簡易數(shù)字示波器設計報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上簡易數(shù)字示波器 設計報告 學校： 蘇州大學 學院： 電子信息學院 班級： 電子與通信工程 組員： 王婷 楊靜芝 范靜 專心-專注-專業(yè)第一章 設計內(nèi)容與要求1. 1 設計內(nèi)容：設計并制作一臺具有實時采樣方式和等效采樣方式的數(shù)字示波器，示意圖如圖1所示。圖1 數(shù)字示波器示意圖1. 2 基本設計要求：（1）被測周期信號的頻率范圍為10Hz10MHz，儀器輸入阻抗為1MW，顯示屏的刻度為8 div10div，垂直分辨率為8bits，水平顯示分辨率20點/ div。（2）垂直靈敏度要求含1V/div、0.1V/div兩檔。電壓測量誤差5%。（3）實時采樣速率1MSa/s，等效

2、采樣速率200MSa/s；掃描速度要求含20ms/div、2s /div、100 ns/div三檔，波形周期測量誤差5%。（4）儀器的觸發(fā)電路采用內(nèi)觸發(fā)方式，要求上升沿觸發(fā)，觸發(fā)電平可調(diào)。（5）被測信號的顯示波形應無明顯失真。1. 3 擴展要求：（1）提高儀器垂直靈敏度，要求增加2mV/div檔，其電壓測量誤差5%，輸入短路時的輸出噪聲峰-峰值小于2mV。（2）增加單次觸發(fā)功能，即按動一次“單次觸發(fā)”鍵，儀器能對滿足觸發(fā)條件的信號進行一次采集與存儲（被測信號的頻率范圍限定為10Hz50kHz）。第二章 系統(tǒng)的總體設計2. 1 總體框圖：2. 2 硬件系統(tǒng)設計：2.2.1輸入信號調(diào)理電路：圖2輸

3、入信號調(diào)理電路該電路中涉及到的芯片有：（1）AD603：在很多信號采集系統(tǒng)中，信號變化的幅度都比較大，那么放大以后的信號幅值有可能超過 A/D 轉換的量程，所以必須根據(jù)信號的變化相應調(diào)整放大器的增益。在自動化程度要求較高的系統(tǒng)中，希望能夠在程序中用軟件控制放大器的增益 ，或者放大器本身能自動將增益調(diào)整到適當?shù)姆秶?。AD603 正是這樣一種具有程控增益調(diào)整功能的芯片。它是美國ADI公司的專利產(chǎn)品，是一個低噪、90MHz 帶寬增益可調(diào)的集成運放，如增益用分貝表示，則 增益與控制電壓成線性關系，壓擺率為 275V/s 。管腳間的連接方式?jīng)Q定了可編程的增益范圍，增益在-11+30dB 時的帶寬為90M

4、hz，增益在+9+41dB 時具有 9MHz 帶寬，改變管腳間的連接電阻，可使增益處在上述范圍內(nèi)。該集成電路可應用于射頻自動增益放大器 、 視頻增益控制、A/D 轉換量程擴展和信號測量系統(tǒng)。（2）TL431：德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的TL431是一是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2，在很多應用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運放電路、可調(diào)壓電源，開關電源等等。TL431是一種并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路。因其性能好、價格低，因此廣泛應用在各種電源電路中，在很多應用中可以

5、用它代替齊納，例如，數(shù)字電壓表，運放電路、可調(diào)壓電源，開關電源等等。2.2.2 AD采樣電路：圖3 AD采樣電路該電路中涉及到的芯片有：（1）AD9280：AT9280是單芯片、單電源、8bit、32MSPS模數(shù)轉換器；內(nèi)部集成了采樣保持放大器和電源基準源。AT9280使用多級差分流水線架構保證了32MSPS數(shù)據(jù)轉換數(shù)率下全溫度范圍內(nèi)無失碼。2.2.3時鐘與高速存儲電路圖4 AD采樣電路該電路中涉及到的芯片有：（1）DS1085: DS1085是雙輸出頻率合成器，無需外部定時元件。它可以作為獨立振蕩器，或作為一個由處理器控制的、可動態(tài)編程的外設部件來使用。內(nèi)部主振蕩器可以在66MHz至133M

