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微型虛擬示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

接觸USB總線已經(jīng)有5年左右的時(shí)間了,，剛接觸USB時(shí)就采用了周立功代理的芯片——PDIUSBD12,，該芯片為USB設(shè)備控制器,，可以實(shí)現(xiàn)批量12Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率,。采用該芯片我設(shè)計(jì)了一些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及信號發(fā)生系統(tǒng)，主要應(yīng)用于虛擬測試,。這里我想總結(jié)一下我以前設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的微型虛擬示波器,，并對示波器的關(guān)鍵技術(shù)作一下簡單總結(jié)。

實(shí)物展示
微型虛擬 示波器一共設(shè)計(jì)了三版,，下圖是一個(gè)穩(wěn)定版本,。總的來說體積還是相當(dāng)小的,，技術(shù)指標(biāo)也還可以,，能和一臺普通20MHz帶寬的模擬示波器相媲美。

上圖所示的板子為示波器的核心部分,，還需要前向通道電路,，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配、信號衰減以及程控放大,。上位機(jī)的測控軟件基于Labview平臺,，軟件界面如下圖所示，Labview通過CLF接口訪問動態(tài)鏈接庫,，從而操作硬件系統(tǒng),。

虛擬示波器的硬件部分完成信號獲取,，本質(zhì)為一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。軟件部分完成信號處理，定義具體儀器的功能,。如果只需要顯示時(shí)域波形,，那么該儀器定義為示波器，如果需要定義成頻譜分析儀,，那么加入頻譜分析的算法環(huán)節(jié)（FFT頻域變換）就可以了,。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的微型虛擬示波器指標(biāo)如下：

<!--[if !supportLists]-->1、基于USB總線,，無需外部電源,，即插即測；

<!--[if !supportLists]-->2,、體積小,，80mm×65mm,，普通人手掌大小,；

<!--[if !supportLists]-->3,、<!--[endif]-->±5V(1:1示波器探頭)雙極性信號輸入；

<!--[if !supportLists]-->4,、 <!--[endif]-->×0.5,、×5倍程控放大；

<!--[if !supportLists]-->5,、 <!--[endif]-->單/雙通道可選擇輸入模式,；

<!--[if !supportLists]-->6、 <!--[endif]-->實(shí)現(xiàn)單通道80MHz采樣率,，雙通道40MHz采樣率,；

<!--[if !supportLists]-->7、單通道64K板載存儲器,，雙通道32K板載存儲器,，并且程控調(diào)節(jié)存儲容量

<!--[if !supportLists]-->8、8位垂直數(shù)據(jù)分辨率,；

<!--[if !supportLists]-->9,、外觸發(fā)、程序觸發(fā)等工作模式,；

<!--[if !supportLists]-->10,、 <!--[endif]-->8級采樣頻率程控選擇；

<!--[if !supportLists]-->11,、WDM驅(qū)動程序,，適用于WINDOWS98/2000/XP操作系統(tǒng)；

<!--[if !supportLists]-->12,、采用DLL動態(tài)連接庫與LabVIEW連接,；

系統(tǒng)原理框圖
微型虛擬示波器的系統(tǒng)原理框圖如下所示：

輸入信號經(jīng)過無源探頭進(jìn)行阻抗匹配，設(shè)計(jì)的輸入阻抗為1MR/20PF,。匹配之后的信號經(jīng)過衰減網(wǎng)絡(luò),、前置放大通道，然后輸入至雙通道高速采樣模塊,。雙通道采樣模塊將信號采樣,、量化之后在CPLD的邏輯控制下直接輸入至緩存，當(dāng)緩存中的數(shù)據(jù)累計(jì)到一定程度之后,，數(shù)據(jù)通過USB接口批量傳輸至PC,，測控軟件對信號進(jìn)行處理、顯示。

關(guān)鍵技術(shù)分析
（一）高速采樣

雙通道高速采樣模塊是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心,。示波器中常用的數(shù)據(jù)采集主要有如下三種：

<!--[if !supportLists]-->1,、 <!--[endif]-->雙通道獨(dú)立采樣模式。在該模式中,，雙通道ADC對各自的通道獨(dú)立采樣,，采樣獲取的數(shù)據(jù)分別存入各自的緩存空間，PC軟件會顯示雙通道的獨(dú)立信號,。在這種模式下,，每通道的數(shù)據(jù)采樣率決定于ADC的實(shí)際能力。

<!--[if !supportLists]-->2,、 <!--[endif]-->雙通道并行采樣模式,。在該模式下，雙通道的ADC聚合采樣同一通道的信號,，兩個(gè)通道的采樣脈沖相位差180度,，雙通道獲取的信號通過PC軟件進(jìn)行交叉聚合，輸入一個(gè)通道的信號,。采用并行采樣的方法可以在固定ADC的采樣能力的基礎(chǔ)上提高采樣率,。

<!--[if !supportLists]-->3、 <!--[endif]-->等效采樣模式,。該模式只能對周期信號進(jìn)行采樣,，通過相移采樣脈沖，采樣多個(gè)周期下的信號波形,，從而實(shí)現(xiàn)低采樣率下的高速信號獲取,。

