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2007年全国大学生电子设计竞赛一等奖作品——数字示波器发布时间: 2007-11-27 20:28:37作者:责任编辑:数字示波器作者：黄霖宇、陈鹍、侯碧波一等奖作品摘要本数字示波器以单片机和FPGA为核心，对采样方式的选择和等效采样技术的实现进行了重点设计，使作品不仅具有实时采样方式，而且采用随机等效采样技术实现了利用实时采样速率为1MHz的ADC进行最大200MHz的等效采样。
同时系统还具有可测2mV小信号、波形存储回放、测频、触发沿选择、校准信号输出等功能。
AbstractThis digital oscilloscope takes a MCU and FPGA as the core .We made emphases on the choice of the sampling methods and the implement of equivalent sampling, as a result, our design not only has the real-time sampling mode but also can reach the highest equivalent sample rate of 200 MHz using the real-time sample rate of 1 MHz, by way of random equivalent sampling. At the same time, this system has many other functions, such as 2mV small-signal measuring, storage andre-display of waveform, measuring frequency, selective trigger edge , output of thecorrection signal and so on.一、总体方案设计1．方案比较与选择仔细分析题目要求，以实时采样速率为1MHz的ADC实现最大200MHz的等效采样，是本题的最大难点，也是设计的重点之一。
示波器扫描的原理
示波器扫描的原理是利用电子束在屏幕上进行水平和垂直的扫描，从而绘制出输入信号的波形图像。
具体来说，示波器通常由水平扫描和垂直扫描两部分组成。
水平扫描控制电子束在屏幕上进行水平移动，而垂直扫描则控制电子束在屏幕上进行垂直移动。
在水平扫描过程中，示波器通过水平扫描电压控制电子束的水平位置。
水平扫描电压通常由示波器的时间基准电路提供，可以控制扫描的速度。
示波器的水平扫描电压可以调节，从而改变水平扫描的速度和观察到的波形的时间尺度。
在垂直扫描过程中，示波器通过垂直扫描电压控制电子束的垂直位置。
垂直扫描电压通常与输入信号相互作用，可以使电子束在屏幕上不同的垂直位置绘制出输入信号波形的不同幅度。
结合水平和垂直扫描，示波器可以绘制出输入信号的完整波形图像。
例如，如果输入信号是周期性的正弦波，示波器将在屏幕上绘制出一条连续的正弦曲线。
如果输入信号是脉冲信号，示波器将在屏幕上绘制出一系列脉冲。
通过观察示波器屏幕上的波形图像，可以分析和测量输入信号的频率、幅度、相位等特性。
示波器的扫描原理使其成为电子工程师和科学家在调试电路、研究信号特性等方面重要的工具。
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。
数字示波器模拟部分电路解析与仿真湖北师范学院电工电子中心田开坤在前一期我介绍了一种基于LCD12864显示的数字示波器设计，文中侧重描述了LCD图形显示细节，本篇将继续介绍示波器相关的信号调理电路，偏重模拟电路知识。
作为数字示波器，是对输入的模拟信号AD转换数值化后在LCD上显示，实现多种参数的测量的装置，被测信号具有多样性，可能是交流信号，也可能是直流信号，信号幅度有大有小，这些复杂的信号在进行AD转换前，需要一些辅助电路进行调理转换。
1、提高输入阻抗与电压跟随器示波器通常要求输入阻抗高，高的输入阻抗才能减小对被测信号影响（理想情况是希望示波器对被测量信号无影响，事实上做不到）。
为了提高输入阻抗，简单的方法是在ADC之前加一级电压跟随器，电路如图（1）所示，这里在Proteus中仿真，运算放大器使用LM358。
图（1）电压跟随器图（2）电压跟随示波器仿真效果图根据理想运算放大器的特性，同相输入端与反相输入端虚短，也就是在正常情况，运算放大器内部的电路总是通过调整，使同相端与反相端的电压保持相等，图中已经把反相端和输出端相连，这种调整会通过输出端作用在反相端。
信号从同相端输入，当同相端电压随着输入信号变化时，根据虚短的特性，运放内部电路不断调整并通过输出端作用在反相端，使反相端电压总是和同相端电压保持一致，这时输出信号幅值与输入信号幅值总是相等，仿真效果图如图（2）所示，A通道为输入峰值1V1000Hz的正弦信号，B通道为跟随器输出的等幅值信号，注意图中给了1k的负载电阻。
当负载在一定范围内变化时，运放通过内部电路自动调整（放大），总能使输出与输入幅值保持一致。
简单的理解是驱动负载所需的能量由运算放大器从电源获得，并不从输入信号获得，这就是电压跟随器的本质效应，实质就是提高了输入阻抗，减小了对输入信号的影响。
这里给运算放大器提供了正负5V电源。
我的理解是，如果输入信号是双极性，电源一定要使用双电源，如果是单极性，某些运算放大器也可以单电源供电，简单总结规律就是电源的范围应该覆盖并超过输入信号的范围，否则输出的信号就会失真。
数字示波器的原理及使用【摘要】示波器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和快速脉冲信号，并能对其表征的参量进行分析和测量。
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 oscilloscope1.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。
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。
