簡易多功能數(shù)字存儲示波器(蔡天 林立 蘇鑫)

1、2007電子設計大賽第1頁簡易多功能數(shù)字示波器參賽學校：武漢大學參賽隊員：蔡天林立蘇鑫時間：2007727賽前輔導教師：黃根春張望先文稿輔導教師：黃根春徐大敏摘要摘要本系統(tǒng)基于數(shù)字示波器基本原理，以8051單片機和FPGA組成的最小系統(tǒng)為控制核心；系統(tǒng)的頻率范圍為1Hz～2.8MHz，使用高速ADC芯片對任意波形信號進行采樣量化，并在模擬示波器上顯示，同時能對信號的基本參數(shù)進行數(shù)字測量，其中頻率誤差優(yōu)于0.1％，幅度誤差優(yōu)于5％；通過F

2、PGA對量化值進行FFT運算，實現(xiàn)了對輸入信號的頻譜分析；此外，本系統(tǒng)還可以利用傅立葉變換的性質(zhì)對雙通道輸入的兩路信號進行相位差測量，誤差小于0.5o；實現(xiàn)周期信號的失真度測量，誤差小于1％；系統(tǒng)的顯示輸出采用模擬示波器和12864點陣液晶相結合的方式，連續(xù)可調(diào)電位器和38鍵盤為輸入接口，故系統(tǒng)波形顯示清晰，操作簡單，界面友好。關鍵詞：示波器FFT失真度測相AbstractAbstractThesystemmainlycontrolle

3、dbythecombinationofMCU8051ALTEA’sCycloneFPGAisbasedontheelementsofDigitalOscillograph.Allkindsofsignalwiththefrequencyfewerthan2.8MHzcanbesampledbyADCchipAD9051AD197.ThedataofsamplingisoperatedunderFFTwitharesultofthefre

4、quencyspectrumoftheinputsignal.Additionthesystemalsocanmeasurethephasicdifferencewiththeprecisionfewerthan.Weadopttheanalogoscillograph12864dotmatrixLCDscreensasexptequipment38keyboardsadjustableresistanceasimptequipment

5、.Peoplewillfindeasytohlethesystemwithcleardisplayfriendlyinterface.Keywd:oscillographFFTAudibilityofDisttion2007電子設計大賽第3頁一、方案論證與選擇一、方案論證與選擇1題目任務要求及相關指標的分析(1)題目要求儀器的輸入阻抗大于100kΩ，我們可以使用一級射級跟隨器或者同相放大器來實現(xiàn)；垂直刻度為8div，分辨率為32級div

6、，要求設置0.01Vdiv、0.1Vdiv、1Vdiv三檔垂直靈敏度，誤差≤5%，即直流檔時輸入信號電壓范圍為4V～4V，交流檔時輸入信號峰峰值范圍為0V～8V，但為了能使用0.01Vdiv和0.1Vdiv檔來清晰的觀察小信號波形，所以需要根據(jù)輸入信號的電壓幅度的大小來對其進行適當放大或縮小，以適合ADC的采樣和量化；水平刻度為10div，分辨率為20點div，要求設置0.2sdiv、0.2msdiv、20μsdiv三檔掃描速度，儀器的

7、頻率范圍為DC～50kHz，誤差≤5%，考慮極限情況，使用20μsdiv檔，采樣周期為1μs，即此時采樣頻率為1MHz，對于0.2sdiv和0.2msdiv，我們可以使用1MHz的采樣頻率，然后在下抽樣，也可以分別使用100Hz和100KHz的采樣頻率。（2）題目要求儀器具有單次觸發(fā)存儲顯示方式和連續(xù)觸發(fā)存儲顯示方式，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)，單次觸發(fā)，即每按動一次“單次觸發(fā)”鍵，儀器在滿足觸發(fā)條件時，能對被

8、測周期信號或單次非周期信號進行一次采集與存儲，然后連續(xù)顯示；連續(xù)觸發(fā)，即儀器能連續(xù)對信號進行采集、存儲并實時顯示，且具有鎖存（按“鎖存”鍵即可存儲當前波形）功能。同時要求具有水平移動擴展顯示功能，要求存儲深度增加一倍，并且能通過操作“移動”鍵顯示被存儲信號波形的任一部分。該部分要求主要軟件部分實現(xiàn)，包括波形存儲和波形簡單線性運算。（3）增加雙蹤示波功能，能同時顯示兩路被測信號波形。這就要求系統(tǒng)有兩路高速ADC對兩路信號進行采樣，或使用多

9、路復用器來實現(xiàn)通道轉換。（4）對于其它要求部分，我們計劃增加FFT頻譜分析和雙蹤信號相位測量的功能。2方案的比較與選擇（1）輸入信號采樣量化方案一：等效采樣法。使用等效采樣法的前提是被測信號是周期出現(xiàn)的，因此，為了重建原信號，可以每一個周期內(nèi)等效地等間隔地抽取少量的樣本，最后將多個周期抽取的樣本集合到同一個周期內(nèi)，這樣就可以等效成在一個被測信號周期內(nèi)采樣效果。該方案的優(yōu)點是采樣頻率不需要太高，與被采樣信號頻率相當即可，缺點是要求被測信號

10、是周期的，而且采樣過程較慢，比較耗時。方案二：同步采樣法。為了排除等效采樣的缺點，我們可以利用鎖相環(huán)將被測信號的頻率和信號采樣頻率鎖定成一定的比例關系，例如采樣頻率是被測信號的20倍頻。該方案的的優(yōu)點是采樣點與被采樣信號是嚴格同步的，便于FFT運算，進行頻譜分析，缺點是需要采樣信號頻率整數(shù)倍的時鐘信號，實際電路較為復雜，抗干擾較難處理。方案三：固定頻率采樣。根據(jù)題目要求，設定采樣頻率為1MHz、100KHz和100Hz三個固定頻率。這樣