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。
方案讨论：
采样方式的选择
本题要求的单次信号测量，需采用实时采样；要求最高信号频率为50KHZ,为使该频率下每个周期内有20个采样点，就要求最高采样速率为1MHZ，A/D转换速率1Ms/s，在目前市场条件下满足1MHZ采样速率的A／D无论技术条件还是价格都不是困难的。因此选用实时采样方式，A/D转换速率1Ms/s。
控制器的选择
对控制器的要求：（1）采集速率：高达1000kHz(1 μ s)，低至20ms；（决定于扫描速度）。（2）样点恢复速率：10kHz；
（3）程控增益：V/div，0.1V/div，0.01V/div。
（4）采用八位计数器来控制采样以及数据存储。
技术指标初步分配
（1）信号通道
前向通道（采集、存储）≤2.5%
后向通道（恢复）≤2%
2.5% + 2% = 4.5% ≤5%
（2）时基（时间基线、扫描速度）
控制信号（采样时钟）误差忽略不计
扫描电压及输出电路≤2%
部分电路设计
简易DSO划分为3个部分:
Y 通道（前、后向通道）、X通道和控制器前向通道作用：对被测信号进行调理、量化，并将量化结果写入存储器，以备显示之用，它是核心部分。（初步构思）下图为前向通道的系统框图。
下图是前向通道中的前半部分电路几个部分分路，包括LF353、程控增益电路以及低通滤波器电路。
输入电路：
程控增益电路、低通滤波器：
前向通道：
若给该部分加一个正弦波信号的话，信号由输入端进入经LF353进入后，再进入程控增益电路。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。程控放大电路实际就是一个反相器。然后，信号再经低通滤波器后输出，得到的输入—输出波形如下图所示。
图为完整的前向通道，包括信号调理电路、程控增益电路、低通滤波器及电平移位电路、触发电路。
S1 校零，S2校满度
前向通道通道性能分析；双踪显示；触发电路。
输入电路
要求: R i’≥100kΩ，输入噪声电压影响；采用跟随器做输入电路。
输入电阻（阻抗）对被测系统的影响，Z越高，影响越小。
实际电路图及输入的正弦波形：
取R≥ 100kΩ，运算放大器LF353 。
初步核算：输入电阻R i’=R// R i ≈ R ≈ 100kΩ；输入端噪声电压3.6nV，而最高灵敏度时的测量分辨力为312μV，3.6nV，312μV。信号调理电路
作用：使信号符合A/D输入的要求，即对大信号进行衰减，对小信号进行放大。（预计A/D输入≤2V）
增益计算：输入幅度灵敏度×8div 8V，0.8V，0.08
增益0 . 25， 2 . 5，25（由程控实现）
程控开关Sn ：须是模拟开关，选择集成开关MAX4501；增益调节电阻Rnn：模拟开关的内阻计人其中；补偿电容：改善通道频响特性。
具体在软件中的实际电路及仿真波形如下：
低通滤波器
作用：消除掉有用信号之外的无用分量。运算放大器构成有源低通滤波器，实际电路图及输入波形后的仿真如下图：
电平移位电路
为了适应A／D的要求，在进行模数转换之前必须将双极性信号通过电平移位为单极性的，设计中将其移位为正极性信号。电路图及仿真图如下：
假设A/D要求+极性输入电压，而此前电路输出±极性电压。
前向通道性能分析
内容：频率特性的模拟、元器件参数的影响、环境温度的影响。前向通道频率特性的模拟。
结果-3dB带宽80kHz〉50kHz 满足设计要求。
