2007年全國電子設計大賽C題

PAGEPAGE82007年全國電子設計大賽C題數(shù)字存儲示波器題目任務:設計一簡易數(shù)字存儲示波器1．總體框架圖：2．題目要求指標(1)信號頻率范圍：10Hz~10MHz；要求輸入電阻：Ri>100kΩ；(2)垂直點數(shù)：32級/div；水平點數(shù)：20點/div；(3)垂直靈敏度：0.01V/div，0.1V/div，1V/div，誤差≤5%；(4)水平掃瞄速度：0.2s/div，0.2ms/div，20μs/div，誤差≤5%；(5)觸發(fā)功能要求：單次觸發(fā)、擴展、內觸發(fā)、上升沿、電平可調；(6)顯示波形無明顯失真；(7)產生100kHz，0.3V的校準方波；報告主要內容:1．對賽題要求的分析2．具體實現(xiàn)方案討論及器件參數(shù)計算3．模擬部分電路設計及數(shù)字控制部分軟件編寫4．安裝調試及所遇到的問題5．測試結果分析6．總結1.對賽題要求的分析(1)工作流程：A/D采集、雙口RAM存儲、D/A顯示。需要器件：A/D、單片機、D/A、FPGA等主要器件；(2)內觸發(fā)上升沿、觸發(fā)電平可調；掃描速度0.2s/div，0.2ms/div，20μs/div； 垂直靈敏度0.1V/div，1V/div，0.01V/div 移動擴展。要具有控制功能:1.控制器2.人機接口2.具體方案討論2.1采樣方式的選擇實時采樣和等效時間采樣：實時采樣即按照AD的采樣速率對波形進行滿足奈奎斯特采樣速率的采樣；等效采樣是在周期信號頻率過高，AD速率無法滿足奈奎斯特采樣速率時，間隔整數(shù)倍周期T＋最小采樣間隔時間對信號進行采樣。具體示意圖見下：題中要求輸入信號頻率范圍：10Hz~10MHz，樣點直接恢復方式為至少20點/周期，A/D轉換速率應小于1Ms/s。故對于高頻信號（大于500KHz），應采用等效采樣方式，低頻信號采用實時采樣方式。 2.2控制器件的選擇1．對控制器件的要求 *AD采集速率：高達1000kHz(1μs)，低至20ms；（決定于掃描速度）*樣點恢復速率：DA時鐘為10MHz，絕對滿足輸出波形要求。*幅度檔位調節(jié)：1V/div，0.1V/div，0.01V/div采用程控放大器實現(xiàn)。*水平檔位調節(jié)：0.2s/div，0.2ms/div，20μs/div，由X軸（水平）掃描速率決定。2．三種方案(1)VLSI：例如FPGA。特點：可以實現(xiàn)較快的采樣及處理速度，但僅用FPGA時程序煩瑣，且實現(xiàn)良好的人機界面時難度較大。(2)MCU：可以實現(xiàn)基本功能，但處理速度速度不能達到采樣速率的要求。(3)MCU+FPGA：MCU和FPGA可以適當分工，MCU控制人機接口以及與FPGA的通訊，F(xiàn)PGA實現(xiàn)具體器件的控制功能。綜上：第三種方案實現(xiàn)最為容易，且器材獲得方便，成本較低，故選擇第三種方案。總體電路示意圖：2.3技術指標初步分配（誤差是定量指標）（1）信號通道 前向通道（采集、存儲）≤2.5% 后向通道（恢復）≤2% 2.5%+2%=4.5%≤5%（2）時基（時間基線、掃描速度） 控制信號（采樣時鐘）誤差忽略不計 掃描電壓及輸出電路≤2%3.部分電路設計及模擬將該簡易DSO劃分為3個部分：

