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简易数字存储示波器设计

A. B. RESET. 简易数字存储示波器设计. 显示器. 键盘. Y X. 通用示波器. 简易 DSO. 主讲人 : 詹宏英. 有关现代显示技术. 扫描显示 光栅显示 点阵显示. 本赛题是 : CRT 扫描显示 电子测量的一种典型技术. 赛题任务书. 一 任务 : 设计一简易数字存储示波器 ( 简易 DSO ). (1) 信号频率： DC~50kHz ， Ri>100k Ω ； (2) 垂直： 32 级 /div ， 水平 20 点 /div ，

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简易数字存储示波器设计

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Presentation Transcript

  1. A B RESET 简易数字存储示波器设计 显示器 键盘 Y X 通用示波器 简易DSO 主讲人: 詹宏英

  2. 有关现代显示技术 扫描显示 光栅显示 点阵显示 本赛题是: CRT扫描显示 电子测量的一种典型技术

  3. 赛题任务书 一 任务:设计一简易数字存储示波器 ( 简易DSO )

  4. (1) 信号频率： DC~50kHz， Ri>100kΩ； (2) 垂直： 32级/div， 水平20点/div， 屏幕面积 8×10 div2 ； (3) 垂直灵敏度：0.1V/div，1V/div，误差≤5% ； (4) 水平扫速： 0.2s/div，0.2ms/div，20μs/div， 误差≤5%； (5) 单次触发、扩展、内触发、上升沿、电平可调； (6) 显示波形无明显失真。 赛题任务书 二 要求 1. 基本要求

  5. 赛题任务书 赛题任务书——要求 2. 发挥部分 （1）连续触发存储方式，并有“锁存功能”； （2）双踪显示； （3）水平移动扩展 一倍； （4）垂直灵敏度 0.01V/div，低输入噪声电压。

  6. 简易数字存储示波器设计 （解析） 主要内容: * 对赛题要求的分析 * 方案讨论 * 部分电路设计及模拟 * 安装调试 * 测试结果 * 小结 * 展望

  7. 1. 对赛题要求的分析 (1) 工作流程：采集、存储、显示。 具有：A/D、RAM、D/A等主要器件； (2) 内触发上升沿、触发电平可调； 扫描速度 0.2s/div，0.2ms/div，20 μ s/div； 垂直灵敏度0.1V/div， 1V/div， 0.01V/div， 连续、移动扩展、双踪。 要具有控制功能 1.控制器 2. 人机接口

  8. 1. 对赛题要求的分析 （3）简易DSO组成框图 Y通道包括前向通道和后向通道

  9. 2. 方案讨论 2.1 采样方式的选择 实时采样和等效时间采样 题中要求信号DC~50kHz，样点直接恢复方式为20点/周期，采速高达1000kHz(1 μ s)，A/D转换速率1Ms/s 采用实时采样方式

  10. 2. 方案讨论 2.2 控制器的选择 * 对控制器的要求 采集速率： 高达1000kHz(1 μ s)， 低至 20ms； （决定于扫描速度） 样点恢复速率：10kHz； 程控增益： 1V/div，0.1V/div，0.01V/div 双踪、扩展… * 三种方案 (1) VLSI 例如 CPLD (2) MUC (3) MUC+CPLD

  11. 2. 方案讨论 选择方案（3） MUC和CPLD 控制器框图：

  12. 2. 方案讨论 2.3 技术指标初步分配（误差是定量指标） （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%

  13. 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3.1 前向通道* 作用 （初步构思） 3. 部分电路设计及模拟 S1 校零，S2校满度 * 内容 信号调理电路； 低通滤波器；电平移位； 前向通道通道性能分析；双踪显示；触发电路。

  14. 3. 部分电路设计及模拟 1）输入电路 * 要求: Ri’≥100kΩ，输入噪声电压影响； * 输入电阻（阻抗）对被测系统的影响 Z越高，影响越小。

  15. 3. 部分电路设计及模拟 * 输入电路 *　 取R≥ 100kΩ *　运算放大器LF353 初步核算： 输入电阻 Ri’ =R// Ri ≈ 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

  16. 3. 部分电路设计及模拟 2） 信号调理电路 * 作用 使信号符合A/D输入的要求 （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） * 电路图

  17. 3. 部分电路设计及模拟 * 有关解释 程控开关Sn 必须是模拟开关，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

  18. 3. 部分电路设计及模拟 3）低通滤波器* 作用：抗混迭 采样信号的频谱混迭现象及改善方法 * 抗混迭滤波器电路

  19. 3. 部分电路设计及模拟 * 有关解释 运算放大器构成有源低通滤波器； 二阶Butterworth低通滤波器.

