示波器是一種電信號(hào)的時(shí)域測量和分析儀器，它顯示隨時(shí)間變化的信號(hào)幅度波形，其直觀的顯示效果有助于對(duì)被測對(duì)象的深入理解，是一種綜合的信號(hào)特性測試儀。手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表是數(shù)字存儲(chǔ)示波器的一個(gè)重要分支，是在滿足現(xiàn)場應(yīng)用與便攜式的要求下出現(xiàn)的[1-2]。它是將臺(tái)式數(shù)字存儲(chǔ)示波器設(shè)計(jì)成掌上型、內(nèi)置電池供電的形式，不但完全繼承傳統(tǒng)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的所有測量功能和技術(shù)性能，而且具備體積小、性價(jià)比高等特點(diǎn)而備受市場歡迎，但受其尺寸與低功耗的限制，設(shè)計(jì)存在一定難點(diǎn)。
    目前，國內(nèi)外示波表的設(shè)計(jì)大多采用嵌入式技術(shù)，其設(shè)計(jì)核心為數(shù)據(jù)采集、處理與傳送[3]。本文介紹以嵌入式芯片LPC2138與FPGA相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)雙通道工作，具有50 MHz實(shí)時(shí)帶寬，采樣率為100 MS/s，等效采樣率為5 GS/s的手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表的功能。實(shí)驗(yàn)證明該采集系統(tǒng)是有效的。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。嵌入式控制器LPC2138通過FPGA控制衰減模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的兩個(gè)模擬通道的信號(hào)進(jìn)行10倍、100倍步進(jìn)衰減，根據(jù)用戶鍵盤輸入的觸發(fā)方式，F(xiàn)PGA控制觸發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)CH1、CH2、外觸發(fā)等三種觸發(fā)模式。LPC2138控制FPGA實(shí)現(xiàn)在用戶設(shè)置的垂直分辨率下，對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行放大并滿足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的要求。通過FPGA產(chǎn)生采樣時(shí)鐘，將A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)存入FPGA內(nèi)部高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，并根據(jù)用戶設(shè)置的時(shí)基與垂直分辨率對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果送LCD進(jìn)行顯示。

2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 衰減模塊
    為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高電壓的測量，采用繼電器設(shè)計(jì)衰減模塊，如圖2所示。模擬信號(hào)經(jīng)過示波器探頭輸入后，經(jīng)過光電耦合器件實(shí)現(xiàn)交流和直流耦合選擇。雙刀繼電器將輸入信號(hào)通過電阻分壓實(shí)現(xiàn)10倍和100倍衰減以匹配示波器探頭衰減。

2.2 信號(hào)調(diào)理模塊
    圖3中經(jīng)過衰減后的信號(hào)經(jīng)過AD8034構(gòu)成的跟隨電路達(dá)到阻抗變換的功能，根據(jù)示波器時(shí)基1、2、5步進(jìn)的規(guī)范，采用可變增益放大器AD8330來完成。ADI公司的AD8330性能指標(biāo)為：130 MHz的－3 dB帶寬；增益范圍在0~317連續(xù)變化;差分輸入差分輸出;單電源＋5 V供電；低噪音、低失真；增益的大小受VDBS端模擬電壓控制。利用LPC2138控制D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬電壓控制AD8330的增益。由于AD8330輸出電壓的共模電壓是＋2.5 V,與采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的共模電壓要求不一致,因此采用AD8132實(shí)現(xiàn)共模電壓為+1 V， 差分電壓輸出為-0.5 V~+0.5 V以滿足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的要求。在信號(hào)調(diào)理部分利用信號(hào)疊加原理實(shí)現(xiàn)信號(hào)偏移調(diào)節(jié)使顯示波形在液晶上上下調(diào)節(jié)。

2.3 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊
    A/D轉(zhuǎn)換器選擇ADI公司的AD9288，其具有兩個(gè)8位模擬/數(shù)字變換通道；100 MS/s采樣率/每通道；90 mW/每通道(100 MS/s時(shí))；片內(nèi)提供參考電壓和采樣、保持電路；475 MHz模擬帶寬；模擬信號(hào)輸入范圍為1 Vpp/每通道。FPGA為AD9288提供100 MHz采樣時(shí)鐘，采集數(shù)據(jù)送FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)模塊中。由于采用的液晶橫向利用250個(gè)點(diǎn)用于顯示波形，為此，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊利用循環(huán)存儲(chǔ)512點(diǎn)的方式完成采集與存儲(chǔ)即采集兩屏數(shù)據(jù)。
    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊完成將A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行存儲(chǔ)，其主要依賴于FPGA內(nèi)部邏輯單元完成峰值采樣并進(jìn)行存儲(chǔ)，峰值采樣存儲(chǔ)模塊原理如圖4所示。圖中主要包含一個(gè)二選一的八位選擇器2×8 mux、2個(gè)74273 D觸發(fā)器、FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)器LPM_RAM_DP、8位比較器LPM_COMPARE。