Y通道（前、后向通道）、X通道和控制器

3.1前向通道

*初步控制作用S1校零，S2校滿度*內容：信號調理電路；低通濾波器；電平移位；前向通道通道性能分析；觸發(fā)電路。（1）輸入電路*要求:Ri’≥100kΩ，輸入噪聲電壓影響；*輸入電阻（阻抗）對被測系統(tǒng)的影響：Z越高，影響越小。*輸入電路*取R≥100kΩ*運算放大器OP27初步核算：輸入電阻：Ri’=R//Ri≈R≈100kΩ；輸入端噪聲電壓：3.6nV，而最高靈敏度時的測量分辨力為：312μV，3.6nV《312μV（2）信號調理電路*作用：使信號符合A/D輸入的要求（預計A/D輸入≤5V）*增益計算要求輸入幅度（靈敏度×8div）：8V，0.8V，0.08V。顯然垂直靈敏度和前端放大倍數(shù)成反比例關系，垂直靈敏度的調整可以通過改變前端程控放大器的倍數(shù)來實現(xiàn)，設計要求垂直靈敏度×8div最大為8V，故顯示信號的幅度在－4～＋4V之間，而A/D（TLC5540）輸入電壓為0～5V。這可以通過電平變換電路用電壓幅度在－5～＋5V的信號得到，故此時增益為1.25。同理其他增益為：12.5，125（由程控實現(xiàn)）。*電路圖*有關解釋程控開關Sn：必須是模擬開關，選擇集成開關MAX4501；增益調節(jié)電阻Rnn，模擬開關的內阻計人其中；補償電容C1，C2，C3：改善通道頻響特性。（3）低通濾波器

*作用：實時采樣時（輸入信號頻率小于50KHz）抗混迭，濾除高頻分量，以改善采樣效果，避免輸出波形失真。

*采樣信號的頻譜混迭現(xiàn)象及改善方法：*抗混迭濾波器電路*有關解釋運算放大器構成有源低通濾波器；二階Butterworth低通濾波器。（4）電平移位電路由于A/D要求+極性輸入電壓，而此前電路輸出±極性電壓，故必需此電路來進行電平轉換，以適應AD轉換的要求。（5）前向通道性能分析內容：頻率特性的模擬；元器件參數(shù)的影響；環(huán)境溫度的影響。前向通道頻率特性的模擬：