  20. 3. 部分电路设计及模拟 4）电平移位电路 假设A/D要求+极性输入电压，而此前电路输出±极性电压。 5）前向通道性能分析 * 目的：阶段性小结 * 内容：频率特性的模拟； 元器件参数的影响； 环境温度的影响。

  21. 3. 部分电路设计及模拟 前向通道频率特性的模拟（用EWB对程控增益放大器和低通滤波器模拟分析） 结果 -3dB带宽80kHz〉50kHz 满足设计要求

  22. 3. 部分电路设计及模拟 6）双踪示波器的实现 * 样点采集次序 交替、断续 考虑最慢采样速率 20ms/点，选择断续方式 * 样点数/页 20点/div × 10div=200点（256） 扩展方式 200 ×2=400点（512） * 电路方案 选择方法二

  23. 3. 部分电路设计及模拟 7）触发电路 * 要求： 内触发、正沿、触发电平可以调节； * 电路 说明： 触发信号来自A通道； 采用比较器，比较电平的极性为+、可以调节； 输出为下降沿，向单片机申请中断（ ）。

  24. 3. 部分电路设计及模拟 3.2 信号的采样、量化、存储 (DSO的基本技术） 1） 采样和模数转换器（A/D） A/D的技术要求 （1） 转换速率 20 μ s/div 1μs/点1 Ms/s （2）量化位数32级/div × 8=256级/8div 256=288bit 量化误差 1LSB=1/28  0.4% （3）输入幅度+（ 0---2）V 选择：TLC5510

  25. 3. 部分电路设计及模拟 关于TLC5510 ① 内含S/H； ② 为半闪烁结构（flash) ，两个4bit并行A/D组合为8 bit 转换速率20 Ms/s； ③ 输入信号 +（0– 2）V； ④ 基准电压 + 2V 等等 TLC5510内部电路结构

  26. 3. 部分电路设计及模拟 2） 数据存储器 要求： 存储容量 单踪 512 byte，双踪 1024 byte； 写速率 1 μs/点 ； RAM 或 FIFO或双口RAM。 3）电路方案 双A/D，RAM 实现双踪要求

  27. 3. 部分电路设计及模拟 3.3 后向通道 1) 设计要求 将数字信号(RAM中的数据)恢复为模拟信号并作为通用示波器 的Y 输入信号(8V)， A、B信号从同一个Y端输入。 要考虑的问题：信号恢复电路及器件选择，同步扫描电压，双 踪显示。 2）信号恢复 采用器件 D/A 恢复速率 选择宜人的观察速率10kHz 100 μs/点 256点× 100 μs/点=25.6 ms (40次/秒） 这样可以免除的高速D/A的要求（是DSO的优点）； D/A 选择 DAC0832。

  28. 3. 部分电路设计及模拟 3） 同步扫描电压设计 * 同步作用 显示稳定的信号波形 * 同步扫描电压设计 两种产生扫描电压的方法： 通用示波器扫描电压(要同步信号) 简易DSO产生 选择由简易DSO产生

  29. 3. 部分电路设计及模拟 * 扫描电压的产生 用D/A产生 D/A选择DAC0832 （与信号恢复器件一致） D/A输入数据为8 bit（00—FF）H递增， （实际为阶梯波而不是斜波） 关于扩展显示的信号恢复 ① 基本思想

  30. 3. 部分电路设计及模拟 • 恢复的数据 在两个页面中取连续的256点 • 扫描电压 与前相同 因此，扩展显示是移动地在两个页面中显示一个页面，关键是控制电路和软件。 4）双踪显示 要求：… 问题： A、B两个信号恢复后的显示如图（a)所示，不便于观察。实际要求将A、B两个信号分别显示在通用示波器屏幕的上下方，如图（b)所示，要求进行光迹分离。 光迹分离两种方法： 电平位移；数据处理。

  31. 3. 部分电路设计及模拟 5） 数据恢复电路 有关解释：① D/A YA 、D/A YA 和D/A X 分别用于恢复 A、B信号和产生扫描电压 ② A Y和A X为Y和X的输 出电路.③ 在同一地址的A、 B数据分时地进行恢 复，否则两信号的光 迹要重叠。

  32. 3. 部分电路设计及模拟 3.4 控制器的设计 控制器的作用 控制、数据处理； 控制器的组成 控制器自身、人机接口。 1） 键盘 性质 矩阵扫描非编码键盘 组成 （8个键）

  33. 3. 部分电路设计及模拟 对键盘的解释： （1）按下的键状态为“0”； （2）s/div和V/div为+1键 编码关系见表6.1； （3）默认的仪器工作状态：0.2ms/div 、0.1V/div； （4）扩展移动键每按一次+5； （5）底层控制器（CPLD）扫描键盘，有键按下时向顶底层控制器 （单片机）申请中断（ ）； （6）仪器的复位键（RESET）不属于键盘管理。

