简易数字示波器.ppt
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1、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 ),二 要求,(1) 信号频率: DC50kHz, Ri100k ; (2) 垂直: 32级/div, 水平20点/div, 屏幕面积 810 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,20s/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。,1. 基本要求,赛题任务书,赛题任务书要求
2、,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。,赛题任务书,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,简易数字存储示波器设计 (解析),(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 s/div; 垂直灵敏度0.1V/div, 1V/div, 0.01V/div, 连续、移动扩展、
3、双踪。 要具有控制功能 1.控制器 2. 人机接口,1. 对赛题要求的分析,(3)简易DSO组成框图,1. 对赛题要求的分析,Y通道包括前向通道和后向通道,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DC50kHz,样点直接恢复方式为20点/周期,采速高达1000kHz(1 s),A/D转换速率1Ms/s 采用实时采样方式,* 对控制器的要求 采集速率: 高达1000kHz(1 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
4、 CPLD (2) MUC (3) MUC+CPLD,2. 方案讨论,2.2 控制器的选择,选择方案(3) MUC和CPLD 控制器框图:,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%,2. 方案讨论,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
5、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。,3. 部分电路设计及模拟,1)输入电路 * 要求: Ri100k,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。,* 输入电路,3. 部分电路设计及模拟,* 取R 100k * 运算放大器LF353 初步核算: 输入电阻 Ri =R/ Ri R 100k; 输入端噪声电压 3.6nV, 而最高灵敏度时的测量分辨力为 312V, 3.6nV 312V,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, 0.8
6、V, 0.08 增益 0 . 25, 2 . 5, 25 (由程控实现) * 电路图,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,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,3. 部分电路设计及模拟,* 抗混迭滤波器电路,* 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.,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
7、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。,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),3. 部分电路设计及模拟,结果 -3dB带宽80kHz50kHz 满足设计要求,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,3. 部分电路设计及模拟,选择方法二,7)触发电路 * 要求: 内触发、正沿、触发电平可以调节; *
8、电路,3. 部分电路设计及模拟,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( )。,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 s/div 1 s/点 1 Ms/s (2)量化位数 32级/div 8=256级/8div 256=28 8bit 量化误差 1LSB=1/28 0.4% (3)输入幅度 +( 0-2)V 选择:TLC5510,3. 部分电路设计及模拟,关于TLC5510 内含S/H; 为半闪烁结构(flash) ,两个4bit并行A/
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