（用EWB對程控增益放大器和低通濾波器模擬分析）結果：-3dB帶寬80kHz〉50kHz滿足設計要求。6）觸發(fā)電路*要求：內觸發(fā)、正沿、觸發(fā)電平可以調節(jié)；*電路說明：觸發(fā)采用比較器，比較電平的極性為+、可以調節(jié)；輸出為下降沿，向單片機申請中斷。3.2信號的采樣、量化、存儲(DSO的基本技術）（1）垂直分辨率與A/D位數(shù)的關系：示波器垂直方向共8格，要求每格32級，共有32×8＝256級，，因而采用8位A/D即可，垂直分辨率為8位。（2）掃描速度與采樣頻率的關系1．對于實時采樣：假設掃描速度為ts/div，每格點數(shù)為n，采樣頻率為fs，則：fs=n/t。當n=20時，針對不同的掃描速度，可以得到不同的采樣頻率（見附表）。在n一定的情況下，掃描速度的改變是通過改變采樣頻率來實現(xiàn)的，50KHz的正弦波在采樣頻率為1Mhz時，每周期可采樣20個點，可以很好的恢復采樣前的信號。2．對于等效采樣：此時采樣頻率不需要滿足奈奎斯特采樣速率。故倆者之間無關。綜上（1），（2）可得到A/D的技術要求：1．轉換速率：20μs/div；1μs/點；1Ms/s2．量化位數(shù)：32級/div×8=256級/8div 256=28取8bit量化誤差：1LSB=1/28?0.4%3．輸入幅度：+（05）V 選擇：TLC5540（3）存儲容量與水平分辨率的關系：存儲容量表明水平方向劃分細微的程度，是水平分辨率的倒數(shù)。要求示波器顯示屏水平刻度為10div，水平分辨率為20點/div。顯示滿屏幕需要200個點，故存儲容量256byte足夠，考慮波形擴展需要，使用1024byte，F(xiàn)PGA內部集成的雙口RAM。3.3后向通道（1）設計要求：將數(shù)字信號(RAM中的數(shù)據(jù))恢復為模擬信號并作為通用示波器的Y輸入信號(8V)，A、B信號從同一個Y端輸入。要考慮的問題：信號恢復電路及器件選擇，同步掃描電壓。（2）信號恢復顯示頻率和存儲器讀出頻率的關系：顯示屏上顯示的信號是從存儲器中讀出的信號，只要使觀察到的波形不閃爍即可。*采用器件：D/A*恢復速率：選擇適宜人眼的觀察速率10kHz，100μs/點200點×100μs/點=20ms這樣可以免除的高速D/A的要求（是DSO的優(yōu)點）；D/A選擇THS5651。（3）同步掃描電壓設計*同步作用：顯示穩(wěn)定的信號波形*同步掃描電壓設計：兩種產生掃描電壓的方法：1．通用示波器掃描電壓：要同步信號，與題目要求不符。2．簡易DSO產生：選擇由簡易DSO產生，使用另一塊DA。*掃描電壓的產生：D/A選擇 THS5651，與信號恢復器件一致。D/A輸入數(shù)據(jù)為10bit（000—1FF）H遞增，實際為階梯波而不是斜波。關于擴展顯示的信號恢復基本思想在兩個頁面中取連續(xù)的200點，掃描電壓與前相同，因此，擴展顯示是移動地在兩個頁面中顯示一個頁面，關鍵是控制方法軟件編寫。采用每次給存儲器掃描地址＋2或更多的方法來實現(xiàn)。3.4控制器件的設計控制器的作用：控制、數(shù)據(jù)處理；控制器的組成：控制器自身、人機接口。（1）鍵盤采用矩陣掃描非編碼鍵盤，由8個按鍵組成。對鍵盤的解釋：1．按下的鍵狀態(tài)為“0”；2．s/div和V/div為+1鍵；3．默認的儀器工作狀態(tài)：0.2ms/div、0.1V/div；4．擴展移動鍵每按一次+2，16，32；5．單片機掃描鍵盤，有鍵按下時判斷所按下的鍵并向頂?shù)讓涌刂破鱂PGA發(fā)送信號。6．儀器的復位鍵（RESET）不屬于鍵盤管理。（2）控制器的硬件設計1．DSO的操作時序鍵盤輸入——(相關設置)啟動——等待觸發(fā)——儀器操作（采集、存儲、數(shù)據(jù)處理、信號恢復、顯示）見圖：（3）控制器件的選擇MCU：AT89S52FPGA：CYCLONE_EP1C3T144C8(可以在線編程）（4）FPGA控制器電路圖：（5）總體控制器電路*對控制電路的說明

單片機部分：液晶顯示器是其外設；與FPGA的連接是P0、P2口；鍵盤中斷優(yōu)線于觸發(fā)中斷；輸出信號恢復和產生掃描電壓的數(shù)據(jù)；FPGA部分：AD，DA是其外設；采樣頻率由內部PLL鎖相環(huán)分頻產生，對應于各個水平檔位。DA的頻率為固定的10kHz。4安裝調試5測試結果5.1測試結果記錄(測試項目要針對設計要求)1．擴展功能擴展檔位一檔二檔三檔四檔實際擴展1倍2倍4倍8倍計算擴展1倍2倍3.9倍8.4倍誤差（％）002.552．垂直靈敏度(1)頻率10Hz的正弦波垂直檔位0.01V/div0.1V/div1V/div實際電壓/div0.012V0.122V1.050V誤差(%)20225(2)頻率1kHz的正弦波垂直檔位0.01V/div0.1V/div1V/div實際電壓/div0.015V0.113V1.100V誤差(%)501310(3)頻率100kHz的正弦波垂直檔位0.01V/div0.1V/div1V/div實際電壓/div0.02V0.117V1.080V誤差(%)100178(4)頻率1MHz的正弦波垂直檔位0.01V/div0.1V/div1V/div實際電壓/div0.017V0.120V1.050V誤差(%)702053．掃描速度(1)測量對象：幅度8V的正弦波，頻率可調水平檔位0.2s/div0.2ms/div20μs/div實際掃描速度0.2s/div0.21ms/div22μs/div誤差(%)0510(1)測量對象：幅度0.8V的正弦波，頻率可調水平檔位0.2s/div0.2ms/div20μs/div實際掃描速度0.2s/div0.2ms/div25μs/div誤差(%)0040(1)測量對象：幅度0.08V的正弦波，頻率可調水