数字存储示波器
研究目的、背景
数字存储示波器是随着数字集成电路技术的发展而出现的新型智能化示波器，已经成为电子测量领域的基础测量仪器。随着新技术、新器件的发展，它正在向宽带化、模块化、多功能和网络化的方向发展。数字存储示波器的优势是可以实现高宽带及强大的分析功能。现在高端数字存储示波器的实时带宽已达到20GHz，可以广泛用于各种千兆以太网、光通讯等测试领域，而低端数字存数示波器几乎可以应用于国民经济各个领域的通用测试，同时可广泛应用于高校及职业学校的教学，为社会培养众多的后备人才。
数字存储示波器是现代测试领域中重要的测量工具，是电子测量中最常用的一种仪器，主要应用于时域测试，特别适用于观察、测量、记录各种瞬时物理现象，并以图形方式显示其与实践的关系。示波器直观的显示效果有助于被测对象深入理解。从物理学家到电视维修人员，许多行业人员都需要使用示波器，汽车工程师使用示波器来测量发动机的震动，医生使用示波器测量脑电波等等，示波器的用途是非常广泛的。
众多优点使得数字存储示波器在电子测量领域获得了广泛的应用。数字存储示波器的基础是数据采集，其设计技术可以应用于更广泛的数据采集产品中，具有深远的意义。
国内外概况和发展趋势
从二十世纪八十年代初模拟示波器开始像数字化转型开始，至今
已发展了三十多年，数字示波器在几个关键性能指标上已经有了很大的提高，目前市场上已经出现了带宽20GHz，实时采样速率高达50GS/s的泰克公司DP070000系列数字荧光示波器（美国），以及带宽15GHz，实时采样率达40GS/s的TDS6000系列数字存储示波器，此外另一家示波器生产商安捷伦科技也推出了带宽13GHz，实时采样率40GS/s的80000BInfiniium系列高性能示波器。
国内对数字存储示波器的研制始于二十世纪八十年代初，限于当时的条件，其采样速率值很低，在九十年代国外数字存储示波器迅猛发展的背景下，我国的一些研究所、院校开始开始投入更多的经费致力于数字存储示波器的研发。目前在与国外测试测量巨头的博弈中，示波器领域的本土企业已取得一些突破。中国仪器界崛起的生力军的代表普源精电，于2006年初推出一款性能卓著的紧凑型数字存储示波器DS1000系列。DS1000系列在性能不仅全面超过国外同类产品，打破了在这个领域国外产品一统天下的局面，同时又在原产品上大胆创新，使DS1000系列成为数不多体积小巧、功能强大、性能卓越的低端数字示波器，弥补了国内空白。但是与国外相比，国内示波器的采样率仍然不高，实时带宽也不够，所以在很多测试领域中的应用受到了限制。
无论是国内还是国外，设计带宽更高的模拟通道，采样速率更高的采集系统始终是整个示波器设计的主旋律。在整个行业对数据速率极限永无止境的挑战过程中，示波器一直承担着系统设计和错误排除等应用中最为重要的任务。模拟带宽频率更高，不断满足行业测试新
标准，功能集成趋势明显，这是示波器未来的发展趋势。随着电子产业不断引入新兴技术和标准，示波器也正在不断进化发展以应对层出不穷的新挑战。
主要研究内容
1、数字存储示波器的基本原理。
2、高速数据采集、存储、回放电路的设计。
3、本设计以高速A/D转换器TLC5510为核心，利用CPLD产生高速的逻辑控制器件控制高速A/D芯片采样转换，并利用双口RAM 存储数据、回访波形。
研究阶段、进度及完成时间
第一阶段：储备知识以及拿出初步设计方案2009-12-10~~2010-03-02 第二阶段：设计电路、计算参数2010-03-03~~2010-03-09第三阶段：编写毕业论文（初稿及二稿）2010-03-10~~2010-03-29 第四阶段：论文定稿、设计完成2010-03-30~~2010-04-11 第五阶段：准备答辩2010-04-11~~2010-04-20
论文摘要
本系统基于单片机最小系统，以高速模数转换器TLC5510为核心，利用CPLD构成高速逻辑控制器件控制高速A/D芯片采样转换和双口RAM存储数据、回放波形。本系统主要由七个子模块电路构成：前级程控放大电路、TLC5510高速采样电路、基于CPLD的高速逻辑控制电路、数据存入与读出的双口RAM电路、AD7523 D/A转换电路、触发电路、单片机最小系统。系统实现了单/双踪显示、多触发方式、波形存储等多种功能。
系统硬件设计应用了EDA工具，软件设计采用模块化编程方法。关键字：程控增益放大高速模数转换器数模转换器双口RAM CPLD
Abstract
The system is based on the smallest microcomputer systems
to high-speed ADC TLC5510 the core, using a high-speed CPLD
logic control device control the high-speed A / D conversion
and dual-port sampling chip RAM to store data, playback
waveform. This system is mainly constituted by seven sub-module
circuits: the former level programmable amplifier, TLC5510
high-speed sampling circuit, CPLD-based high-speed logic
control circuits, data entry and read out of dual-port RAM
circuit, AD7523 D / A converter circuit, trigger circuit , SCM
minimum system. System implementation of the single /
double-trace display, multi-trigger, waveform storage and
other features.
System hardware design applied to EDA tools, software
design, modular programming method.
Key words:ProgrammableGainAmplifier High-Speed ADC
DAC Dual-port RAM CPLD
数字存储示波器的设计与实现
引言
近年来，随着科学技术的发展，数字存储示波器以其高精度、高性能在示波器家族中脱颖而出。它使得示波器不仅能收集和显示信息，而且能计算和分析信息，还能根据预先编好的程序进行微分、积分、平均、平方根、有效值等多种运算，并能自动校准、纠错以及自动进行数据交换等。与传统模拟示波器相比，数字存储示波器不仅具有可存储波形、体积小、功耗低，使用方便等优点，而且还具有强大的信号实时处理分析功能。因此，数字存储示波器在科学研究和工程计算中大有全面取代模拟示波器之势。但是，目前数字示波器的研究在国内尚属起步阶段，数字示波器在我国还主要依靠进口，且价格昂贵，因而阻碍了我国电子及相关行业的发展。借于此，提出了一种简易数字存储示波器的设计方案，经测试，性能优良。
下面对数字存储示波器的总体方案设计和模块电路设计及软件设计分别作详细讨论。
第一章绪论
1.1 数字存储示波器概述
1.1.1 基本概念
数字存储示波器是通过模数转换和数据取样进行工作的数字示波器。数字存储示波器是利用A/D转换把被测模拟信号变为数字信号，然后存入存储器中，需要显示的时候，将存储器中存储的内容调出，通过相应的D/A转换恢复为模拟信号显示。在数字存储示波器中得到显示波形要经过图1-1所示的数据流。
图1-1 数字存储示波器数据流程图
信号调理主要是对被测输入信号在幅度与偏移方面进行线性处理，使信号在垂直方向上处于A/D转换器的输入范围内；现在的新产品一般提供增益细调能力。
触发产生电路根据操作者设定的触发条件确定什么时候采集模数转换后的信号点数据值。信号边沿是最基本的触发条件。
模数转换电路在给定采样时钟的节拍下把输入的模拟信号转换为离散的数据值；在数字存储示波器中，A/D转换器始终以最高取样率进行工作。