    標(biāo)號(hào)為1的觸發(fā)器74273b以與采樣時(shí)鐘同頻率的100 MHz鎖存時(shí)鐘/CLK_RTN將高速A/D轉(zhuǎn)換器輸出的高速數(shù)據(jù)CHA_D[7..0]鎖存。8位比較器LPM_COMPARE完成對(duì)data a與data b數(shù)據(jù)的比較，當(dāng)b組數(shù)據(jù)大于a組數(shù)據(jù)時(shí)輸出agb為1。LPM_RAM_DP為FPGA內(nèi)部的RAM存儲(chǔ)器，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址由計(jì)數(shù)器記錄采樣時(shí)鐘而產(chǎn)生,存儲(chǔ)脈沖TRANS_LATCH的頻率決定了峰值采樣的深度，決定了經(jīng)過比較多少個(gè)點(diǎn)后存儲(chǔ)峰值，存儲(chǔ)脈沖的頻率要低于采樣頻率，而且存儲(chǔ)脈沖低得越多，相同時(shí)間內(nèi)比較的數(shù)據(jù)越多且存儲(chǔ)數(shù)據(jù)就相對(duì)越少，其頻率由設(shè)置的時(shí)基決定，一般不小于20 MHz的頻率,即至少每采集5個(gè)點(diǎn)存儲(chǔ)一個(gè)有效的最大值。8位選擇器2×8 mux的SEL控制端由TRANS_LOAD信號(hào)和agb經(jīng)過或門電路產(chǎn)生。TRANS_LOAD為與存儲(chǔ)頻率相同的信號(hào)，占空比為0.2，該信號(hào)完成將采集的第一個(gè)數(shù)據(jù)送入寄存器作為默認(rèn)的當(dāng)時(shí)最大值。之后，SEL信號(hào)由agb完成控制，它的作用是把每一次的比較得到的最大值鎖存于標(biāo)號(hào)為2的74273b中，該74273b的作用是把上一次比較的最大值提供給比較器LPM_COMPARE作為本次比較的一個(gè)比較值,它的鎖存時(shí)鐘CLK_100M_H的頻率與采樣頻率一致,也為100 MHz,只是相位相差180°，目的是將本次采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過比較后進(jìn)行鎖存。
    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊不僅對(duì)最大值進(jìn)行存儲(chǔ)，并且同時(shí)對(duì)最小值進(jìn)行判斷與存儲(chǔ)，其原理僅在于比較器的設(shè)置略有區(qū)別，只是將比較后的最小值進(jìn)行存儲(chǔ)。
3 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)
    為了滿足用戶對(duì)高頻信號(hào)采集的要求，系統(tǒng)具有等效采樣與實(shí)時(shí)采樣兩種采樣方式，數(shù)據(jù)采集軟件流程如圖5所示。ARM控制FPGA產(chǎn)生100 MHz采樣時(shí)鐘，將采集數(shù)據(jù)以峰值形式存儲(chǔ)于FPGA內(nèi)部高速RAM中，當(dāng)時(shí)基大于500 ns時(shí)，系統(tǒng)處于實(shí)時(shí)采樣過程，小于等于500 ns時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入等效采樣過程。

    實(shí)時(shí)采樣階段，在滿足Nyquist采樣定理的前提下由A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，A/D采樣率根據(jù)用戶所設(shè)定的時(shí)基來選擇。示波表在液晶上沿著水平軸顯示512個(gè)采樣點(diǎn)，這些采樣點(diǎn)以每格50個(gè)或者25個(gè)采樣點(diǎn)的形式進(jìn)行顯示，本設(shè)計(jì)中采用了每格顯示250個(gè)點(diǎn)的形式，信號(hào)以峰值采樣循環(huán)存儲(chǔ)512個(gè)點(diǎn),實(shí)際上是采集到了2屏信號(hào)，在應(yīng)用中把其中的250個(gè)點(diǎn)來按照用戶的需要來顯示。
    在觀測具有重復(fù)性的高頻信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)可以從若干連續(xù)的信號(hào)周期中采集多組采樣點(diǎn)來構(gòu)建波形即等效采樣。每一組采樣點(diǎn)都由一個(gè)觸發(fā)事件來啟動(dòng)采集，一個(gè)觸發(fā)事件到來以后,就采集信號(hào)波形的一部分,并將其存儲(chǔ)于FPGA內(nèi)部高速ARM中。經(jīng)過多次觸發(fā)事件以后，存儲(chǔ)器內(nèi)循環(huán)存儲(chǔ)了512個(gè)采樣點(diǎn),根據(jù)采樣點(diǎn)與觸發(fā)事件的時(shí)間關(guān)系就可以在屏幕上重建一個(gè)完整的波形。
    通過對(duì)手持式示波表數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計(jì)，樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了雙通道實(shí)時(shí)帶寬為50 MHz的數(shù)據(jù)采集；上升時(shí)間為17.5 ns；實(shí)時(shí)采樣率100 MS/s ，等效采樣率為5 GS/s；水平靈敏度為20 ns/div~5 s/div，按1-2-5步進(jìn)；水平精度為±(0.01％＋1個(gè)像素)；垂直靈敏度為5 mV/div~20V/div，按1-2-5步進(jìn)；垂直精度為±(5％＋1個(gè)像素)；垂直分辨率為峰-峰值8 bit；最大輸入電壓為峰-峰值200 V(BNC)；輸入阻抗為1 MΩ。該技術(shù)已成功用于五行科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的WX4452手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波器之中，取得了很好的效果。
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