基于等效和实时采样的数字示波器设计

摘要：基于数字示波器的基本原理，以单片机和FPGA组成的最小系统为控制核心，实现了普通示波器对被测信号的采样、存储与回放，并且增加了等效采样和采样保持功能，极大地提高了系统的测量范围。该系统具有实时采样和等效采样两种方式，以不大于1 Ms／s的A／D转换实现200 MS／s的等效采样率对输入1 Hz～10 MHz，Vp-p为2 mV～8 V的信号进行采样处理，并能进行单次触发，自动和存储／输出波形。
关键词：单片机(SCM)；FPGA；数字示波器；等效采样；实时采样

1 引言
    数字示波器自上个世纪七十年代诞生以来，它已成为测试工程师必备的工具之一。随着近年来电子技术取得突破性的进展，催生了更庞大的数字示波器市场需求。此外，信号传输在现代工程中是很重要的一个技术环节，但在信号传输中，数字信号将对模拟信号产生干扰，目前采用的解决方法是利用单片机来实现模拟信号和数字信号在单线中的混合传输，而这其中的测试和调试就要求示波器必须能够对数字信号和模拟信号同时进行分析和显示。因此，这里介绍一种基于等效和实时采样数字示波器的设计。

2 设计方案
2．1 采样方案
    选择实时采样和等效采样相结合的方式，实时采样速率小于1 MS/s，水平分辨率至少为20点/div，故系统50 kHz以下采用实时采样方式，而50 kHz～10 MHz采用等效时间采样方式，最高等效采样速率可达到200 Ms／s。
2．2 频率测量方案
    由于该系统测试频率上限为10 MHz。根据等精度测量和测周法原理，将此频率分为两段。因此，10 kHz以下频率段，采用测周法；10 kHz以上的频率段，采用等精度测量法，从而缩短测量时间。
2．3 触发方案
    采用内部软件触发，通过软件设置触发电平，软件设置的施密特触发器参数容易修改，可以很好抑制比较器产生的毛刺。当所采样值大于该触发电平时，产生一次触发。该方案可排除硬件产生的毛刺干扰，触发和波形较稳定，且易实现触发电压的调整。
2．4 采样与保持电路方案
    采用射极跟随器、模拟开关和电容搭建采样与保持电路。射极跟随器可选用带宽稳定且带动容性负载强的运放，有较多的TI模拟开关，使其速度很容易满足要求，再选用合适的漏电小的聚苯电容即可实现采样与保持电路。

3 系统硬件电路设计
    系统制定出系统总体方案：输入信号经阻抗变换电路后进行程控放大，再经采样与保持电路后进人MAX118进行采样。其中程控放大倍数和A／D采样速率由垂直灵敏度和水平扫描速度确定，采样时刻由上升沿触发判断和等效采样控制单元决定。采样数据存入双端口RAM，显示控制模块读取RAM内容并控制DAC904输出显示。图1为系统总体设计实现框图。

3．1 程控放大及前级阻抗匹配
    信号先经前级AD811的阻抗匹配后实现系统的输入阻抗为1 MΩ，再经过模拟开关MAX308CPE来实现不同通道放大的选择，最后经模拟开关COM总输出，如图2所示。

3．2 采样与保持电路
    基于采样频带要达到10 MHz，系统采用模拟开关THS3166，其特点是低导通电阻、电容，低漏电流，低捕获时间和通断孔径时间，但只工作在正电压范围，故需前级加法器。开关前再加一级射极跟随器，采用带动容性负载强宽带运放THS3001做前后级的隔离。
3．3 整形及测频电路
    高频段整形采用高速比较器MAX913，低频段采用低速比较器LM311。为提高输入MAX913信号的信噪比，在其前级加一级无限增益放大，采用高频率运算放大器LM7171，放大倍数50，这样减小MAX913输出脉冲边沿抖动。同时，为避免高频整形方波的谐波发射，比较器输出均经74LS393分频后送入FPGA进行等精度测频，脉冲边沿更陡峭，便于测量。
3．4 A／D采样电路
    A／D转换器采样是信号处理的重要部分，是对模拟信号进行数字量化。采用MAx118的流水线工作模式，该模式下MAX118的工作直观，控制简单。图3为MAX118的实现电路。

4 系统软件设计
    简化后的系统软件流程如图4所示。系统主体功能采用模块化的设计思想，通过按键进行选择，且菜单界面良好，具有较强的人机交互性。为了在示波器上显示稳定的波形，采用内触发方式进行扫描，软件对触发电平的设置较好排除硬件毛刺产生的干扰，触发和波形较稳定，且易实现触发电压的调整。另外双端口RAM的使用还使系统具备自动调节和波形存储的功能。

5 测试结果
5．1 使用的仪器及测试方案
    PC机：清华同方P1．7 G,512 M；直流稳压电源：SG1733SB；双踪示波器：泰克TDS1002；仿真机：E51／S伟福；信号源：Agilent 33120A；数字合成高频信号发生器：SP1461。
    将系统行列扫描输出端分别与模拟示波器X轴与y轴输入端相连，进行垂直灵敏度和水平扫描速度测试，信号幅值和周期测试。
5．2 测试数据及分析
    表1和表2分别给出了该系统设计的水平灵敏度和垂直灵敏度测试数据。

    系统电压测量误差主要来源于前级信号调理电路，被测信号是宽带宽，高动态范围的信号，因而对前级放大器幅频特性要求很高。系统频率测量的误差来源于等精度测频中对频标计数的±1误差，以及比较器边沿抖动和工作的不稳定性。
    系统具有3档垂直灵敏度，电压测量误差小于2％，7档水平扫描速率，周期测量误差小于0．01％，以及触发电平调节和存储波形的功能。

6 结束语
    该数字示波器增加了垂直灵敏度和水平扫描速度的档位、AUTOSET和光标显示以及对显示波形处理的功能，显示波形无明显失真，幅度测量误差小于2％，频率测量精度优于0．01％，并能进行单次触发，存储/调出波形。系统的显示输出采用模拟示波器和128×64点阵液晶相结合的方式，波形显示清晰，工作稳定，操作简单，人机界面友好。