信号采集电路把模数转换后的信号点数据值存储到采集存储器中。
波形重组电路根据示波器水平设置及触发点与采集时刻的时间差把采集存储器中的信号点在水平方向上重定位（与显示屏幕上的像素列对应），存储到波形存储器中。
波形显示电路以波形存储器中信号点数据值为Y轴坐标，以信号点所在像素列为X轴坐标，在显示缓冲存储器中画出波形（波形光栅化），并通过显示扫描电路把波形显示到屏幕。
波形分析部分针对波形存储器中的信号数据进行波形参数测量等进一步的处理。可以看出，波形存储器的波形数据不只用于波形送显，同时也用于波形分析。
1.1.2 数字存储示波器原理
数字存储示波器，它是用A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，然后存在存储器RAM中，需要时将RAM中存储的内容调出，通过相应的D/A转换器，再恢复成模拟量显示（图1-2）。在这种示波器中信号处理与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A/D、RAM和微处理器的性能。由于采用RAM存储器，可以快写数据慢读数据，使得即使在观察缓慢信号时也不会有闪烁现象。使用数字存储示波器不仅可以观察周期性重复信号、超低频信号，而且也能够观察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施采样，即每隔一个采样周期取样一次，所以可以观测非周期信号。
图1-2 数字存储示波器原理框图
1.2 数字存储示波器工作原理
1.2.1 工作原理
数字存储示波器不是将波形存储在示波管内的存储栅网上，而是存在存储器中，因而存储时间可以无限长。实际上数字存储示波器是一种既有实时观察功能，又有波形存储能力，同时又具有信号处理能力和电路分析功能的高精确度、操作简单、可以通过计算机进行程序自动测量的高智能化示波器。
数字存储示波器主要利用A/D转换技术和数字存储技术来工作，它能迅速捕捉瞬变信号并长期保存。数字存储示波器首先对模拟信号进行高速采样以获得相应的数字数据并存储，存储器中存储的数据用来在示波器的屏幕重建信号波形；然后利用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算，从而获得所需要的各种信号参
数；最后，示波器根据得到的信号参数绘制信号波形，并对被测信号进行实时、瞬态分析，以便用户了解信号质量，快速准确地进行故障诊断。
1.2.2 工作方式
1．数字存储示波器的功能数字存储示波器的随机存储器RAM 按功能可分为信号数据存储器、参考波形存储器、测量数据存储器和显示缓冲存储器四种。信号数据存储器存放模拟信号取样数据；参考波形存储器存放参考波形的数据它采用电池供电，或采用非易失性存储器，故可以长期保存数据；测量数据存储器存放测量量与计算的中间数据和计算的结果，和一般微机化仪器的随机存储器作用基本相同；显示缓冲存储器存放现时代波形，荧光屏上显示的信息均由显示缓冲存储器提供。
2．触发工作方式数字存储示波器的触发方式包括常态触发和预置触发两种方式
1）常态触发常态触发是在存储工作方式下自动形成的，同模拟示波器基本一样，可通过面板设置触发电平的幅度和极性，触发点可处于复现波形的任何位置及存储波形的末端，触发点位置通常用加亮的亮点来表示。
2）预置触发预置触发即延迟触发，是认为设置触发点在复现波形上的位置，它是在进行预置之后通过微处理器的控制和计算功能来实现的。由于触发点位置的不同，可以观测到触发点前后不同区段上的波形，这是因为数字存储示波器的触发点只是一个存储的参考点，
而不是一定的取样，存储的第一点。预置触发对显示数据的选择带来了很大的灵活性。
3）测量和计算工作方式数字存储示波器对波形参数的测量分为自动测量和手动测量两中。一般参数的测量为自动测量，即示波器自动完成测量工作，并将测量结果以数字的形式显示在荧光屏上，特殊的测量使用手动光标进行测量，即光标测量。光标测量指的是在荧光屏上设置两条水平光标线和两条垂直光标线，这四条光标线可在面板的控制下移动，光标和波形的交点，对应信号存储器中相应的数据。测量时，示波器在测量程序控制下，根据光标的位置来完成测量，并将测量结果以数字形式显示在荧光屏上。
4）面板按键操作方式数字存储示波器的面板按键分为执行键和菜单键两种，按下执行键后，示波器立即执行该项操作。当按下菜单键时，屏幕下方显示一排菜单，屏幕右方则显示对应菜单的子菜单，然后按下子菜单下所对应的软件执行相应的操作。
1.2.3 数字存储示波器的显示方式
由于数字存储示波器可以对被测信号存储，波形的采集和显示可以分开进行，与宽带示波器相比，采集速度和显示速度不相同，因此采集速度很高的数字存储示波器对其显示的速度要求不高。
数字存储示波器的显示方式灵活多样，具有基本显示、抹迹显示、卷动显示、放大显示和XY显示等，可以适应不同情况下波形观测的需要。
1.存储显示存储显示方式是数字存储示波器的基本显示方式，
适用于一般信号的观测，在一次触发形成并完成信号数据的存储后，经过显示前的缓冲存储，并控制缓冲存储器的地址顺序，依次将欲显示的数据读出并进行D/A变换，然后将信号稳定的显示在荧光屏上。
2.抹迹显示抹迹显示方式适用于观测一长串波形中在一定条件才会发生的瞬态信号。抹迹显示时，应先根据预期的瞬态信号，设置触发电平和极性；观测开始后仪器工作在末端触发和预置触发相结合的方式下，当信号数据存储器被装满单瞬态信号未出现时，实现末端触发，在荧光屏上显示一个画面，保持一段时间后，被存入的数据更新。若瞬态信号仍未出现，再利用末端触发显示一个画面，这样一个个画面显示下去，如同为了查找某个内容，一页页的翻书一样，一担出现预期的瞬态信号则立即实现预置触发，将捕捉到的瞬态信号波形稳定的显示在荧光屏上，并存入参考波形存储器中。
3.卷动显示卷动显示方式适用于观测缓变信号中随机出现的突发信号，它包括两种方式，一种是新波形逐渐代替旧波形，变换点自左向右移动；另一种是波形从右向左移动，在左端消失，当异常波出现时，可按下存储键，将此波形存储在荧光屏或存入参考波形存储器中，以便做更细致的观测与分析。
4.放大显示放大显示方式适用于观测信号波形的细节，此方式是利用延迟扫描的方法实现的，此时荧光屏一分为二，上半部分显示原波形，下半部分显示放大了的部分，其放大位置可用光标控制，放大比例也可调节，还可以用光标测量放大部分的参数。
5. XY显示与通用示波器的显示方法基本相同，一般用于显
示丽萨如图形，此处不做详述。
6．显示的内插数字存储示波器是将取样数据显示出来，由于取样点不能无限增多，能够做到正确显示的前提是足够的点来重新构成信号波形。考虑到有效存储带宽问题，一般要求每个信号显示20-25个点。但是较少的采样点会造成视觉误差，可能使人看不到正确的波形。数据点插入技术可以解决显示中视觉错误的问题。数据点插入技术常常使用插入器将一些数据插在所有的取样点之间，主要有线性插入和曲线插入两种方式。
1.3 数字存储示波器的主要特点
与传统的模拟示波器相比，数字存储示波器有非常突出的特点，其具体表现如下：
1）信号采集速率大大提高
数字存储示波器首先在采样速率上有较大的提高。可从最初采样速率等于两倍带宽提高至五倍甚至十倍。相应对正弦波取样引入的失真也从10%降低至3%甚至1%。
2）显示更新速率更高
数字存储示波器的显示更新速率最高可达每秒40万个波形，因而在观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲方面更加方便。
3）波形的采样、存储与显示可以分离
在存储阶段，数字存储示波器可对快速信号采用较高的速率进行采样与存储，而对慢速信号则采用较低速率进行采样与存储；在显示
阶段，不同频率的信号读出速率可以采用一个固定的速率，并可以无闪烁地观测极慢信号与单次信号，这是模拟示波器无能为力的。
4）存储时间长
由于数字存储示波器是把模拟信号用数字方式存储起来，因此，其存储时间理论上可以无限长。
5）显示方式灵活多样
为适应不同波形的观察，数字存储示波器有滚动显示、刷新显示、插值显示、存储显示、卷动显示、抹迹显示等多种显示方式。
6）测量结果准确
