接触USB总线已经有5年左右的时间了，刚接触USB时就采用了周立功代理的芯片——PDIUSBD12，该芯片为USB设备控制器，可以实现批量12Mbps的数据传输率。采用该芯片我设计了一些数据采集系统以及信号发生系统控制工程网版权所有，主要应用于虚拟测试。这里我想总结一下我以前设计实现的微型虚拟示波器，并对示波器的关键技术作一下简单总结。

　　实物展示

　　微型虚拟示波器一共设计了三版，下图是一个稳定版本。总的来说体积还是相当小的，技术指标也还可以，能和一台普通20MHz带宽的模拟示波器相媲美。

　　上图所示的板子为示波器的核心部分，还需要前向通道电路，实现阻抗匹配、信号衰减以及程控放大。上位机的测控软件基于Labview平台，软件界面如下图所示，Labview通过CLF接口访问动态链接库，从而操作硬件系统。

　　虚拟示波器的硬件部分完成信号获取，本质为一个数据采集系统。软件部分完成信号处理，定义具体仪器的功能。如果只需要显示时域波形CONTROL ENGINEERING China版权所有，那么该仪器定义为示波器，如果需要定义成频谱分析仪，那么加入频谱分析的算法环节（FFT频域变换）就可以了。

　　设计实现的微型虚拟示波器指标如下：

　　1、基于USB总线，无需外部电源，即插即测；

　　2、体积小CONTROL ENGINEERING China版权所有，80mm×65mm，普通人手掌大小；

　　3、±5V(1:1示波器探头)双极性信号输入；

　　4、×0.5、×5倍程控放大；

　　5、单/双通道可选择输入模式；

　　6、实现单通道80MHz采样率，双通道40MHz采样率；

　　7、单通道64K板载存储器，双通道32K板载存储器，并且程控调节存储容量

　　8、8位垂直数据分辨率；

　　9、外触发、程序触发等工作模式；

　　10、8级采样频率程控选择；

　　11、WDM驱动程序，适用于WINDOWS98/2000/XP操作系统；

　　12、采用DLL动态连接库与LabVIEW连接；

　　系统原理框图

　　微型虚拟示波器的系统原理框图如下所示：

　　输入信号经过无源探头进行阻抗匹配，设计的输入阻抗为1MR/20PF。匹配之后的信号经过衰减网络、前置放大通道，然后输入至双通道高速采样模块。双通道采样模块将信号采样、量化之后在CPLD的逻辑控制下直接输入至缓存，当缓存中的数据累计到一定程度之后www.cechina.cn，数据通过USB接口批量传输至PC，测控软件对信号进行处理、显示。

　　关键技术分析

　　（一）高速采样

　　双通道高速采样模块是系统的设计核心。示波器中常用的数据采集主要有如下三种：

　　1、双通道独立采样模式。在该模式中，双通道ADC对各自的通道独立采样，采样获取的数据分别存入各自的缓存空间，PC软件会显示双通道的独立信号。在这种模式下，每通道的数据采样率决定于ADC的实际能力。

　　2、双通道并行采样模式。在该模式下，双通道的ADC聚合采样同一通道的信号，两个通道的采样脉冲相位差180度，双通道获取的信号通过PC软件进行交叉聚合，输入一个通道的信号。采用并行采样的方法可以在固定ADC的采样能力的基础上提高采样率。

　　3、等效采样模式。该模式只能对周期信号进行采样，通过相移采样脉冲，采样多个周期下的信号波形，从而实现低采样率下的高速信号获取。

　　本设计实现了（1）、（2）两种采样模式，核心的采样ADC选用了TI公司提供的TLC5540，该芯片为半闪速8位高速模数转换器，最高采样率能够达到40Msps，输入信号频率带宽75MHz，内置基准点压源，在通常情况下，该芯片的功耗仅为75mW。在并行采样模式下，系统实际采样率能够达到80Msps，但是需要提供一个相差180度的采样时钟信号，为了避免逻辑门电路带来的延时，系统没有采用非门实现采样时钟，而是通过JK触发器产生两路同频反相的时钟信号。

　　（二）无源衰减网络

　　示波器的一大特点在于信号的动态范围宽，频谱范围宽。为了保证数据采集系统能够正常工作，需要对大信号进行衰减，为了使得在宽频的信号范围下，信号不产生畸变，一般采用无源阻容分压器。阻容分压器考虑输入信号的频率特性，在低频情况下直接为电阻分压比，在高频情况下，为电抗分压比。无源衰减网络本质上为一个平衡电桥，在一般的无源示波器探头中都存在一个调谐电容，调整该电容可以使得平衡电桥达到最佳补偿状态，在该状态下，信号衰减率就与频率无关了CONTROL ENGINEERING China版权所有，所以能够在一个较宽的频带范围内，实现固定的信号衰减。

　　（三）程控放大

　　无源衰减网络输出信号输入至程控放大器，程控放大器选用美国德州仪器公司生产的FET输入宽频运算放大器OPA655和日本东芝公司最新推出的微型固态继电器AQY210实现。通过DC-DC变换模块将+5V电源转换成-5V电源，作为OPA655供