6、Hz的范圍內(nèi)進行編程，有三個分辨率選擇，分別為10kHz、25kHz與50kHz。一個可編程的3位預定標器(1、2、4或8分頻)從主振蕩器生成一個基準振蕩器輸出(OUT0)，范圍是8.2MHz至133MHz。另一個獨立的預定標器和一個1至1025分頻器產(chǎn)生主輸出(OUT1)，范圍是8.1kHz至133MHz。兩路輸出盡管都與主振蕩器同步，但可獨立編程?？删幊讨髡袷幤?、預標定器以及分頻器組合起來可以生成數(shù)千個用戶規(guī)定的頻率。主振蕩器、預標定器以及分頻器的設置都保存在NV (EEPROM)存儲器中，在上電時提供默認值，因此可以將其作為獨立振蕩器使用。通過2線串行接口可以對主振蕩器、預標定器(P0與

7、P1)、分頻器(N)進行在線動態(tài)編程。如果需要，可以進行動態(tài)頻率調(diào)節(jié)，或者，對于固定頻率應用，DS1085可以采用工廠或用戶編程的固定數(shù)值。（2）SN74F574DW: 這8位觸發(fā)器功能3態(tài)輸出專為驅動高容性或相對低阻抗負載。它特別適合于實施緩沖寄存器，I / O端口，雙向總線驅動程序和工作寄存器。八觸發(fā)器的SN74F574的是邊沿觸發(fā)的D型觸發(fā)器。在時鐘（CLK）輸入的正跳變時，Q輸出將被設置為分別設置在數(shù)據(jù)（D）輸入的邏輯電平。一個緩沖輸出使能（OE）輸入可用于放置八個輸出在任何一個正常的邏輯狀態(tài)（高或低邏輯電平）或高阻抗狀態(tài)。在高阻抗狀態(tài)，輸出負載也沒有顯著驅動總線線。高阻抗狀態(tài)，增加驅

8、動器提供驅動總線線無接口或拉組件的能力。輸出使能（OE）不影響觸發(fā)器的內(nèi)部操作。舊數(shù)據(jù)可以保留或新的數(shù)據(jù)可以輸入而輸出是在高阻抗狀態(tài)。（3）IDT7204:能夠實現(xiàn)高速存儲功能2.2.4 DA電路圖5 DA電路該電路中涉及到的芯片有：（1）AD5320：（2）MC74VHC4051D2.2.4 電源電路圖6 電源電路該電路中涉及到的芯片有：（1）A0512S：輸入5V雙輸出12V模塊（2）7805：7805三端穩(wěn)壓集成電路，電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78 系列和負電壓輸出的79系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端

9、。它的樣子象是普通的三極管，TO- 220 的標準封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負9V。因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。2. 3數(shù)字示波器的性能參數(shù)設計：數(shù)字存儲示波器的指標很多，包括采樣率、帶寬、靈敏度、通道數(shù)、存儲容量、掃描時間和最大輸入電壓等。其中關鍵的技術指標主要有采樣率、垂直靈敏度(

10、分辨率)、水平掃描速度(分辨率)。這幾項指標直接與所選AD、FIFO和高速運放器件的性能，以及電路設計有關。下面根據(jù)所選器件的性能參數(shù)，合理地分析和確定示波器的采樣率和分辨率。2.3.1.y通道參數(shù)計算(1)輸入阻抗對于低速數(shù)據(jù)采集，由于信號對信號的傳輸過程影響微乎其微，所以低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)良好的高阻抗性能，對提高系統(tǒng)的測量精確度有很大的意義。本設計中采用電壓跟隨器實現(xiàn)阻抗變換，數(shù)據(jù)采集阻抗變換電路的設計方案如圖4所示，其輸入阻抗為1M。圖4 輸入阻抗電路圖(2) 靈敏度垂直靈敏度有兩檔指標要求：1V/div、0.1V/div，為此，我們必須在前端設計一個有兩種增益的放大電路。A/D轉換器的基