屏幕上每个光点都对应存储区内确定的数据。操作时间可用面板上的控制装置在屏幕上表示两个被测，以算出两间的电压或电流，再利用计算机的字符显示功能在屏幕上直接显示测量结果，从而减少了人为误差，提高了测量的准确度。
7）触发功能先进
与模拟示波器不同，数字存储示波器不仅能显示触发后的信号，而且能显示触发前的信号，还可以任意选择超前和滞后的时间。
8）便于程控并具有多种方式的输出
由于数字存储示波器的主要部分是数字系统，又由微计算机管理，故可通过接口接受程序控制，也可通过接口用于各种反复试的输出
数字存储示波器的优点，主要表现在：
1）多通道单次捕捉：数字存储示波器能够同时在多个通道上捕
捉电源开、关或故障发生瞬间这样的单词瞬态事件。
2）波形处理：数字存储示波器内部嵌着一个微处理器，它具有对被测信号完成幅度和时间等参数进行测量以及波形运算等功能。
3）数据存储：数字存储示波器带有非易失性的波形存储器，他们能够提供与数字存储示波器兼容的软盘或存储卡。示波器也能够容易的与许多绘图仪或打印机相连来进行高质量的硬拷贝。
4）更多的触发功能：数字存储示波器能够提供许多模拟示波器没有的触发功能。如预触发、触发释抑等。
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，使仪器更加智能化。
评价数字存储示波器最重要的指标为其模拟通道和采样速率。模拟通道带宽，取决于示波器的前端器件，如探头、放大器等；数字存储示波器的采样速率，最主要决定于D/A转换器的采样速率，与D/A 转换器的拼合技术也有一定关系。提高数字存储示波器指标主要指提高这两方面的性能。通道带宽是数字存储示波器发展的瓶颈，制约着数字存储示波器的发展。
1.4 数字存储示波器的硬件
根据数字存储示波器的工作原理，数字存储示波器的设计以单片机和可编程逻辑器件（CPLD）为控制核心，来控制其它外围芯片和模块的A/D转换、数据存储、键盘操作和屏幕显示等功能。其单片机用于实现的功能主要是人机界面的操作；可编程逻辑器件实现的功能主
要是A/D转换和数据存储。其系统功能框图如图1-3。
图1-3 数字存储示波器硬件设计框图
本方案首先对被测波形进行A/D转换，以将模拟信号转换成数字信号进行存储，这样控制器就可以从RAM中读出波形数据经D/A变换将数字量转换为模拟量在屏幕上显示。因为数字存储示波器的显示原理与传统示波器的显示原理不同，它是通过点亮液晶屏幕上某些点来显示波形的。因此，只要编写一段程序将数字量转换成显示屏上点的坐标，在编写将显示屏上某点点亮的程序，就可以在显示屏上显示输入的波形。本设计还引入了键盘操作模块，可以通过键盘输入来设定示波器的工作方式以及其它功能选项。A/D转换器选用的是TI公司的TLC5510高速模数转换器。此器件可用于视频处理、高速数据转换等，TLC5510采用CMOS工艺制造，精度为8位，转换速率20MSPS（每秒采样200M）采用半闪速（SemiFlash）结构，且内建采样保持（S/H）电路。该系统的外围芯片均由单片机和CPLD来控制，而CPLD与单片
机之间可通过相互通信来获取当前系统的工作状态。
1.5 系统软件设计
本系统的软件整体结构如图1-4，包括上电初始化程序、主循环和中断处理程序三大部分。系统初始化后，程序将运行在主程序中，不断进行数据采集、处理、显示和再采集。键盘电路工作在终端模式，当有键盘按下时，程序进入键盘中断服务程序以响应用户的操作并设置状态标志。主循环根据响应的状态标志决定数据处理方式和显示方式。
图1-4 系统主程序框图
利用本文提出的以单片机和可编程逻辑器件为控制核心的数字存储示波器可以实现波形的采集、存储、参数的处理与计算功能，而且轻巧便携、简单实用。而利用该示波器的通讯功能还可以与外部计算机相连以进行更为复杂的数据运算、分析和处理，从而为工业现场应用和科学研究提供很大的方便。数字存储示波器与模拟示波器相
比，具有极强的优越性，且随着随着科学技术不断进步和其制造成本及市场价格的不断下降，其发展前景十分看好。
第二章方案设计与论证
2.1 总体方案设计
数字存储示波器是可以方便的实现对模拟信号进行存储，并能利用微处理器对存储数据做进一步处理的示波器，它具有实时显示和存储两种工作模式，其实时采样工作方式决定了系统设计方案必须采用高速数据的采集和处理技术，因而，高速数据采集、存储和回放电路的设计成为系统设计的难点。由于受单片机时钟频率的限制，数据采集过程必须由高速逻辑器件控制，因此本设计以高速A/D转换器TLC5510为核心，利用CPLD产生高速的逻辑控制器件控制高速A/D 芯片采样转换，并利用双口RAM存储数据、回放波形。总体方案设计如图2-1所示
图2-1 CPLD高速逻辑控制实现简易数字存储示波器原理框
主要技术指标如下：
●系统输入信号范围：－4V～＋4V
●AD输入信号幅度：＋0.6V～＋2.6V
●3档垂直灵敏度：0.01V/div、0. 1V/div、1V/div
●三档放大倍数：0.25倍、2.5倍、25倍
其中0.25倍放大倍数对应1V/div垂直灵敏度；2.5倍放大倍数对应
0.1V/div垂直灵敏度；25倍放大倍数对应0.01V/div垂直灵敏度。
●A/D转换器的采样率≥1MHz
●触发电平：－5V~+5V可调
2.2 模块电路设计
2.2.1 前级信号处理模块的设计
利用模拟开关MAX333A构成单、双踪切换及程控放大电路。此模块的主要功能是控制两路信号的分时选通，并对输入信号的幅值进行程控放大，使输入信号的幅度满足模数转换器所要求的动态转换范围，并满足垂直灵敏度指标要求。CH1、CH2两路波形信号分别经过OP07构成的射随器后，输入到模拟开关MAX333A，由CPLD产生的地址信号的最低位AR0控制CH1和CH2的高速轮流切换。分时采样两路信号。程控放大单元运用宽带运放构成放大器，高频信号失真很小，并且由精密电位器构成反相放大电路，完成输入信号的0.25倍、2.5倍、25倍精确放大。后级运放实现+1.6V 电平抬升，以满足模数转换的0.6V～2.6V动态范围（原因见下面分析）。具体电路设计框图如图2-2所示。
图2-2 前级信号处理设计框图
示波器原理及其应用 示波器介绍 示波器的作用 示波器属于通用的仪器，任一个硬件工程师都应该了解示波器的工作原理并能够熟练使用示波器，掌握示波器是对每个硬件工程师的基本要求。 示波器是用来显示波形的仪器，显示的是信号电压随时间的变化。因此，示波器可以用来测量信号的频率，周期，信号的上升沿/下降沿，信号的过冲，信号的噪声，信号间的时序关系等等。 在示波器显示屏上，横坐标（X）代表时间，纵坐标（Y）代表电压，（注，如果示波器有测量电流的功能，纵坐标还代表电流。）还有就是比较少被关注的-亮度（Z），在TEK的DPO示波器中，亮度还表示了出现概率（它用16阶灰度来表示出现概率）。 1．1．示波器的分类 示波器一般分为模拟示波器和数字示波器；在很多情况下，模拟示波器和数字示波器都可以用来测试，不过我们一般使用模拟示波器测试那些要求实时显示并且变化很快的信号，或者很复杂的信号。而使用数字示波器来显示周期性相对来说比较强的信号，另外由于是数字信号，数字示波器内置的CPU或者专门的数字信号处理器可以处理分析信号，并可以保存波形等，对分析处理有很大的方便。
1.2.1 模拟示波器 模拟示波器使用电子枪扫描示波器的屏幕，偏转电压使电子束从上到下均匀扫描，将波形显示到屏幕上，它的优点在于实时显示图像。 模拟示波器的原理框图如下： 见上图所示，被测试信号经过垂直系统处理（比如衰减或放大，即我们拧垂直按钮－volts/div），然后送到垂直偏转控制中去。而触发系统会根据触发设置情况，控制产生水平扫描电压（锯齿波），送到水平偏转控制中。 信号到达触发系统，开始或者触发“水平扫描”，水平扫描是一个是锯齿波，使亮点在水平方向扫描。触发水平系统产生一个水平时基，使亮点在一个精确的时间内从屏幕的左边扫描到右边。在快速扫描过程中，将会使亮点的运动看起来
