数字存储示波器的研究与设计
数字存储示波器的研究与设计
张元良武举
大连理工大学机械学院大连 116023
摘要：随着科学技术的发展，数字存储示波器作为常用的检测工具，将取代模拟示波器。其广泛应用，为该类仪器的国产化提出了紧迫的要求。本文详细介绍了数字存储示波器的原理及其技术特点，并讨论了一种以单片机和可编程逻辑器件为控制核心的设计方案，同时给出了系统硬件和软件设计的结构及思路。
关键词：数字存储示波器CPLD 单片机
中图分类号：TP368
Digital Storage Oscilloscope’s Research and Design
Zhang Yuanliang Wu Ju
School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023 ABSTRACT: With the development of science and technology, the DSO(Digital Storage Oscilloscope), as a common instrument, will replace Analog Oscilloscope. At the mean time, the growing domestic requirement of DSO has urged researching tasking in this area. The DSO’s theory and technique characteristic are introduced. A design based on chip microcomputer and CPLD is discussed, and the hardware-software design frame and thought are given.
Key words: Digital storage oscilloscope CPLD Chip microcomputer
传统的模拟示波器不能存储波形，体积过于笨重，而且耗电大、不方便携带以进行现场测试，已越来越不能满足人们的需要。数字存储示波器具有传统的模拟示波器无法比拟的优点，它能直接测量信号的幅度、频率等许多基本参数，不仅具有基本的波形显示功能，还有相当强的数据处理能力。
数字示波器在科学研究和工程设计中得到越来越广泛地应用，大有全面取代模拟示波器之势。但是目前数字示波器的研究在国内尚属起步阶段，数字示波器在我国还主要依赖进口，价格昂贵，这阻碍了我国电子及相关行业的发展。本文对于提高国产数字示波器的水平进行了一次有益的尝试。
1 数字存储示波器的基本原理及其技术特点
1.1 数字存储示波器的基本原理
图1 数字存储示波器原理图
数字存储示波器基于取样原理，利用A/D转换技术和数字存储技术，能迅速捕捉瞬变信号并长期保存。它首先对模拟信号进行高速采样获得相应的数字数据并存储，存储器中储存的数据用来
在示波器的屏幕上重建信号波形；然后它利用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算，从而获得所需要的各种信号参数；最后，它根据得到的信号参数绘制信号波形，并可以对被测信号进行实时的、瞬态的分析，以方便用户了解信号质量，快速准确地进行故障的诊断。上图为数字存储示波器的基本方框图[1]。
1.2数字存储示波器的技术特点
由于数字电子技术的引入，与传统的模拟示波器相比，数字存储示波器有其非常突出的特点[2]：1） 观测周期的、非周期的、单次的和超低频的信号
对单次脉冲以及低频重复频率的信号测量方便，在观察缓慢信号时无闪烁现象。
2）有丰富的触发功能
数字示波器最大的优点就是具有先进的触发功能，从而使示波器的应用更得心应手。值得一提的是数字存储示波器具有预触发能力，克服了普通示波器只能观测触发点以后的波形的缺点，特别有利于分析故障产生的原因。
3） 使用简单
数字示波器大部分具有自动测量功能，对使用者非常方便，可以方便的对各种参数进行自动测量。还可以将前面板设置情况存入断电不丢失的存储器中，每次开机仍保留原来设置，简化了操作过程。
4） 多种灵活的显示方式
数字示波器有存储显示和滚动显示等多种显示方式。存储显示是指以稳定不闪烁地显示所存储的瞬变信号，同时显示的波形还可以扩展移动。滚动显示时，示波管屏幕上的波形连续不断地从屏幕右边进入，从屏幕左边移出，因此可以观测整个波形的全貌。
5）便于波形数据分析处理
带有微处理器的数字存储示波器，可以编程，进行自动程控操作，同时对信号还可以进行信息处理。也可以方便地通过通讯接口将信号送到打印机或送到计算机，进行更复杂的数据运算、分析和处理。
2 系统的硬件设计
根据数字存储示波器的基本原理，本文提出的设计方案如下图所示。方案的基本思路是先对被测波形进行A/D转换，然后将转换后的数字量进行存储，取样结束后，系统从RAM中读取波形信息。波形的显示主要是通过将数字量转换成液晶显示屏上的点的坐标来实现的。
