，准确观测原始信号波形；利用CPU或DSP的强大的数据处理能力，进行参数分析，提高测试速度和精度；远距离传输测量的数据，共享数据，从而实现自动测试系统。数字示波器凭借以上种种优点并随着其价格的不断降低，正逐渐成为测试领域的新宠。
       
        目前来看，国外数字示波器仍然是市场上的主流产品。其中美国TEK公司的示波器一直处于领先地位，被世界公认为示波器的权威。近来TEK推出的TDS系列示波器具有独特的确保高信号保真度的获取结构，能够利用最先进的触发系统，提供快速瞬态信号或重复信号的多通道获取，并进行先进的波形处理然后送去显示。TDS2012示波器具有100MHz的带宽，1GS/s等效采样率，记录长度可达2.5K.除TEK公司外，安捷伦、力科也都是生产数字示波器的著名厂家。他们所研制的产品各有各的优势。例如，力科公司的数字示波器不仅能够自动测试32种参数，而且，它的存储长度很长，而长的存储深度可以提供高的分辨率。另外，力科独有的存储管理系统，配合其先进的峰值检测电路，使得整个波形在单一屏幕显示，即可即时找出毛刺及干扰的所在，确保在任何扫描速度工作都能够保持较高的采样率。
          1.2数字存储示波器的原理与特点
          数字存储示波器（DSO）基于取样定理，利用A/D转换技术和数字存储技术，能迅速捕捉瞬变信号并长期保存。它首先对模拟信号进行高速采样获得相应的数据并存储，存储器中贮存的采样数据送入数字信号处理器（DSP）进行相关的处理与运算，从而获得所需的各种信号参数。最后，它根据所得到的信号参数在液晶上重建信号波形，并可对被测信号进行实时的、瞬态的分析，以便用户了解信号质量，快速准确地进行故障的诊断。数字存储示波器不仅可以观测周期性重复信号，而且也能够观测非周期的单次的或随机的信号。这是因为数字存储示波器可以采用实时采样。与传统的模拟示波器相比，数字存储示波器具有许多优点，主要表现在：
          1.多通道单次信号捕获：一个DSO能够同时在多个通道上捕捉象电源开、关或故障发生这样的单次瞬态事件。
       
        2.波形处理：由于DSO内部使用一个微处理器，它能够在所获得的波形上完成幅度和时间参数以及波形运算等功能，加上选件能够完成更复杂的数学运算，如积分、倒数、指数、对数、平均、数字滤波、极值、FFT等。
       
        3.数据存储：DSO带有非易失性的波形存储器，它们能够提供与DSO兼容的存储卡或软盘。示波器也能够容易地与许多绘图仪和打印机相连来进行高质量的硬拷贝。
       
        4.更多的触发功能：DSO也能够提供许多模拟示波器所没有的触发能力。例如：当故障发生时，它能够触发并且能够观察引起故障触发前的过程。
       
        5.自动测试：数字存储示波器能够提供自动测试功能，简化了使用者的操作，使仪器具有智能化。
       
        1.3数字存储示波表国内外的发展状况
          手持式数字存储示波表是将台式或便携式数字存储示波器设计成掌上型、内置电池供电的形式，它不但完全继承传统的数字存储示波器的所有测量功能和技术性能，而且具备如下特点而备受市场欢迎：
          ●结构坚固，运行可靠，携带方便，轻巧耐用；
          ●数字电压表和示波表测量功能，频谱分析功能；
          ●适应无电力电源的野外、移动场合、窄小场地的作业区使用
          目前，高性能手持示波表技术上居领先地位的是美国Tektronix公司和FLUKE公司。FLUKE的手持示波器有两类：一类基于随机采样技术，典型产品有FLUKE123；另一类基于实时采样技术，其典型产品有：FLUKE190系列。上述产品虽然技术实现途径不同，但都将多种功能集合到一台手持式仪器中，一般都由信号调理、A/D转换器和高速存储单元组成，采样速率从20MSa/s到2.5GSa/s不等（FLUKE196为2.5GSa/s），通道数均为双通道，它们具有可靠性高、功能强等特点，其中，FLUKE190系列具有一定的分析功能。
       
        Tektronix公司的高性能手持示波器产品均采用实时采样的方式实现，典型产品有THS700系列。带宽100MHz，采样率500MSa/S，具有示波器加万用表功能，其中THS720P还具有谐波分析功能。
       
        1.4数字存储示波表的主要性能指标
          本课题设计的数字存储示波表为双信号通道，一个外触发通道，100MHz带宽，最大存储深度为25K，设有光标自动测量功能，自动设置功能，峰值检测功能以及多种触发方式。
       
        主要技术指标如下：
          ◆垂直分辨率：8bits
          ◆带宽fBW：双通道100MHz
          ◆垂直偏转系数：5mV/div—5V/div（1-2-5步进）
       
