簡(jiǎn)易多功能數(shù)字存儲(chǔ)示波器(蔡天 林立 蘇鑫)

1、2007電子設(shè)計(jì)大賽第1頁(yè)簡(jiǎn)易多功能數(shù)字示波器參賽學(xué)校：武漢大學(xué)參賽隊(duì)員：蔡天林立蘇鑫時(shí)間：2007727賽前輔導(dǎo)教師：黃根春張望先文稿輔導(dǎo)教師：黃根春徐大敏摘要摘要本系統(tǒng)基于數(shù)字示波器基本原理，以8051單片機(jī)和FPGA組成的最小系統(tǒng)為控制核心；系統(tǒng)的頻率范圍為1Hz～2.8MHz，使用高速ADC芯片對(duì)任意波形信號(hào)進(jìn)行采樣量化，并在模擬示波器上顯示，同時(shí)能對(duì)信號(hào)的基本參數(shù)進(jìn)行數(shù)字測(cè)量，其中頻率誤差優(yōu)于0.1％，幅度誤差優(yōu)于5％；通過(guò)F

2、PGA對(duì)量化值進(jìn)行FFT運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的頻譜分析；此外，本系統(tǒng)還可以利用傅立葉變換的性質(zhì)對(duì)雙通道輸入的兩路信號(hào)進(jìn)行相位差測(cè)量，誤差小于0.5o；實(shí)現(xiàn)周期信號(hào)的失真度測(cè)量，誤差小于1％；系統(tǒng)的顯示輸出采用模擬示波器和12864點(diǎn)陣液晶相結(jié)合的方式，連續(xù)可調(diào)電位器和38鍵盤為輸入接口，故系統(tǒng)波形顯示清晰，操作簡(jiǎn)單，界面友好。關(guān)鍵詞：示波器FFT失真度測(cè)相AbstractAbstractThesystemmainlycontrolle

3、dbythecombinationofMCU8051ALTEA’sCycloneFPGAisbasedontheelementsofDigitalOscillograph.Allkindsofsignalwiththefrequencyfewerthan2.8MHzcanbesampledbyADCchipAD9051AD197.ThedataofsamplingisoperatedunderFFTwitharesultofthefre

4、quencyspectrumoftheinputsignal.Additionthesystemalsocanmeasurethephasicdifferencewiththeprecisionfewerthan.Weadopttheanalogoscillograph12864dotmatrixLCDscreensasexptequipment38keyboardsadjustableresistanceasimptequipment

5、.Peoplewillfindeasytohlethesystemwithcleardisplayfriendlyinterface.Keywd:oscillographFFTAudibilityofDisttion2007電子設(shè)計(jì)大賽第3頁(yè)一、方案論證與選擇一、方案論證與選擇1題目任務(wù)要求及相關(guān)指標(biāo)的分析(1)題目要求儀器的輸入阻抗大于100kΩ，我們可以使用一級(jí)射級(jí)跟隨器或者同相放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)；垂直刻度為8div，分辨率為32級(jí)div

6、，要求設(shè)置0.01Vdiv、0.1Vdiv、1Vdiv三檔垂直靈敏度，誤差≤5%，即直流檔時(shí)輸入信號(hào)電壓范圍為4V～4V，交流檔時(shí)輸入信號(hào)峰峰值范圍為0V～8V，但為了能使用0.01Vdiv和0.1Vdiv檔來(lái)清晰的觀察小信號(hào)波形，所以需要根據(jù)輸入信號(hào)的電壓幅度的大小來(lái)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)放大或縮小，以適合ADC的采樣和量化；水平刻度為10div，分辨率為20點(diǎn)div，要求設(shè)置0.2sdiv、0.2msdiv、20μsdiv三檔掃描速度，儀器的

7、頻率范圍為DC～50kHz，誤差≤5%，考慮極限情況，使用20μsdiv檔，采樣周期為1μs，即此時(shí)采樣頻率為1MHz，對(duì)于0.2sdiv和0.2msdiv，我們可以使用1MHz的采樣頻率，然后在下抽樣，也可以分別使用100Hz和100KHz的采樣頻率。（2）題目要求儀器具有單次觸發(fā)存儲(chǔ)顯示方式和連續(xù)觸發(fā)存儲(chǔ)顯示方式，觸發(fā)電路采用內(nèi)觸發(fā)方式，要求上升沿觸發(fā)、觸發(fā)電平可調(diào)，單次觸發(fā)，即每按動(dòng)一次“單次觸發(fā)”鍵，儀器在滿足觸發(fā)條件時(shí)，能對(duì)被

8、測(cè)周期信號(hào)或單次非周期信號(hào)進(jìn)行一次采集與存儲(chǔ)，然后連續(xù)顯示；連續(xù)觸發(fā)，即儀器能連續(xù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)顯示，且具有鎖存（按“鎖存”鍵即可存儲(chǔ)當(dāng)前波形）功能。同時(shí)要求具有水平移動(dòng)擴(kuò)展顯示功能，要求存儲(chǔ)深度增加一倍，并且能通過(guò)操作“移動(dòng)”鍵顯示被存儲(chǔ)信號(hào)波形的任一部分。該部分要求主要軟件部分實(shí)現(xiàn)，包括波形存儲(chǔ)和波形簡(jiǎn)單線性運(yùn)算。（3）增加雙蹤示波功能，能同時(shí)顯示兩路被測(cè)信號(hào)波形。這就要求系統(tǒng)有兩路高速ADC對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行采樣，或使用多

9、路復(fù)用器來(lái)實(shí)現(xiàn)通道轉(zhuǎn)換。（4）對(duì)于其它要求部分，我們計(jì)劃增加FFT頻譜分析和雙蹤信號(hào)相位測(cè)量的功能。2方案的比較與選擇（1）輸入信號(hào)采樣量化方案一：等效采樣法。使用等效采樣法的前提是被測(cè)信號(hào)是周期出現(xiàn)的，因此，為了重建原信號(hào)，可以每一個(gè)周期內(nèi)等效地等間隔地抽取少量的樣本，最后將多個(gè)周期抽取的樣本集合到同一個(gè)周期內(nèi)，這樣就可以等效成在一個(gè)被測(cè)信號(hào)周期內(nèi)采樣效果。該方案的優(yōu)點(diǎn)是采樣頻率不需要太高，與被采樣信號(hào)頻率相當(dāng)即可，缺點(diǎn)是要求被測(cè)信號(hào)

10、是周期的，而且采樣過(guò)程較慢，比較耗時(shí)。方案二：同步采樣法。為了排除等效采樣的缺點(diǎn)，我們可以利用鎖相環(huán)將被測(cè)信號(hào)的頻率和信號(hào)采樣頻率鎖定成一定的比例關(guān)系，例如采樣頻率是被測(cè)信號(hào)的20倍頻。該方案的的優(yōu)點(diǎn)是采樣點(diǎn)與被采樣信號(hào)是嚴(yán)格同步的，便于FFT運(yùn)算，進(jìn)行頻譜分析，缺點(diǎn)是需要采樣信號(hào)頻率整數(shù)倍的時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)際電路較為復(fù)雜，抗干擾較難處理。方案三：固定頻率采樣。根據(jù)題目要求，設(shè)定采樣頻率為1MHz、100KHz和100Hz三個(gè)固定頻率。這樣