微型虛擬示波器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

　　接觸USB總線已經(jīng)有5年左右的時間了，剛接觸USB時就采用了周立功代理的芯片——PDIUSBD12，該芯片為USB設(shè)備控制器，可以實(shí)現(xiàn)批量12Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率。采用該芯片我設(shè)計了一些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及信號發(fā)生系統(tǒng)，主要應(yīng)用于虛擬測試。這里我想總結(jié)一下我以前設(shè)計實(shí)現(xiàn)的微型虛擬示波器，并對示波器的關(guān)鍵技術(shù)作一下簡單總結(jié)。

　　實(shí)物展示

　　微型虛擬示波器一共設(shè)計了三版，下圖是一個穩(wěn)定版本?？偟膩碚f體積還是相當(dāng)小的，技術(shù)指標(biāo)也還可以，能和一臺普通20MHz帶寬的模擬示波器相媲美。

　　上圖所示的板子為示波器的核心部分，還需要前向通道電路，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配、信號衰減以及程控放大。上位機(jī)的測控軟件基于Labview平臺，軟件界面如下圖所示，Labview通過CLF接口訪問動態(tài)鏈接庫，從而操作硬件系統(tǒng)。

點(diǎn)擊看原圖

　　虛擬示波器的硬件部分完成信號獲取，本質(zhì)為一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。軟件部分完成信號處理，定義具體儀器的功能。如果只需要顯示時域波形，那么該儀器定義為示波器，如果需要定義成頻譜分析儀，那么加入頻譜分析的算法環(huán)節(jié)（FFT頻域變換）就可以了。

　　設(shè)計實(shí)現(xiàn)的微型虛擬示波器指標(biāo)如下：

　　1、基于USB總線，無需外部電源，即插即測；

　　2、體積小，80mm×65mm，普通人手掌大??；

　　3、±5V(1:1示波器探頭)雙極性信號輸入；

　　4、×0.5、×5倍程控放大；

　　5、單/雙通道可選擇輸入模式；

　　6、實(shí)現(xiàn)單通道80MHz采樣率，雙通道40MHz采樣率；

　　7、單通道64K板載存儲器，雙通道32K板載存儲器，并且程控調(diào)節(jié)存儲容量

　　8、8位垂直數(shù)據(jù)分辨率；

　　9、外觸發(fā)、程序觸發(fā)等工作模式；

　　10、8級采樣頻率程控選擇；

　　11、WDM驅(qū)動程序，適用于WINDOWS98/2000/XP操作系統(tǒng)；

　　12、采用DLL動態(tài)連接庫與LabVIEW連接；

　　系統(tǒng)原理框圖

　　微型虛擬示波器的系統(tǒng)原理框圖如下所示：

　　輸入信號經(jīng)過無源探頭進(jìn)行阻抗匹配，設(shè)計的輸入阻抗為1MR/20PF。匹配之后的信號經(jīng)過衰減網(wǎng)絡(luò)、前置放大通道，然后輸入至雙通道高速采樣模塊。雙通道采樣模塊將信號采樣、量化之后在CPLD的邏輯控制下直接輸入至緩存，當(dāng)緩存中的數(shù)據(jù)累計到一定程度之后，數(shù)據(jù)通過USB接口批量傳輸至PC，測控軟件對信號進(jìn)行處理、顯示。

　　關(guān)鍵技術(shù)分析

　　（一）高速采樣

　　雙通道高速采樣模塊是系統(tǒng)的設(shè)計核心。示波器中常用的數(shù)據(jù)采集主要有如下三種：

　　1、雙通道獨(dú)立采樣模式。在該模式中，雙通道ADC對各自的通道獨(dú)立采樣，采樣獲取的數(shù)據(jù)分別存入各自的緩存空間，PC軟件會顯示雙通道的獨(dú)立信號。在這種模式下，每通道的數(shù)據(jù)采樣率決定于ADC的實(shí)際能力。

　　2、雙通道并行采樣模式。在該模式下，雙通道的ADC聚合采樣同一通道的信號，兩個通道的采樣脈沖相位差180度，雙通道獲取的信號通過PC軟件進(jìn)行交叉聚合，輸入一個通道的信號。采用并行采樣的方法可以在固定ADC的采樣能力的基礎(chǔ)上提高采樣率。

　　3、等效采樣模式。該模式只能對周期信號進(jìn)行采樣，通過相移采樣脈沖，采樣多個周期下的信號波形，從而實(shí)現(xiàn)低采樣率下的高速信號獲取。

　　本設(shè)計實(shí)現(xiàn)了（1）、（2）兩種采樣模式，核心的采樣ADC選用了TI公司提供的TLC5540，該芯片為半閃速8位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高采樣率能夠達(dá)到40Msps，輸入信號頻率帶寬75MHz，內(nèi)置基準(zhǔn)點(diǎn)壓源，在通常情況下，該芯片的功耗僅為75mW。在并行采樣模式下，系統(tǒng)實(shí)際采樣率能夠達(dá)到80Msps，但是需要提供一個相差180度的采樣時鐘信號，為了避免邏輯門電路帶來的延時，系統(tǒng)沒有采用非門實(shí)現(xiàn)采樣時鐘，而是通過JK觸發(fā)器產(chǎn)生兩路同頻反相的時鐘信號。

　　（二）無源衰減網(wǎng)絡(luò)