        ◆最大输入电压：40Vpp（1：1探头时）
       
        ◆上升/下降时间：≤3.5ns
          ◆上冲≤5%输入阻抗：1MΩ
          ◆最大实时采样速率：100MSPS
          ◆最大等效采样速率：5GSPS
          ◆存储深度：25KB/CH
          ◆时基范围：5ns/div—5s/diV（1-2-5步进）
          主要功能指标有：
          ◇光标测量功能：用光标测量幅值域参数和时域参数。
       
        ◇滚动显示功能：在自动触发模式的慢时基档位下，屏幕处于滚动显示方式，波形从屏幕的左端滚动至右端。
       
        ◇存储回调功能：有菜单选择存储区域将屏幕上显示的波形或参数存储起来，菜单选择存储过的波形或参数回调出来。
       
        ◇反相功能：通过菜单选择把屏幕波形的极性取反。
       
        ◇自动量程和时基：对任一未知的信号，按示波器键盘上的“自动”键波形以适当的时基和量程显示在屏幕上。
       
        ◇触发特性：有内部/外部，上升和下降触发，触发方式有自动，正常，和单次，具有预触发功能。
       
        ◇ACQUIRE方式：有采样，峰值检测和平均三种捕捉方式；其中采样和峰值方式下用峰值显示，平均次数可选4/16/32/64/128次。
       
        ◇解析度：240点×320点，其中：纵向8.0格×25点（每1个点为1个象素），横向10格×25点（每1个点为1个象素）。
       
        1.5本文设计的任务
          数字系统设计是本项目的一个重要组成部分，而数据采集系统设计是其中的核心环节。本系统的设计是基于DSP+FPGA结构，利用FPGA极其灵活，可再编程的特点和DSP强大的数据处理能力完成数据的采集，缓存，处理，显示。在LCD显示方面，我们没采用一般的LCD控制器，而是利用FPGA丰富的资源生成LCD显示逻辑控制电路，外有两片SRAM进行来回切换向LCD送去数据显示。本论文就将围绕数字系统的设计而展开，重点对数据采集系统的硬件结构以及LCD显示电路进行介绍。
          第二章数字系统总体结构
          本数字系统采用的是FPGA＋DSP结构。由于DSP和FPGA可以反复的实时更新程序和数字逻辑结构，所以这种结构具有很高的灵活性。系统的总体框图如图2－1所示：
       
        FPGA（现场可编程门阵列）芯片是一种特殊的ASIC芯片，属于可编程逻辑器件，它是在PAL、GAL等逻辑器件的基础上发展起来的。同以往的PAL、GAL等相比较，FPGA规模比较大，适合于时序、组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用IC芯片。这样的FPGA芯片实际上就是一个子系统部件。这种芯片具有可编程性和实现方案容易改动的特点。由于芯片内部硬件连接关系的描述可以存放在磁盘、ROM、PROM或EPROM中，因此在可编程门阵列芯片及外围电路保持不动的情况下，换一片存储器芯片，就能实现一种新功能。可编程逻辑器件是一种用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。它的基本设计方法是借助于EDA软件，用原理图、状态机、布尔表达式、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，最后再由编程器和下载电缆，用目标器件来实现。这种利用器件逻辑结构、由用户配置来实现任何组合逻辑和时序逻辑功能的器件，最初被视为分立逻辑电路中和小规模集成电路的替代物，随着设计技术和制造工艺的完善，器件性能、集成度、工作频率等指标不断提高，FPGA的应用范围越来越广，目前它已成为数字ASIC设计的主流。
       
        如图2－1所示，本系统采用了两片FPGA.FPGA1采用ALTERA公司1K50系列的产品，它除了实现峰值检测、地址译码、触发、时基电路等功能外，而且由于系统采用了随机取样技术，所以计算触发脉冲到第一个取样脉冲时间间隔的随机展宽计数电路也做在了里面。同时，1K50内部有5KB的RAM.我们将它做成了两片容量分别为2.5KB的FIFO.这样，不仅节约了成本，而且还提高了速度。FPGA2采用了ALTERA公司1K30系列的产品，它主要产生LCD所需的时序以及控制显示数据的传输，同时还完成硬件测频的功能。DSP我们选用的是TI公司的TMS320VC5416.它是一种16位的定点DSP，采用了先进的增强型哈佛结构，片内共有8条总线（1条程序总线、3条数据存储器总线和4条地址总线）、专用硬件逻辑的CPU设计、片内存储器和在片外围电路等硬件，加上高度专业化的指令系统，使TMS320VC5416具有功耗小、高度并行等优点，可以满足实时处理的要求。它主要用来对采集进来的数据进行快速的处理、运算。
       
        另外，FLASH用来存储DSP的程序代码、字库和一些需要保存的波形参数等；SRAM3用来保存DSP处理后的数据；SRAM1和SRAM2采用分时复用的方法来回切换读取SRAM3的数据，送到LCD显示。键盘控制与采集系统相对独立，所以我们选用了型号为AT89C2051的MCU，对每个键操作编写唯一的代码，然后通过串口送至DSP，由DSP对不同的键操作做出相应的处理。