数字存储示波器的设计

1．掌握数字示波测量的基本原理。
2．熟悉数字存储示波器的硬件结构。
3．掌握虚拟数字存储示波器的CVI软件设计。

设计虚拟数字存储示波器
（1）设计一个包含耦合方式选择、伏/格调整、触发源选择、时基选择等基本功能的虚拟数字存储示波器界面，要求显示屏水平刻度为10div，垂直刻度为10div。
（2）在完成内容（1）的基础上实现幅值、时基可调的虚拟双踪数字存储示波器。
要求：①垂直灵敏度至少包含50mV/div、0.1V/div、0.5V/div、1V/div四档；②扫描速度至少包含0.1u/div、1u/div、10u/div、100u/div、500u/div、1m/div、10m/div、0.1s/div八档；③增加双踪示波功能，能同时显示两路被测信号波形。
（3）数据处理设计
要求：①显示被测信号幅值包括：有效值、峰峰值、平均值；②显示被测信号的频率值。
（4）在电子测量实验箱中示波器硬件提供32K存储深度的基础上设计波形存储、回放功能。

三、实验器材

1．SJ-8002B电子测量实验箱 1台
2．计算机 1台
3．信号源（也可以使用平台的DDS信号源） 2台
4．Q9线 1 条
5．示波器 1台

4．1 数字示波器原理

数字存储示波器是用 A/D 变换器把模拟信号转换成数字信号，然后把数据存储在半导体存储器 RAM 中。当有需要时，将 RAM 中存储的内容调出，通过 LCD 用点阵或连线的方式再现波形，其原理框图可以参考图1。在这种示波器中信号处理和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AD、RAM 和微处理器的性能。由于采用 RAM 存储器，可以快写数慢读数，使得即使在观察缓慢信号时也不会有闪烁现象。

4．2 虚拟数字存储示波器组成

图1 虚拟数字存储示波器

虚拟示波器将计算机和测量系统融合于一体，用计算机软件代替传统仪器的某些硬件的功能，用计算机的显示器代替传统仪器物理面板。通过相关的软件可以设计出的操作方便、形象逼真的仪器面板，不仅可以实现传统示波器的功能，而且具有存储、再现、分析、处理波形等特点，还可以进行各种信号的处理、加工和分析，完成各种规模的测量任务。而且仪器的体积小、耗电少，方便携带，可以在不同的计算机上使用。
因此，在SJ-8002B中，也引用了虚拟数字存储示波器的原理来实现数据的采集。其中的信号调理、AD转换、存储数据的SRAM以及控制逻辑都在是实验平台中，计算机主要起到了数据的处理和显示的作用。

4．3 SJ-8002B电子测量实验箱示波器硬件结构

4.3.1测试范围及采集参数调整范围
测试电压幅度范围：－20V～＋20V（峰峰值）
测量频率范围：1Hz～1MHz
采样时钟：

可程控增益：

数据缓存深度：64KB
对采集的数据进行分析，显示波形的峰值、平均值、有效值和频率、周期等参数。

4.3.2 硬件原理图

图2 SJ8002B示波器硬件原理图

图2为示波器模块的原理框图。由图可见，高速采集的双通道是完全独立的，因此可以完成多种不同的测试任务，实现虚拟双踪数字存储示波器的各种功能。

4.3.3 控制逻辑
示波器的硬件控制主要分为数据写入（采集）和数据读出（显示）两个部分。其中控制逻辑全部都在存储在CPLD内部，如图3所示：

图3 示波器的硬件控制逻辑

Ain1和Ain2通道接入同样的采样时钟，同时进行转换。转换后的数据经过缓冲器，送至SRAM锁存。当一次采集完成后，由主机读回数据，进行进一步的处理，如滤波、显示等。
数据写入：AD9288在采样时钟CLK的控制下，将两路输入模拟信号数字离散为8bit数字信号经过数据缓冲器送至SRAM。地址由同一个地址计数器提供，该地址计数器为加/减计数器（采集数据时递增，读取时递减）。这样，每次采集所得数据都会顺利的存入SRAM中。

4.3.4采集部分
采集部分的关键器件是ADI公司的AD9288，它是8bit双通道含有采样保持电路的单片集成的模/数转换器，具有低功耗、体积小、动态特性好、易于实用的特点。双8bits、40MSPS，低功耗（每个通道90mw），SNR=47DB（在41MHz时），每个通道的模拟输入范围1.024Vp-p，中心电平Vin0=1/3 Vdd，3.0V模拟供电（2.7V-3.6V），两种数据输出模式（补码或原码），电平兼容TTL/CMOS。

4.3.5 调理电路
由于AD9288采用了差分输入，所以需要将实验板的模拟输入的直流耦合单边信号，无失真的转化为差分信号，并将信号的幅度进行平移，以满足AD9288 0.5～1.5V的输入要求。采用了如下的通道电路实现信号的转换。

图4 差分信号转化电路

电路中，U1是一个跟随器，作用是阻抗匹配；差分信号的产生采用了2个运算放大器，其中U2是作为输入的同相放大器，U3是作为输入补给的反相放大器。两个二极管和U4组成了信号平移部分。

4.3.6 衰减和增益控制电路
由于示波器的测试范围（-20V~+20V）比AD9288的测试范围（0.5V~1.5V）宽，因此，在采集电路的前端加入信号衰减和信号增益两级幅度调整电路，保证测量的正确性以及提高测量的精确度。 [p] [p]

表1

⑵ 给定扫描速度为200u/div,则采样时间TS =200u×10 =2000u=2ms,由于满屏采样点数固定为25000点，所以由FS×TS <25000，可得到FS < 12.5M 。由于提供的时钟没有12.5M，因此可选择最接近的10MHZ作为采样时钟。

表2

图7 示波器软件流程图

设计中可参考的CVI软件和实验软件平台提供的主要函数如下表所示：

5．3 在电子测量实验箱中示波器硬件提供32K存储深度的基础上设计波形存储、回放功能
在5.2节设计的虚拟存储示波器面板上有两个命令按钮（Command）控件，如图6所示，保存波形（保存按钮）调用ArrayToFile（）函数，打开波形文件（打开按钮）调用FileToArray（）函数，波形的显示调用PlotWaveform（）函数，以上函数均由CVI软件提供，可直接使用。

6．1 双踪显示波形的观测
由两台函数信号源分别产生两路电压信号，一个产生幅度为5V，频率为5KHz的正弦波，另一个产生幅度为3V，频率为5KHz的三角波，从设计的虚拟数字存储示波器进行双踪显示，并画出波形。
画信号一波形：画信号二波形：

6．2由函数信号源产生一个频率为5KHz，幅度变化（有效值）如下表的正弦波，利用设计的虚拟数字示波器进行有效值测量。

6．3由函数信号源产生一个幅度为5V，频率变化如下表的正弦波，利用设计的虚拟数字示波器进行频率测量。

七、思考和练习题

1．能否用一个带宽为20MHz的示波器观测重复频率为15MHz的正弦波和方波？为什么？
2．利用示波器测量各种波形参数时，你如何减小其测量误差？
3．测量方波的上升和下降时间可以有哪些方法？