数字示波器基础知识 耦合 耦合控制机构决定输入信号从示波器前面板上的BNC输入端通到该通道垂直偏转系统其它部分的方式。耦合控制可以有两种设置方式，即DC耦合和AC耦合。 DC耦合方式为信号提供直接的连接通路。因此信号提供直接的连接通路。因此信号的所有分量（AC 和：DC）都会影响示波器的波形显示。 AC耦合方式则在BDC端和衰减器之间串联一个电容。这样，信号的DC分量就被阻断，而信号的低频AC分量也将受阻或大为衰减。示波器的低频截止频率就是示波器显示的信号幅度仅为其直实幅度为71％时的信号频率。示波器的低频截止频率主要决定于其输入耦合电容的数值。 和耦合控制机构有关的另一个功能是输入接地功能。这时，输入信号和衰减器断开并将衰减器输入端连至示波器的地电平。当选择接地时，在屏幕上将会看到一条位于0V电平的直线。这时可以使用位置控制机构来调节这个参考电平或扫描基线的位置。 输入阻抗 多数示波器的输入阻抗为1MΩ和大约25pF相关联。这足以满足多数应用场合的要求，因为它对多数电路的负载效应极小。 有些信号来自50Ω输出阻抗的源。为了准确的测量这些信号并避免发生失真，必须对这些信号进行正确的传送和端接。这时应当使用50Ω特性阻抗的电缆并用50Ω的负载进行端接。某些示波器，如PM3094和PM3394A，内部装有一个50Ω的负载，提供一种用户可选择的功能。为避免误操作，选择此功能时需经再次确认。由于同样的理由，50Ω输入阻抗功能不能和某些探头配合使用。 相加和反向 简单的把两个信号相加起来似乎没有什么实际意义。然百，把两个有关信号之一反向，再将二者相加，实际上就实现了两个信号的相减。这对于消除共模干扰（即交流声），或者进行差分测量都是非常有用的。 从一个系统的输出信号中减去输入信号，再进行适当的比例变换，就可以测出被测系统引起的失真。 由于很多电子系统本身就具有反向的特性，这样只要把示波器的两个输入信号相加就能实现我们所期望的信号相减。 带宽
摘要 数字存储示波器是随着数字电路的发展而发展起来的一种具有存储功能的新型示波器。原先人们看好的模拟示波器的一些优点，目前数字示波器已完全能够做到，特别是在捕获非重复信号、避免信号的虚化和闪烁、在时间上从触发事件反问寻迹——实现在电路中隔离故障等方面，数字示波器显示出了模拟示波器无可比拟的优势。因此，数字示波器由于其优势的性能、良好的性能价格化，刚一问世,就显示出它强大的生命力,各行各业均迫切需要,有其广阔的发展前途.。 本简易数字存储示波器,以单片机和可编程逻辑器件(CPLD)为控制核心,由通道调理、触发、波形显示等功能模块组成。本系统对触发系统、水平扫描速度和垂直灵敏度的自动设置功能（AUTOSET）及波形参数测量等功能进行了重点设计。使仪器最后具有单次触发存储显示方式及锁存功能，又可以对某段瞬时波形进行即时存储和连续回放显示。设计中采用了模块化设计方法，并使用了多种EDA工具，提高了设计效率。整个设计实现了存储示波器的所有功能要求，达到较高的性能指标。 关键词：可编程逻辑器件，存储器，转换器，数字存储示波器，单片机
ABSTRACT It is that one developed with development of the digital circuit is new-type oscillograph which stores the function that the figure stores the oscillograph . Original ancestors see some advantages of the good simulation oscillograph , the digital oscillograph can already be accomplished at present, catching and is not repeating the signal, avoiding melting and glimmers specially emptily, reply the mark of seeking from the incident of touching off on time of the signal --Realizing it in isolating the trouble in the circuit etc., the digital oscillograph demonstrates the incomparable advantage of the simulation oscillograph . So digital oscillograph because performance , good performance price of advantage their, just coming out , demonstrated its strong vitality, all trades and professions needed urgently , there is its wide development prospect. . T his simple and easy figure stores the oscillograph, regard one-chip computer and programmable logic device (CPLD ) as the core of controlling, nursed one's health, touched off by the pass-way, the wave form shows, etc. the function module makes up . Such functions as automatic establishment function (AUTOSET ) and wave form parameter that this system scanned the speed and vertical sensitivity in touching off system , level are measured have been designed especially. Make the instrument have single time to touch off and store the display mode and latch the function finally, can store and show with the continuous playback immediately a section of instantaneous wave forms . Have adopt the module design method in the design, has used many kinds of EDA tools, have improved design efficiency. The whole of functions of designing and realizing storing the oscillograph require , reach the higher performance index Keyword: Programmable logic device, the memory , the converter, the figure stores the oscillograph , Micro Computer Unite