　　本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了（1）、（2）兩種采樣模式,，核心的采樣ADC選用了TI公司提供的TLC5540,，該芯片為半閃速8位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高采樣率能夠達(dá)到40Msps,，輸入信號頻率帶寬75MHz,，內(nèi)置基準(zhǔn)點(diǎn)壓源，在通常情況下,，該芯片的功耗僅為75mW,。在并行采樣模式下，系統(tǒng)實(shí)際采樣率能夠達(dá)到80Msps,，但是需要提供一個(gè)相差180度的采樣時(shí)鐘信號，為了避免邏輯門電路帶來的延時(shí),，系統(tǒng)沒有采用非門實(shí)現(xiàn)采樣時(shí)鐘,，而是通過JK觸發(fā)器產(chǎn)生兩路同頻反相的時(shí)鐘信號。

（二）無源衰減網(wǎng)絡(luò)

示波器的一大特點(diǎn)在于信號的動態(tài)范圍寬，頻譜范圍寬,。為了保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠正常工作,，需要對大信號進(jìn)行衰減，為了使得在寬頻的信號范圍下,，信號不產(chǎn)生畸變,，一般采用無源阻容分壓器。阻容分壓器考慮輸入信號的頻率特性,，在低頻情況下直接為電阻分壓比,，在高頻情況下，為電抗分壓比,。無源衰減網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上為一個(gè)平衡電橋,，在一般的無源示波器探頭中都存在一個(gè)調(diào)諧電容，調(diào)整該電容可以使得平衡電橋達(dá)到最佳補(bǔ)償狀態(tài),，在該狀態(tài)下,，信號衰減率就與頻率無關(guān)了，所以能夠在一個(gè)較寬的頻帶范圍內(nèi),，實(shí)現(xiàn)固定的信號衰減,。

（三）程控放大

無源衰減網(wǎng)絡(luò)輸出信號輸入至程控放大器，程控放大器選用美國德州儀器公司生產(chǎn)的FET輸入寬頻運(yùn)算放大器OPA655和日本東芝公司最新推出的微型固態(tài)繼電器AQY210實(shí)現(xiàn),。通過DC-DC變換模塊將+5V電源轉(zhuǎn)換成-5V電源,，作為OPA655供電電源。OPA655是美國德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的FET輸入高阻寬帶運(yùn)放,，常用作寬頻光電檢測放大器,，測試測量儀器前置放大器。

（四）存儲系統(tǒng)

在示波器技術(shù)中,，存儲技術(shù)起到了關(guān)鍵作用,，往往也是系統(tǒng)的瓶頸所在，所以目前商用示波器系統(tǒng)中存儲芯片往往都要示波器廠商自己設(shè)計(jì),。由于本設(shè)計(jì)的采樣頻率不是很高,，所以可以采用IS61C256靜態(tài)RAM作為存儲介質(zhì)，另外通過CPLD中的邏輯電路完成存儲的時(shí)序接口,。

（五）USB通信接口

USB通信接口采用了D12+AT89S52的設(shè)計(jì)方案,，該方案可以實(shí)現(xiàn)12Mbps的批量數(shù)據(jù)傳輸。批量傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包最大能夠達(dá)到64字節(jié),。Usb通信接口的設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)固件程序,、驅(qū)動程序以及應(yīng)用程序所需的DLL動態(tài)鏈接庫。對于虛擬示波器,，USB1.1標(biāo)準(zhǔn)的接口性能偏低,，目前可以考慮USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的接口，通信速率能夠達(dá)到480Mbps。（USB設(shè)計(jì)資料：Tiloog’s blog for technology提供了USB固件源碼,，另外,，computer00也提供了很多關(guān)于usb的設(shè)計(jì)案例及資料）

示波器設(shè)計(jì)心得

該微型虛擬示波器已經(jīng)設(shè)計(jì)多年了，設(shè)計(jì)之初考慮較多的是通信接口,、數(shù)據(jù)采集以及前向通道,。特別是通信接口是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)USB通信設(shè)計(jì)還是特別熱門的事情,，不容易將USB通信搞通,。數(shù)據(jù)采集也有一定的挑戰(zhàn)性，因?yàn)椴蓸勇市枰_(dá)到80Msps,，另一個(gè)有難度的就是前向通道,，但是，設(shè)計(jì)之初沒有對前向通道投入足夠的時(shí)間,，只是做了簡單設(shè)計(jì),，所以，從嚴(yán)格意義上講,，該系統(tǒng)還不能稱之為“示波器”,。

從我目前的認(rèn)識來講，示波器設(shè)計(jì)的核心在于前向通道,、模數(shù)轉(zhuǎn)換這兩塊,，對于單臺儀器來講通信接口問題不是很大（集成系統(tǒng)的通信接口另當(dāng)別論）。前向通道的信號放大,、衰減電路都非常重要,，特別是當(dāng)今的示波器通道帶寬已經(jīng)達(dá)到10GHz以上的水平，所以,，前向通道面臨著大動態(tài)范圍,、寬頻的挑戰(zhàn)，這是示波器設(shè)計(jì)的核心,。模數(shù)采集也十分重要,，隨著頻率的提升，對模數(shù)轉(zhuǎn)換提出了更高的采樣率需求,，當(dāng)輸入信號在10GHz量級時(shí),，采樣率需要達(dá)到20GHz以