微型虚拟示波器的设计与实现.doc

微型虚拟示波器的设计与实现微型虚拟示波器的设计与实现接触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。    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。点击看原图   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,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、×、×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,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,