数字示波器中的波形存储、录制与回放 摘要：波形存储、录制与田放是数字示波器的重要功能。在此采用闪速存储器(FLASH Memory)存储重要的波形数据，方便用户事后调出观察、分析和对比。每段波形存储的长度固定，根据存储波形的序号、大小、起始地址等建立波形存储索引表，通过查询波形索引表可选择要回放的波形。还可以通过波影录制功能把信号波影录制到静态数据存储器(SDRAM)中，然后回放波形，寻找并观察自己需要的波形。通过直接存储(DMA)方式实现将显示缓冲区存储的波形搬移到波形录制的缓存中去，实现了数据的高速存储。在手持式示波表的研制过程中实现了此波录制和回放方法达到了预期的效果。 关键词：数字示波器；波形存储；波形录制；波形回放 0 引言 自然界的信号大多都是瞬时变化的一过性信号，采用示波器的触发功能可以捕获符合触发条件的信号，一些重要的信号需要存储并做进一步的观察和分析。早期的模拟示波器无法完成对波形的存储和回放，而现在的数字存储示波器都具有波形存储和回放功能。波形存储是将波形数据存储在闪速存储器(FLASHMemory)中，可以长时间保存数据，掉电之后数据不会丢失，方便用户存储一些重要的波形以便后期观察或对比。在观察一些瞬态信号时，用户来不及捕捉这样的信号，可以通过波形录制功能将信号存储在静态数据存储器(SDRAM)中，然后可回放信号波形，再仔细观察信号的特征。波形录制是一种连续存储波形的功能，即存储从开始录制波形的时刻起到结束时刻的每幅波形。利用波形录制与回放功能可以检测那些不易确定触发条件的瞬态信号。 根据波形存储的长度是否可变将波形存储分为固定波形数据长度存储方法和可变波形 数据长度存储方法。固定波形数据长度存储方法比较简单，而且回放方便。示波器在使用过程中，正常触发模式和扫描模式所要存储的波形点数是不一样的。需要用可变存储长度方式存储波形数据。 本文只考虑存储示波器2个通道的各一组数据，给每个通道的正常触发模式和扫描模式各分出一个存储区。正常触发模式的数据长度与扫描模式的数据长度不同。根据存储波形的关键信息建立波形存储索引表，通过查询波形索引表选择要回放的波形。波形存储索引表存储在铁电存储器(FM24CL04)中，对铁电存储器可以进行快速读写，掉电之后数据可以保存10年。所述波形存储、录制和回放方法已经用于所研制的手持式示波表中，可方便地对所观察的信号进行记录和分析。达到了预期的效果。 1 方案设计 固定大小存储方法是一种简单的波形存储方法，可以完成波形和设置的基本存储要求，虽然正常触发和扫描模式下的波形点数不一样，但是每种模式下的波形点数是固定的，可以把2种模式下的波形分开存储。根据存储波形的序号、大小、起始地址等在铁电存储器(FM24CL04)中建立波形存储索引表，通过查询波形索引表可选择要回放的波形。由波形存储在铁电存储器中的逻辑位置计算出实际存储地址。比如存储10幅波形，FLASH就分出10个区(A，B，…，J)，每个区的起始地址是一定的。而铁电存储器也分出10个位置(100，101，…，109)分别对应于FLASH的10个区，假设位置101存储B区的逻辑位置N，每一组波形的大小是固定的，设为M个字节，则当前的波形(起始位置设为ADDR_STAR)位置就是ADDR_STAR+M*(N-1)。
数字示波器及其简单原理图 数字示波器可以分为数字存储示波器（DSOs）、数字荧光示波器（DPOs）、混合信号示波器（MSOs）和采样示波器。 数字式存储示波器与传统的模拟示波器相比，其利用数字电路和微处理器来增强对信号的处理能力、显示能力以及模拟示波器没有的存储能力。数字示波器的基本工作原理如上图所示当信号通过垂直输入衰减和放大器后，到达模-数转换器（ADC）。ADC 将模拟输入信号的电平转换成数字量，并将其放到存贮器中。存储该值得速度由触发电路和石英晶振时基信号来决定。数字处理器可以在固定的时间间隔内进行离散信号的幅值采样。接下来，数字示波器的微处理器将存储的信号读出并同时对其进行数字信号处理，并将处理过的信号送到数-模转换器（DAC），然后DAC的输出信号去驱动垂直偏转放大器。DAC也需要一个数字信号存储的时钟，并用此驱动水平偏转放大器。与模拟示波器类似的，在垂直放大器和水平放大器两个信号的共同驱动下，完成待测波形的测量结果显示。数字存储示波器显示的是上一次触发后采集的存储在示波器内存中的波形，这种示波器不能实时显示波形信息。其他几种数字示波器的特点，请参考相关书籍。
Agilent DSO-X 2002A 型数字示波器面板介绍
该示波器有两个输入通道CH1和CH2，可同时观测两路输入波形。选择通道1时，示波器仅显示通道1的信号。选择通道2时，示波器仅显示通道2的信号。选择双通道时，示波器同时显示通道1信号和通道2信号。 荧光屏（液晶屏幕）是显示部分。屏上水平方向和垂直方向各有多条刻度线，指示出信号波形的电压和时间之间的关系。 操作面板上的各个按钮按下后，相应参数设置会显示在荧光屏上。 开机后，荧光屏显示如下： 测试信号时，首先要将示波器的地（示波器探笔的黑夹子）与被测电路的地连接在一起。根据输入通道的选择，将示波器探头接触被测点（信号端）。按下Auto Scale，示波器会自动将扫描到的信号显示在荧光屏上。 输入耦合方式：模拟示波器输入耦合方式有三种选择：交流(AC)、地(GND)、直流(DC)；部分数字示波器则没有ＧＮＤ耦合这种方式，其通过在屏幕上直接标注零电平线的位置的方法来实现ＧＮＤ耦合（用来确定零电平线）的功能。当选择“地”时，扫描线显示出“示波器地”在荧光屏上的位置。直流耦合用于测定信号直流绝对值和观
数字存储示波器
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简易数字存储示波器 作者: 陈勇张勋储成火 摘要 本简易数字存储示波器以C8051F为控制和数据处理为核心,由信号调理模块.A/D转换模块.数据存储模块.D/A模块.方波整形模块.触发模块.程控增益控制模块和人机接口模块组成.采用示波器输出一个DC-50KHZ的正弦波信号,经程控增益转换后,进行电平移位,把双极性信号变为单极性信号,进行A/D采样,存储后,再D/A后回放.水平扫描控制通过控制器产生一个水平扫描信号,进行行扫描.用示波器可以观察到通过按键控制可以进行水平扫描,还有一部分数据可以通过液晶显示.为了提高测量精度,把各部分电路的误差合理分配,使电路达到最佳的测量的效果. 一,总体设计和单元电路的实现 1.1总体方框图 本系统由8051F单片机,增益控制模块,电平移位模块,过零比较模块,高速A/D 和高速D/A模块组成;以下是单通道信号发数字示波器的方框图; 1.2电源模块设计 电源的稳定如否直接关系着系统是否稳定,因此设计出高稳定性的电源是必不可少的,同时由于不同的集成电路工作的电压不一样,为了让它们都工作在最佳状态,必须给它们提供适当的电源电压.一般最常用的是-5V+5V和-12V-+12V,因此我们设计出了相应的电源,给它提供了各种滤波措施,都是为了让它输出的电源稳定.
1.3程控增益模块 由于本设计要求垂直的灵敏度设置为0.01V/div,0.1V/div,1V/div,以0.01V/div说明,此时示波器满刻度显示时,是0.01x8=0.08V,也就是当我们输入的信号是0.08V 时,刚好满度显示,但是A/D采样的电压在2V,那么它的增益A=2/0.08=25.,同理0.1V/div时,A=2/0.8=2.5;1V/div时,A=2/8=0.25,由此我们可以设计出程控增益放大器; 当Vin<0.08时,A=25; 当Vin<0.8时,A=2.5; 当Vin<8时,A=0.25; 由上可知,要设计此程控增益放大器,对放大器的要求比较高,特别是线性度越高越好,在这里我们选择LF356;
简易数字存储示波器 06204526 程杰
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一、任务分析 制作一个简易数字存储示波器，其结构框图如下图所示 二、方案论证与比较 1．波形采集模块 波形采集模块采用AD 转换芯片将模拟波形信号转换为数字信号发送给单片机，有如下几种方案： 方案1 采用片外并行AD 芯片，如ADC0809。 优点：使用广泛，参考资料很多。 缺点：并行接口占用单片机口线较多，接线复杂。 方案2 采用单片机内置AD 转换功能，如A VR 、C8051等单片机内置的ADC 优点：集成在单片机内部，不需要额外连线，方便易行。 缺点：片内集成的ADC 速度较低，无法采集频率高的信号，没有独立多路AD ， 多通道AD 会降低采样速度。 方案3 采用片外串行高速ADC 芯片如maxim 公司的高速ADC 串行芯片，外加 FPGA 控制采样。 优点：速度块，占用单片机口线少，可以很容易实现MHz 级别的波形采样 缺点：价格昂贵，资料较少。
