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微型虚拟示波器的设计与实现

来源:www.ck365.cn2008.10.15阅读 2655

  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,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。

 微型虚拟示波器的设计与实现如图

 

  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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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。

 微型虚拟示波器的设计与实现如图

 

  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,那么该仪器定义为示波器CONTROL ENGINEERING China版权所有,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,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:

微型虚拟示波器的设计与实现如图

  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,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75MHzCONTROL ENGINEERING China版权所有,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80Mspswww.cechina.cn,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www.cechina.cn,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,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

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