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简易数字存储示波器设计

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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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slide1

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

slide2
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

slide3
赛题任务书

一 任务:设计一简易数字存储示波器

( 简易DSO )

slide4
(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

slide5

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。

slide6

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

slide7
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

3 dso

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

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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

slide10

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

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2. 方案讨论

选择方案(3) MUC和CPLD

控制器框图:

slide12

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%

dso 3 y x 3 1
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。

slide14
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。

slide15

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

slide16

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

slide17

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

slide18

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

slide19

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.

slide20

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。

slide21

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)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

slide22

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

slide23

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( )。

slide24

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

slide25

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

slide26

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

slide27

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。

slide28

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

slide29

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

slide30

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。

slide31

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。

slide32

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)

slide33

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。

slide34

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

slide35

3. 部分电路设计及模拟

种类

用途

来源

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

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

slide36

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

slide37

3. 部分电路设计及模拟

* 底层控制器电路

slide38

3. 部分电路设计及模拟

* 顶层控制器电路

slide39

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

slide40

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。

slide41

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

slide42

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 。

slide43

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

slide44

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.

slide45
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

slide46

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)

slide47

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

slide48
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!