综合考虑价格和易行性，本系统采用方案2，采用A VR mega64芯片中的内置ADC。2．微处理控制模块 微处理控制模块采用单片机来完整，经济可行： 方案1 采用经典80C51系列单片机 优点：使用广泛，资料丰富 缺点：功能较少，性能较弱 方案2 采用atmel公司的高档8位单片机A VRmega64 优点：高性能，价格相对较低，内置ADC 缺点：上市时间较短，资料少 方案3 采用atmel公司的高档8位单片机A VRmega64控制显示部分，外加一片FPGA控制采样 优点：FPGA采样速度快，单片机控制显示方便，取长补短 缺点：系统较为复杂 由于本人对A VR单片机使用较为熟悉，所以本系统采用方案2，即A VRmega64来完成，其基本性能指标如下： ·先进RISC结构，性能达到1MHz有1MIPS ·64KB Flash程序存储空间 ·4KB SRAM 、4KB EEPROM ·内置I2C、SPI、PWM、ADC等功能 ·支持在线编程ISP功能 3.存储模块 存储模块采用SRAM来存储波形采集模块所采集到的波形，有如下三种方案： 方案1 采用外置一片62256和74HC573作为锁存器，扩展单片机的存储空间优点：外扩空间容量很大 缺点：接线复杂，出现错误不容易排查 方案2 采用A VR 单片机内置4KB RAM,划分出约2KB空姐供存储波形数据，也可以存储数十页的数据。 优点：无须接线，体现了高档单片机RAM大的优势 缺点：空间较少，需要大量存储时仍然不够 方案3 利用FPGA内部的SRAM
数字存储示波器的使用
实验二数字存储示波器的使用 加灰色底纹部分是预习报告必写部分 示波器是一种常用的电子仪器，主要用于观察和测量各种电信号。配合各种传感器把非电量转换成电量，示波器也可以用来观察各种非电量的变化过程。示波器有多种类型和型号，但它们基本原理是相同的。本实验是用双信号发生器的输出信号在示波器中合成李萨如图形。 ［实验目的］ 1．了解示波器的主要结构和显示波形的基本原理。 2．学会使用函数信号发生器。 3．学会用示波器观察波形以及测量电压、周期和频率等。 4、理解李萨如图形合成原理及方法。 ［实验仪器］ DS1052E型数字存储示波器、DG1022双通道函数/任意波形发生器、连接线（2根） 【示波管的简单介绍】
示波管如图1所示 示波管包括有： （1）一个电子枪，它发射电子，把电子加速到一定速度，并聚焦成电子束； （2）一个由两对金属板组成的偏转系统；（3）一个在管子末端的荧光屏，用来显示电子束的轰击点。 所有部件全都密封在一个抽成真空的玻璃外壳里，目的是为了避免电子与气体分子碰撞而引起电子束散射。接通电源后，灯丝发热，阴极发射电子。栅极加上相对于阴极的负电压，它有两个作用：①一方面调节栅极电压的大小控制阴极发射电子的强度，所以栅极也叫控制极；②另一方面栅极电压和第一阳极电压构成一定的空间电位分布，使得由阴极发射的电子束在栅极附近形成一个交叉点。第一阳极和第二阳极的作用一方面构成聚焦电场，使得经过第一交叉点又发散了的电子在聚焦场作用下又会聚起来；另一方面使电子加速，电子以高速打在荧光屏上，屏上
③数字滤波的频率上线 MATH 为系统的数学运算界面 REF 为导入导出已保存的文件菜单或保存文件，但不存储X-Y方式的波形 设置水平系统HORIZONTAL（MENU、POSITION(水平位置) SCALE(水平范围) MENU ①延迟扫描：用来放大一段波形，以便查看图形细节②时基：Y-T、X-Y（水平轴上显示通道1电压，垂直轴上显示通道2电压）、Roll③采样率：显示系统采样率 设置触发系统TRIGGER（LEVEL、MENU、50%、FORCE） MENU中的触发模式有边沿触发、脉宽触发、斜率触发、视频触发、交替触发（稳定触发双通道不同步信号，此触发模式下，不能产生X-Y波形，且交替触发菜单中触发类型为视频触发时它的同步分为：所有行、指定行、奇数场、偶数场）。触发方式：自动、普通、单次，如在自动下无法稳定两波形，可选择单次稳定波形。触发设置：灵敏度、触发抑制：设置重新启动触发电路的时间间隔，时间范围为：500ns-1.5s、
数字示波器的原理及使用 【摘要】示波器就是以直角坐标为参数系,以时间扫描为时基两维地显示物理量——电量瞬时变化的仪器,它不但能观测低频信号(包括单次信号),同时也能观测高频信号与快速脉冲信号 ,并能对其表征的参量进行分析与测量。随着数字集成电路技术的发展而出现的数字存储示波器,不但能对波形进行显示,还能对波形进行存储、分析、计算,并能组成自动测试系统,使之成为了电子测量领域的基础测试仪器之一。 关键词:示波器,信号,数字集成电路,数字存储 【Abstract】Oscilloscope is an instrument that can display electrical signals in rectangular coordinates system based on amplitude and time、It can not only observe the low-frequency signal (including single signal), but also the high-frequency signal and pulse signal, and parameters on the characterization of the analysis and measurement、The digital storage oscilloscope was invented with the development of digital integrated circuit technology, which can not only display the waveform but also can store, analysis, calculate the Parameters of the signal and can form an automatic testing system、The digital storage oscilloscope have become one of the basic testing instrument for electronic measurement 、 Keywords: oscilloscope,signal,digital integrated circuit, digital storage oscilloscope 1、前言 随着数字集成电路技术的发展,数字式示波器的出现以其存储波形及多种信号分析、计算、处理等优良的性能逐步取代模拟示波器。与模拟示波器相比,数字示波器可以实现高带宽及方便地实现对模拟信号波形进行长期存储并能利用机内微处理器系统对存储的信号做进一步的处理,例如对被测波形的频率、幅值、前后沿时间、平均值等参数的自动测量以及多种复杂的处理。 2、数字示波器的基本原理 2、1数字存储示波器的组成原理 典型的数字示波器原理框图如图2、1所示,它分为实时与存储两种工作状态,当其以实时状态工作时,其电路组成原理与模拟示波器相同。当其以存储状态工作时,它的工作过程一般分为存储与显示两个阶段,在存储工作阶段,模拟输入信号先经过适当的放大或衰减,然后经过采样与量化两个过程的数字化处理,将模拟信号转化成数字信号后,在逻辑控制电路的控制下将数字信号写入到存储器中。量化过程就就是将采样获得的离散值通过 A/D转换器转换成二进制数字。采样,量化及写入过程都就是在同一时钟频率下进行的。在显示工作阶段,将数字信号从存储器中读出来,并经D/A转换器转换成模拟信号,经垂直放大器放大加到CRT 的Y偏转板。与此同时,CPU的读地址计数脉冲加之D/A转换器,得到一个阶梯波的扫描电压,加到水平放大器放大,驱动CRT的X偏转板,从而实现在CRT上以稠密的光点包络重现模拟信号。