  34. 3. 部分电路设计及模拟 3）控制器的硬件设计 （1） DSO的操作时序 键盘输入 (相关设置)启动 等待触发 仪器操作（采集、 存储、数据处理、信号恢复、显示） 见图6.20，例如

  35. 3. 部分电路设计及模拟 种类 用途 来源 静 态 信 号 校零 输入短路 CPLD 校满度 输入端接0.8V CPLD 程控增益和扫描速度 分别接通增益和选择时钟 CPLD 动 态 信 号 开始写数据 RAMa和RAMb地址为 00H CPLD 停止写数据 RAMa和RAMb地址为 FFH 或1FFH CPLD 数据处理 将零点偏移、满度校准以及光迹分离量计入采集数据 单片机和CPLD 启动显示 从RAM读数据至D/A 单片机和CPLD 扩展显示 选择数据的起点地址X 单片机和CPLD 锁存显示 不再采集数据，继续显示 单片机和CPLD 双踪显示 A、B信号同时显示 单片机和CPLD 单次触发 只产生一次触发扫描 单片机和CPLD （2） 控制信号

  36. 3. 部分电路设计及模拟 （3） 控制器件的选择 MUC AT89C52 CPLD ACEX1K10 AT89C52 8bit 12MHz 、 8kbyte EEPROM 、 256byte RAM ACEX1K10 3.5ns 时钟 I/O EBA(512byte) (可以在线编程） 从存储器的配置来说，如此选择是极其有利的 （4）控制器电路图

  37. 3. 部分电路设计及模拟 * 底层控制器电路

  38. 3. 部分电路设计及模拟 * 顶层控制器电路

  39. 3. 部分电路设计及模拟 * 对控制电路的说明 CPLD部分 ① 两层控制器总线连接（Part A ） 锁存器连接 直接连接 ② 时钟信号产生电路（Part B） 时钟信号种类： 输入 10MHz； 3种采样时钟（由扫选择）和100Hz； 选择时钟的编码自PartD

  40. 3. 部分电路设计及模拟 ③数据存储器（Part C） 信号采集时： 数据来自A/D； Reset 开始存储（00H）； 写时钟来自PartB。 信号恢复时： 读时钟自单片机； 读允许信号自PartD ； 读出数据经过数据选择器 至单片机。

  41. 3. 部分电路设计及模拟 ④ 有关的控制信号（Part D） 锁存器（a) 输出时钟选择码； 锁存器（b) 输出产生扫描电压 的数据； 锁存器（c) 至前向通道控制开关； 缓冲器（d) 传递键值编码 它们的选通由单片机 P1口通过138实现

  42. 3. 部分电路设计及模拟 ⑤ 键盘扫描电路（Part E） 扫描时钟100Hz，自Part B； 输出行扫描信号，读入列信号，输 出键值编码，至Part D； 向单片机申请中断 。

  43. 3. 部分电路设计及模拟 * 对控制电路的说明 单片机部分 • 显示器是其外设； • 与CPLD 的连接是P0、P1口； • 键盘中断优线于触发中断； • 输出信号恢复和产生扫描电压的数据； • 单片机的有关设定 P1口，表6.4 内RAM的设定，表6.5 前向通道的控制信号，表6.6 补充说明： 扫描速度为0.2s/div时，每采样一点就显示一次，否则要产生 闪烁现象。 4)控制器的软件设计(根据DSO的工作过程编写) 自顶向下，充分利用子程序和中断功能 一个主程序和两个中断子程序

  44. 3. 部分电路设计及模拟 向单片机申请中断,再至CPLD的Reset引脚，使其从地址00H开始存储采集的数据.

  45. 安装调试 理论设计与实际工作之间； 单元电路和级连电路之间； 电路的实际负载能力。 5 测试结果 5.1 拟定测试方案 方案的组成 对测试仪器的精度要求

  46. 5 测试结果 5.2 测试结果记录 (测试项目要针对设计要求) * 单次和连续扫描 * 扩展功能 * 双踪示波 * 垂直灵敏度 * 扫描速度 5.3 测试结果总评价 (误差≤5% 实事求是、中肯)

  47. 6 小结 （1） 模拟电路部分设计较合理； （2） 两层控制； （3） 充分利用片内存储器； （4） 充分利用新颖电子技术。 7 展望 （1） 采用程控电阻 （2） 扩展功能的再扩展，利用双扫描和CRT的Z通道 （3） 数字信号处理

  48. 电子设计竞赛 是一项千军万马的活动， 让我们在不同的岗位上共同努力！

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