简易数字存储示波器
摘要
本简易数字存储示波器由信号输入电路、数据采集与存储电路、A/D与转D/A换电路以及AT89C51单片机系统组成。本仪器利用软件的强大功能，配合普通示波器可以实现任意波形输入信号的单次触发存储显示、存储回放，并按要求进行了扫描速度和垂直灵敏度的档位设置，波形显示无明显失真。
关键词：
简易采集存储单片机转换电路
一、方案设计与比较论证
数字存储示波器的一般设计原理是：先用A/D转换器将被测信号数字化，并写入数字存储器，在需要显示时，再从存储器中读出，经过D/A转换器还原为模拟信号，送到示波器的相应输入口。
1．模拟通道：
系统需要对模拟信号的实时采集存储，模拟通道的性能直接影响系统的性能。
方案一：
利用集成放大器AD524组成模拟通道。考虑到本题目的要求，垂直灵敏度的档位不是很多。可以利用AD公司生产的AD524，其组成的差分放大器，外电路简单，可以实现本题要求，但其价格非常高，用在此处性价比不是太高，所以不采用此电路。
方案二：
利用模拟开关和运算放大器组成增益可控的放大器，这样可以较为方便的控制增益，可以利用较少的级数达到较好的要求，这样有利于减少误差便于逐级累加。本电路采用常用集成电路，电路非常成熟，性价比高，所以本电路采用了该方案。
2、控制模块方案论证
方案一：
采用大规模可编程逻辑器件作为系统的控制核心。目前，大规模可编程逻辑器件容量不断增大，速度不断提高，且多具有ISP 功能，也可以在不改变硬件电路的情况下改变功能。但其对数据的采集速率要求较高，对数据的处理相对较弱，必须使用高速大规模可编程逻辑器件作为控制核心。普通的可编程逻辑器件难以满足对采样速率的要求。高速可编程逻辑器件时钟频率不过几十兆，其价格昂贵，普及程度不高。考虑到以上因素，没有采用此方案
方案二：
利用现在较为流行的单片机控制高速A/D转换器和RAM实现高速数据采集。单片机虽速度不是特别快，但使用较少的外围器件就可以实现复杂的逻辑和时序控制功能，是较为理想的方案，所以本电路采用该方案。
二、理论设计与实际电路
本系统工作原理如下图所示：
1.输入电路
如图所示电路，信号由输入端进入经LF356进行后，再进入由U18和CD4052组成的程控放大与衰减电路。电压跟随比较电路输
入阻抗可高达500KΩ，可以减小输入信号的衰减。程控放大与衰减电路实际就是一个反相器，由模拟开关CD4052切换不同的反馈电阻，实现放大倍数的调整。当垂直灵敏度为1V/div时，输入信号峰峰值最大为1V/div×8div =8V，而A/D转换器TLC5510的输入电压范围为0～2V，所以要衰减4倍。同理，当垂直灵敏度为0.1V/div时，信号要放大2.5倍；当垂直灵敏度为0.01V/div时，信号要放大25倍。
在信号输入时一般信号都是有负电压信号和正电压信号组成，而ADC0809的输入电压范围是0-5V，所以必须加一信号提升电路。其采用加法器原理外加提升电压，使整个信号得以提升以达到
ADC0809的输入要求。
2. 数据采集与存储电路
由于要求X轴最快的扫描频率为20 s/div，并且水平分辨率为20点
/div，所以每微秒至少需要采集一个数据，即最大采集速率应该大于等于
单片机系统采用印刷板制作，部分原理电路如上图，由AT89C52、数据存储器8155、驱动电路以及地址译码电路构成。有关控制和数据处理，是通过单片机自身进行智能处理。当单片机扫描到由A/D转换器发送取样信号后将其存储在自身的ROM里。但由于AT89C52的存储空间有限，故而在单片机后面加一数据存储器8155，利用数据存储器8155进行大容量的数据存储以满足示波器的存储需要。
5. D/A转换电路
数字信号由单片机输出后经D/A转换后才可以输入到示波器的锯齿波扫描信号X轴，这里D/A转换使用的是常用芯片DAC0832。对于单路D/A转换采用单缓冲器方式接口，ILE接+5V，寄存器选择信号CS及数据传送信号XFER都与地址选择线相连，两级寄存器的写信号都有ATC89C52的WR端来控制。当地址线选通DAC0832后，只要输出WR控制信号，以及8155进行数据输出，DAC0832就能完成数字量的输入锁存和D/A转换输出。
便于波形显示的同步，以及显示更复杂的波形，X和Y信号产生周期必须相同。在输出不规则信号时，将信号的取样值存在程序存储器中，然后用查表的方法将样值取出。本设计即是这样将信
单次触发方式是指，在满足触发条件后，对输入信号只进行一次采集，然后连续在示波器上输出所采集的波形。当信号采集后双口RAM将采集到的输入信号数据取出，并存放到单片机系统的扩展RAM中，并输出波形。只要按下复位键后，波形将从新被采集输出。
2．软件流程系统软件流程如下图所示
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