实验二数字存储示波器的使用 加灰色底纹部分是预习报告必写部分 示波器是一种常用的电子仪器，主要用于观察和测量各种电信号。配合各种传感器把非电量转换成电量，示波器也可以用来观察各种非电量的变化过程。示波器有多种类型和型号，但它们基本原理是相同的。本实验是用双信号发生器的输出信号在示波器中合成李萨如图形。 ［实验目的］ 1．了解示波器的主要结构和显示波形的基本原理。 2．学会使用函数信号发生器。 3．学会用示波器观察波形以及测量电压、周期和频率等。 4、理解李萨如图形合成原理及方法。 ［实验仪器］ DS1052E型数字存储示波器、DG1022双通道函数/任意波形发生器、连接线（2根） 【示波管的简单介绍】 示波管如图1所示 示波管包括有： （1）一个电子枪，它发射电子，把电子加速到一定速度，并聚焦成电子束； （2）一个由两对金属板组成的偏转系统； （3）一个在管子末端的荧光屏，用来显示电子束的轰击点。 所有部件全都密封在一个抽成真空的玻璃外壳里，目的是为了避免电子与气体分子碰撞而引起电子束散射。接通电源后，灯丝发热，阴极发射电子。栅极加上相对于阴极的负电压，它有两个作用：①一方面调节栅极电压的大小控制阴极发射电子的强度，所以栅极也叫控制极；②另一方面栅极电压和第一阳极电压构成一定的空间电位分布，使得由阴极发射的电子束在栅极附近形成一个交叉点。第一阳极和第二阳极的作用一方面构成聚焦电场，使得经过第一交叉点又发散了的电子在聚焦场作用下又会聚起来；另一方面使电子加速，电子以高速打在荧光屏上，屏上的荧光物质在高速电子轰击下发出荧光，荧光屏上的发光亮度取决于到达荧光屏的电子数目和速度，改变栅压及加速电压的大小都可控制光点的亮度。水平偏转板和垂直偏转板是互相垂直的平行板，偏转板上加以不同的电压，用来控制荧光屏上亮点的位置。
数字存储示波器的工作原理及软硬件系统的设计 与传统模拟示波器相比.数字存储示波器不仅具有可存储波形、体积小、功耗低，使用方便等优点，而且还具有强大的信号实时处理分析功能。在电子测量领域，数字存储示波器正在逐渐取代模拟示波器。但目前我国使用高性能数字存储示波器主要依靠国外产品，而且价格昂贵。因此研究数字存储示波器具有重要价值。借于此，提出了一种简易数字存储示波器的设计方案，经测试，性能优良。 2 数字存储示波器基本工作原理 数字存储示波器与模拟示波器不同在于信号进入示波器后立刻通过高速A/D转换器将模拟信号前端快速采样，存储其数字化信号。并利用数字信号处理技术对所存储的数据进行实时快速处理，得到信号的波形及其参数，并由示波器显示，从而实现模拟示波器功能，而且测量精度高。还可存储信号，因而，数字存储示波器可以存储和调用显示特定时刻信号。 3 系统分析论证 3.1 A/D实时采样 根据奈奎斯特采样定理，采样速率必须高于2倍的信号最高频率分量。对于正弦信号，一周期内应有2个采样点。为了不失真恢复被测信号，通常一周期内需要采样8个点以上。为了配合高速模数转换器，采用FPGA控制M/D转换器的采样速率，以实现高速实时采样。实时采样可以实现整个频段的全速采样，本系统设计选用ADI公司的12位高速A/D 转换器AD9220，其最高采样速率可达10 MHz。 3.2 双踪显示 本系统设计的双踪显示模块是以高速切换模拟开关选通两路信号进入采样电路，两路波形存储在同一个存储器的奇、偶地址位。双踪显示时，先扫描奇地址数据位，再扫描偶地址数据位。采用模拟开关代替一个模数转换器，避免两片高速A/D转换器相互干扰，降低系统调试难度，并且实现系统功能。 3.3 触发方式
简易数字存储示波器研究 基于MCU8051和FPGA的控制平台，采用实时采样与等效采样两种方式实现了时频率为10Hz－10MHz的波形数据的实时采样，存储与回放。做到垂直灵敏度含1v/div，0.1v/div和2my/div三档，扫描速度合20ms/div，2uv/div，100ns/div 三档。系统的频率测量精度达0.001Hz，电压测量精度达0.05V。自带100KHz 方波信号为系统测频时钟与电压基准源的进行自动校准，此外，还实现了对波形数据的单次触发存储与调出功能和AUTO显示功能。 标签：数字存储；示波器；等效采样；实时采样 1引言 数字存储示波器是20世纪70年代初发展起来的一种新型示波器。这种类型的示波器可以方便地实现对模拟信号波形进行长期存储并能利用机内微处理器系统对存储的信号做进一步的处理，例如对被测波形的频率、幅值、前后沿时间、平均值等参数的自动测量以及多种复杂的处理。数字存储示波器的出现使传统示波器的功能发生了重大变革。 2数字存储示波器基本工作原理 数字存储示波器在信号进入示波器后立刻通过高速A/D转换器将模拟信号快速采样、存储。通过单片机对信号进行处理，得到信号的波形参数，存储并通过D/A转换器后可由示波器显示，从而实现模拟示波器的功能。但相对于模拟示波器，数字示波器测量精度高，还可对信号进行存储。本系统的原理方框图如图1所示： 3系统功能模块与硬件电路 基于数字示波器的基本原理，可以把整个系统分为频率测量、采样保持、触发方式选择、位置调节、显示控制几个主要的模块。模拟信号通过信号调理模块(阻抗变换、程控放大、触发电路)，将模拟信号的幅值大小调整到高速AD(AD9225)的输入范围0V－4V。然后通过AD9225对信号进性采样。我们采用外部有源晶振作为高速AD的采样时钟来控制恒定的采样率4MHz(晶振的固有振荡频率)，在FPGA内部增加波形存储控制模块，当满足触发条件时FP－GA以下抽样的方式对AD转换得到的数据进行存储，抽样频率由可水平分辩率来控制(若为AUTO功能，则与信号的频率有关)。将抽样的数据分别存储到双口RAM中，在送人行列扫描电路(2片DAC0800)前经过了波形显示控制模块，它的作用是对RAM的数据及读入起始地址的进行处理。从而实现波形在模拟示波器上的左右平移。同时在FPGA内部实现了512点的FFT计算，成功得分析了输入信号的频谱。系统的连接框图如图2所示：
数字存储示波器的组成部分 随着芯片技术的发展，现代的数字存储示波器功能越来越复发，也能够提供更强大的性能和测量分析功能，具备非常复杂的信号采集和信号处理系统，现代的数字存储器主要由五个部分组成（产品图如下）： 1、放大器和衰减器 信号通过探头或者测试电缆进入示波器内部，首先经过的-放大器和衰减器，对于数字存储示波器来说，前端的放大器和衰减器等电路还都是模拟电路，这部分原理和模拟示波器区别并不大，它们会决定其宽带（示波器的宽带单位Hz），目前市面上已经可以达到几十GHz了，超过100GHz带宽的实时示波器也正在研发中。 2、模数转换 通过前端的放大器和衰减器把信号调整到合适的幅度，就会进入到-数字化，这个过程就是通过ADC完成的，以很高的采样率对被测信号进行采样，把输入的连续变化的电信号转换成一个个离散的数字化样点。 3、存储器 采样率都很高，通常都在每秒钟几十亿次甚至几百亿次，虽然现在FPGA，DSP，CPU的工作速度和数据处理能力已经非常强大了，但是现在的技术仍然做不到一秒钟内实时处理完几十亿甚至几百亿个样点的数据。因此在ADC后面都有高速缓存，用来临时存储采样的数据，这些缓存也被称为内存。缓存的大小通常被称为内存深度，及样点数，也是关键指标之一，单位是Sample，决定了一次连续采集所能猜到的样点数。其内存是非常高速的缓存，或者是通过高速解复用芯片控制的告诉存储器，单位存储间的实现成本很高，因此扩展存储深度的价格非常昂贵。 4、波形重建 先把一段数据采集到告诉缓存中，然后停止采集，再由后面的处理器将缓存中的数据取出进行内插，分析，测量，显示。 5、波形展示 数据经过处理器中处理后，红要显示在示波器的屏幕上才能被人眼所看到，显示屏可以采用CRT或者是液晶显示屏。
长春大学毕业设计（论文）纸 目录 1 前言 (1) 1.1选题的背景意义和研究现状 (1) 1.1.1选题的背景和意义 (1) 1.1.2国内外研究现状 (1) 1.2设计的任务和要求 (2) 1.2.1设计的基本要求 (2) 1.2.2课题的具体工作内容 (2) 1.2.3论文的结构安排 (3) 2 数字示波器的基本原理 (4) 2.1数字存储示波器的基本原理 (4) 2.1.1数字存储示波器的组成原理 (4) 2.1.2数字存储示波器的工作方式 (5) 2.1.3数字存储示波器的显示方式 (6) 2.1.4数字存储示波器的特点 (7) 2.2系统的方案设计 (8) 2.2.1系统的控制 (9) 2.2.2输入模拟信号的处理 (9) 2.2.3数字信号的采集与存储 (10) 3 系统硬件电路的设计 (11) 3.1单片机及其外围电路 (11) 3.2信号输入电路单元 (12) 3.2.1输入调理电路设计 (12) 3.2.2阻抗变换电路设计 (13) 3.2.3电平移位电路设计 (14) 3.2.4频率计算电路设计 (14) 3.3A/D转换电路 (19) 3.3.1ADC芯片的选取 (19) 3.3.2AD转换电路的硬件设计 (22) 3.4存储单元电路 (23) 3.4.1存储芯片的选取 (23) 3.4.2存储单元硬件电路设计 (23) 3.5按键控制电路 (24) 3.6液晶显示接口电路 (26) 4 系统功能的软件设计 (29) 4.1单片机软件开发系统 (29) 4.2主程序设计及流程图 (29) 4.3频率及幅值计算子程序设计 (30)