11、準電壓為2V，D/A轉換器的基準電壓為2.5V，此外，該DAC的輸出還具有兩倍的增益，因此，其滿幅輸出為5V。示波器顯示屏垂直方向有8格，對應為5V，即0.625/div，而信號經(jīng)過D/A和A/D后又被放大了2.5倍，由此計算三檔垂直靈敏度對應的放大倍數(shù)如表2.1所示。表1 垂直靈敏度與放大倍數(shù)的關系垂直靈敏度1V/div0.1V/div放大倍數(shù)0.252.52.3.2掃描速度本系統(tǒng)顯示屏的水平刻度為10格，水平顯示分辨率n為20點/div，則水平共顯示20點/div10div = 200個點。假設掃描速度為s，采樣頻率為fs，則fs = n/s，由此得到設計要求的兩檔掃描速度所對應的采樣頻率

12、如表2.2所示。表2 掃描速度與采樣頻率的關系掃描速度s20ms/div2s/div采樣頻率1Khz10Mhz 當掃描速度在20ms/div和2s/div檔時采用實時采樣方式進行采樣。由表2可見，當掃描速度為2s/div時，采樣頻率fs超過了題目規(guī)定的最高實時采樣速率1MSa/s的要求。為解決這個問題，我們?nèi)圆捎?MHz的采樣頻率，而在最后顯示被測波形時將讀RAM的速率變?yōu)殇忼X波掃描速率的10倍，這就相當于將采樣頻率擴大了10倍，而實際的采樣速率并沒有超過題目的規(guī)定。這樣便滿足了實時采樣速率1MSa/s和等效采樣速率200MSa/s的要求。2.4 STM32簡介：(1) STM32F10: S

13、TM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM 內(nèi)核。按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設接口的組合。時鐘頻率72MHz時，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當于0.5mA/MHz。STM32型號的說明：以STM32F103RBT6這個型

14、號的芯片為例，該型號的組成為7個部分，其命名規(guī)則如下：（1）STM32：STM32代表ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器。（2）F：F代表芯片子系列。（3）103：103代表增強型系列。（4）R：R這一項代表引腳數(shù)，其中T代表36腳，C代表48腳，R代表64腳，V代表100腳，Z代表144腳。（5）B：B這一項代表內(nèi)嵌Flash容量，其中6代表32K字節(jié)Flash，8代表64K字節(jié)Flash，B代表128K字節(jié)Flash，C代表256K字節(jié)Flash，D代表384K字節(jié)Flash，E代表512K字節(jié)Flash。（6）T：T這一項代表封裝，其中H代表BGA封裝，T代表LQFP封裝，U

15、代表VFQFPN封裝。（7）6：6這一項代表工作溫度范圍，其中6代表-4085，7代表-40105。103性能（1）特點內(nèi)核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz。單周期乘法和硬件除法。存儲器：片上集成32-512KB的Flash存儲器。6-64KB的SRAM存儲器。時鐘、復位和電源管理：2.0-3.6V的電源供電和I/O接口的驅動電壓。POR、PDR和可編程的電壓探測器（PVD）。4-16MHz的晶振。內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8MHz RC振蕩電路。內(nèi)部40 kHz的RC振蕩電路。用于CPU時鐘的PLL。帶校準用于RTC的32kHz的晶振。低功耗

16、：3種低功耗模式：休眠，停止，待機模式。為RTC和備份寄存器供電的VBAT。調(diào)試模式：串行調(diào)試（SWD）和JTAG接口。DMA：12通道DMA控制器。支持的外設：定時器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。2個12位的us級的A/D轉換器（16通道）：A/D測量范圍：0-3.6 V。雙采樣和保持能力。片上集成一個溫度傳感器。2通道12位D/A轉換器：STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE獨有。最多高達112個的快速I/O端口：根據(jù)型號的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16個外部中斷向量。除了模擬輸入，所有的都可以接受5V以內(nèi)的輸入。最多多達11個定時器：4個16位定時器，每個定時器有4個IC/OC/PWM或者脈沖計數(shù)器。2個16位的6通道高級控制定時器：最多6個通道可用于PWM輸出。2個看門狗定時器（獨立看門狗和窗口看門狗）。Systick定時器：24位