该方案的最大特点是采用CPU＋CPLD的系统结构，该结构能够最大地发挥CPU芯片和CPLD 器件的长处。特别是在实时信号处理系统中，底层的信号预处理算法处理的数据量大，对处理速度的要求很高，但运算结构相对比较简单，适用于CPLD进行硬件实现，这样能同时兼顾速度及灵活性。高层处理算法的特点是算法的控制结构比较复杂，适用于运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的CPU芯片来实现。
被
图2 系统硬件功能框图
由图2我们可以看出，系统电路按功能模块可分为以下几部分：前端信号调理电路部分、信号的采样存储及其控制部分、数据处理和波形显示部分和通讯接口部分等。
2.1 数据采集存储及其控制模块
数据采集与存储电路的功能是将模拟信号高速数字化，并将之存储于存储器中。该模块的控制核心是由CPLD芯片MAX7128s构成的时基电路。
本文主要采用实时采样方式，根据带宽和速度的要求采用的模数转换器是美国德州仪器生产的TLC5540，它最高转换速率达到每秒40M字节。本系统的数据存储及读取是由不同的芯片控制的，这就牵涉到一个寻址的问题。美国IDT公司推出的芯片IDT7203具有双端口输入输出、采集传送速度快、先进现出和结构简单的特点，非常适合高速数据传输的要求。
数字存储示波器中，数据的采集与存储是由CPLD芯片MAX7128控制的。它包含了本系统的时基电路部分。时基电路是数字存储示波器控制电路的重要组成部分，为AD转换器提供了采样时钟，也为FIFO提供了读写控制信号。所有数字存储示波器中，都有一个准确度高、稳定性好的晶体振荡器，经过分频组合，产生符合“t/div”开关要求的写脉冲，去控制A/D变换器和存储器的写入。分频电路作为时基电路的核心部分，其结构如下图所示，由VHDL语言实现。
串行移位寄存器锁存器计数器
图3 时基分频电路框图
该分频电路由移位寄存器、锁存器和计数器组成。首先，系统根据用户设定时基的大小，计算分频器所需的加载值，然后由单片机将该值打入串行移位寄存器，经锁存器锁存，加载到计数器的预置加载端，即可实现分频。
2.2 数据处理及显示模块
该模块主要完成的功能有读取数据、二进制数据到坐标的转换、液晶显示以及对键盘的输入控制。这些功能主要由单片机W77E58来完成。
W77E58是Winbond于近年推出的8位快速与8051完全兼容的单片机。它的处理器内核经过了重新设计，去除了不必要的时钟和存储周期，因此它执行每条8051指令都比相同振荡频率下的传统8051快。通常，W77E58的指令执行时间比传统8051快1.5～3倍，平均快2.5倍左右[3]。
本设计采用LCD显示器作为显示屏。LCD显示代替CRT显示是纯数字化的突出表现。CRT的偏转系统电路复杂而且体积庞大，所以模拟示波器很难做到小体积，同时CRT显示汉字也比较困难。如果改用LCD作为显示屏，不仅可以充分发挥数字信号系统的便捷，而且示波器的体积可以做的很小，功耗很低，满足了系统便携式的要求，对野外作业很有好处。
3 系统的软件设计
软件整体结构如图4所示，包括上电初始化程序、主循环和中断处理程序三大部分。系统初始化后程序运行在主循环中，不断进行数据采集、处理、显示和再采集。键盘电路工作在中断模式。当有键盘按下时，程序进入键盘中断服务程序响应用户的操作并设置状态标志。主循环根据响应的状态标志决定数据处理方式和显示方式。
由于数据采集的工作主要由CPLD芯片来完成，因此，单片机的主要工作是负责波形的显示。在点阵液晶控制器上显示波形一般有两种方法：阴影发和连线发。所谓阴影法就是将波形的幅值以一条线显示，该条线的高度反应信号的幅值，当多点数据均以线的形式显示时，在屏幕上将形成反映信号形状的阴影。它的特点是波形显示的对比度比较高，适合在光线较暗的场合。所谓连线法就是根据信号的幅值在屏幕上的相应位置打点，使之成为一幅连续的波形，它的对比度不高，在光线较亮或者具有背光功能的显示器上比较适用[4]。
图4 系统主程序框图
4 结束语
这种基于CPLD＋CPU的数字存储示波器可以稳定、清晰地显示波形，便于捕获和显示那些单次事件。利用该示波器的通讯功能，可以与外部计算机相连以进行更为复杂的数据运算、分析和处理，为工业现场应用和科学研究提供了很大方便。
参考文献
[1] 赵中义. 示波器的原理、维修与检定. 北京：电子工业出版社，1990
[2] 孙建凤. 数字存储示波器的原理、特点及发展动态. 宇航计测技术. 1996（12）:52-61
[3] Winbond Electronics Corp. W77E58 8-BIT MICROCONTROLLER DATASHEET. Taiwan. Winbond Electronics Corp，2001
[4] 林宵舸. 点阵液晶显示器用于数字记忆示波器的显示方法. 宇航计测技术. 1994（3）:20-23
作者简介：
第一作者：张元良
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