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 4.3.1频率计算的原理及程序流程图 (30) 4.3.2幅值计算的原理及程序流程图 (31) 4.4按键子程序 (32) 4.5显示子程序 (33) 5 结论和展望 (35) 5.1结论 (35) 5.2展望 (35) 致谢 (36) 参考文献 (37)
数字存储示波器的原理及使用 示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。目前大量使用的示波器有两种：模拟示波器和数字示波器。模拟示波器发展较早，技术也非常成熟，其优点主要是带宽宽、成本低。但是随着数字技术的飞速发展，数字示波器拥有了许多模拟示波器不具备的优点：不仅具有可存储波形、体积小、功耗低，使用方便等优点，而且还具有强大的信号实时处理分析功能；具有输入输出功能，可以与计算机或其他外设相连实现更复杂的数据运算或分析。随着相关技术的进一步发展，数字示波器的频率范围也越来越高了，其使用范围将更为广泛因此，学习数字示波器的使用具有重要的意义。 实验目的 1. 了解数字示波器的工作原理； 2. 掌握数字示波器的使用方法； 3. 会用数字示波器测量未知信号的参数。 实验原理 数字存储示波器与模拟示波器不同在于信号进入示波器后立刻通过高速A/D转换器将模拟信号前端快速采样，存储其数字化信号。并利用数字信号处理技术对所存储的数据进行实时快速处理，得到信号的波形及其参数，并由示波器显示，从而实现模拟示波器功能。而且测量精度高，还可以存储和调用显示特定时刻信号。 一个典型的数字存储示波器原理框图如图1所示，模拟输入信号先适当地放大或衰减，然后再进行数字化处理。数字化包括“取样”和“量化”两个过程，取样是获得模拟输入信号的离散值，而量化则是使每个取样的离散值经A/D转换成二进制数字，最后，数字化的信号在逻辑控制电路的控制下依次写入到RAM（存储器）中，CPU从存储器中依次把数字信号读出并在显示屏上显示相应的信号波形。GPIB为通用接口总线系统，通过它可以程控数字存储示波器的工作状态，并且使内部存储器和外部存储器交换数据成为可能。 由此可见，数字示波器必须要完成波形的取样、存储和波形的显示，另外为了满足一般应用的需求，几乎所有微机化的数字示波器都提供了波形的测量与处理功能。 1. 波形的取样和存储 由于数字系统只能处理离散信号，所以必须对模拟连续波形先进行抽样，再进行A/D 转换。根据Nyquist定理，只有抽样频率大于要处理信号频率的两倍时，才能在显示端理想地复现该信号。 由此可见，数字示波器必须要完成波形的取样、存储和波形的显示，另外为了满足一般应用的需求，几乎所有微机化的数字示波器都提供了波形的测量与处理功能。
简易数字存储示波器 (2011年全国电子设计大赛) 设计任务及要求： 1、设计并制作一台用普通示波器显示被测波形的简易数字存储示波器，示意图如下： 2、基本要求 （1）要求仪器具有单次触发存储显示方式，即每按动一次“单次触发”键，仪器在满足触发条件时，能对被测周期信号或单次非周期信号进行一次采集与存储，然后连续显示。 （2）要求仪器的输入阻抗大于100kΩ，垂直分辨率为32级/div，水平分辨率为20点/div；设示波器显示屏水平刻度为10div，垂直刻度为8div。 （3）要求设置0.2s/div、0.2ms/div、20μs/div三档扫描速度，仪器的频率范围为DC～50kHz，误差≤5%。 （4）要求设置0.1V/div、1V/div二档垂直灵敏度，误差≤5%。
（5）仪器的触发电路用内触发，要求上升沿触发、触发电平可调。（6）观测波形无明显失真。 3、发挥部分（1）增加连续触发存储显示方式，在这种方式下，仪器能连续对信号进行采集、存储并实时显示，且具有锁存（按“锁存”键即可存储当前波形）功能。 （2）增加双踪示波功能，能同时显示两路被测信号波形。 （3）增加水平移动扩展显示功能，要求存储深度增加一倍，并且能通过操作“移动”键显示被存储信号波形的任一部分。 （4）垂直灵敏度增加0.01V/div档，以提高仪器的垂直灵敏度，并尽力减小输入短路时的输出噪声电压。 方案选择及设计理念： 数字存储示波器系统由信号调理电路、采样保持电路、触发电路、A/D、D/A、X输出电路、Y输出电路、控制处理器等组成。下图所示为数字存储示波器的原理框图。每隔一端时间对输入的模拟信号进行采样然后经过A/D转换，把这些数字化后的信息按一定的顺序存入RAM中，当采样频率走高时，就可以实现信号的不失真存储。当需要观察这些信息时，只要以合适的频率把这些信息从存储器RAM中按原顺序取出，经D/A转化和LPF滤波后送至示波器就可以观察到稳定的还原后的波形。
目录 1前言 (1) 2总体方案设计 (2) 2.1 系统设计要求 (3) 2.2 比较方案 (4) 2.3 方案论证 (5) 2.4 方案选择 (5) 3硬件系统设计 (6) 3.1 衰减和增益控制电路 (6) 3.2差分电路 (7) 3.3 采集控制逻辑 (8) 4 软件系统设计 (10) 4.1 波形显示模块 (10) 4.2 触发控制模块 (11) 4.3 触发控制子VI模块 (12) 4.3通道选择模块 (16) 4.4档位设置模块 (18) 4.5停止运行模块 (19) 4.6数据存储模块 (20) 5 系统调试 (22)
第 1 页 1前言 虚拟仪器是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器的突出优点在于能够与计算机技术结合，将计算机资源与仪器硬件，数字信号处理技术与不同功能的软件模块结合，组成不同的仪器功能。虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素，硬件功能是获取被测的物理信号，提供信号传输的通道；软件则是实现数据采集、分析、处理、显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的一体化环境。总体而言，虚拟仪器硬件以VXI、PXI 等先进的计算机接口总线发展为标志，而软件技术则是以VISA、SCPI、IVA 等标准和LabVIEW、LabWindows/CVI 等先进开发平台为核心，构成一个完整的虚拟仪器技术体系。 波形分析是信号处理中重要的分析手段。虚拟示波器的出现改变了原有示波器的整体设计思路，用软件代替了硬件。将传统仪器由硬件实现的数据分析与显示功能，改由功能强大的计算机及其显示器来完成，使工程技术人员可以用一部笔记本电脑到现场就可轻松完成信号的采集、处理及频谱分析和波形分析。 LabVIEW(实验室虚拟仪器集成环境)是NI 公司(美国国家仪器公司)的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境，可实现数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试等实验室研究和工业自动化领域的实际任务。LabVIEW 从基本的数学函数、字符串处理函数、数据运算函数、文件I／O 函数到高级分析库，包括了信号处理、窗函数、滤波器设计、线性代数、概率论与数理统计、曲线拟合等，涵盖了仪器设计中几乎所有需要的函数。LabVIEW 的功能模块包括数据采集、通用接口总线和仪表的实时控制、数据分析、数据显示以及数据的存储。拥有大量数据采集和仪表控。制的功能模块和开发工具，因此，LabVIEW 可以编出外观和功能都与真实仪表很相似的程序