　　示波器的一大特點(diǎn)在于信號的動態(tài)范圍寬，頻譜范圍寬。為了保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠正常工作，需要對大信號進(jìn)行衰減，為了使得在寬頻的信號范圍下，信號不產(chǎn)生畸變，一般采用無源阻容分壓器。阻容分壓器考慮輸入信號的頻率特性，在低頻情況下直接為電阻分壓比，在高頻情況下，為電抗分壓比。無源衰減網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上為一個平衡電橋，在一般的無源示波器探頭中都存在一個調(diào)諧電容，調(diào)整該電容可以使得平衡電橋達(dá)到最佳補(bǔ)償狀態(tài)，在該狀態(tài)下，信號衰減率就與頻率無關(guān)了，所以能夠在一個較寬的頻帶范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)固定的信號衰減。

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　　無源衰減網(wǎng)絡(luò)輸出信號輸入至程控放大器，程控放大器選用美國德州儀器公司生產(chǎn)的FET輸入寬頻運(yùn)算放大器OPA655和日本東芝公司最新推出的微型固態(tài)繼電器AQY210實(shí)現(xiàn)。通過DC-DC變換模塊將+5V電源轉(zhuǎn)換成-5V電源，作為OPA655供電電源。OPA655是美國德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的FET輸入高阻寬帶運(yùn)放，常用作寬頻光電檢測放大器，測試測量儀器前置放大器。

　?。ㄋ模┐鎯ο到y(tǒng)

　　在示波器技術(shù)中，存儲技術(shù)起到了關(guān)鍵作用，往往也是系統(tǒng)的瓶頸所在，所以目前商用示波器系統(tǒng)中存儲芯片往往都要示波器廠商自己設(shè)計。由于本設(shè)計的采樣頻率不是很高，所以可以采用IS61C256靜態(tài)RAM作為存儲介質(zhì)，另外通過CPLD中的邏輯電路完成存儲的時序接口。

　?。ㄎ澹︰SB通信接口

　　USB通信接口采用了D12+AT89S52的設(shè)計方案，該方案可以實(shí)現(xiàn)12Mbps的批量數(shù)據(jù)傳輸。批量傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包最大能夠達(dá)到64字節(jié)。Usb通信接口的設(shè)計需要設(shè)計固件程序、驅(qū)動程序以及應(yīng)用程序所需的DLL動態(tài)鏈接庫。對于虛擬示波器，USB1.1標(biāo)準(zhǔn)的接口性能偏低，目前可以考慮USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的接口，通信速率能夠達(dá)到480Mbps。（USB設(shè)計資料：Tiloog’s blog for technology提供了USB固件源碼，另外，computer00也提供了很多關(guān)于usb的設(shè)計案例及資料）

　　示波器設(shè)計心得

　　該微型虛擬示波器已經(jīng)設(shè)計多年了，設(shè)計之初考慮較多的是通信接口、數(shù)據(jù)采集以及前向通道。特別是通信接口是設(shè)計的重點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)時USB通信設(shè)計還是特別熱門的事情，不容易將USB通信搞通。數(shù)據(jù)采集也有一定的挑戰(zhàn)性，因?yàn)椴蓸勇市枰_(dá)到80Msps，另一個有難度的就是前向通道，但是，設(shè)計之初沒有對前向通道投入足夠的時間，只是做了簡單設(shè)計，所以，從嚴(yán)格意義上講，該系統(tǒng)還不能稱之為“示波器”。

　　從我目前的認(rèn)識來講，示波器設(shè)計的核心在于前向通道、模數(shù)轉(zhuǎn)換這兩塊，對于單臺儀器來講通信接口問題不是很大（集成系統(tǒng)的通信接口另當(dāng)別論）。前向通道的信號放大、衰減電路都非常重要，特別是當(dāng)今的示波器通道帶寬已經(jīng)達(dá)到10GHz以上的水平，所以，前向通道面臨著大動態(tài)范圍、寬頻的挑戰(zhàn)，這是示波器設(shè)計的核心。模數(shù)采集也十分重要，隨著頻率的提升，對模數(shù)轉(zhuǎn)換提出了更高的采樣率需求，當(dāng)輸入信號在10GHz量級時，采樣率需要達(dá)到20GHz以上，所以模數(shù)轉(zhuǎn)換器是示波器的核心器件，另外，高速采樣必然需要大容量高速存儲，所以對存儲器的訪問延遲、訪問帶寬提出了更高的要求。硬件都不是理想的，多多少少都會存在失真，都會存在非線性，所以示波器通常需要各種各樣的補(bǔ)償，在示波器技術(shù)中，目前應(yīng)用最多的是采用DSP技術(shù)進(jìn)行頻域、時域的補(bǔ)償。通過補(bǔ)償，可以拓寬前向通道的帶寬，通過校正可以濾除寬帶引入的隨機(jī)噪聲。所以，DSP技術(shù)在示波器領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，給示波器帶來了實(shí)實(shí)在在的實(shí)惠。

　　五年前，當(dāng)我聽說某位老先生為示波器的研制投入了一輩子，我會扼腕痛惜：為什么這樣的東西還需要投入一輩子的精力去搞，這有什么搞頭？后來我才明白，示波器技術(shù)博大精深，不投入一輩子的時間是搞不定的，她本質(zhì)上就是一門通用信號提取的科學(xué)，這就是我對示波器的理解。