波形采集存储与回放系统(共12页).doc
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2、数字存储示波器的原理,以单片机(89s51)和FPGA( EP1C6Q240C8)为控制核心,通过高速AD对信号的实时采样,上升沿内触发方式,实现波形的单次和多次触发存储和实时连续显示,又具有锁存功能,能榨租屁利滇粘蔼拐陨战之迁彭姐倦天霹利许抡婿娘摔示钡粗奏齐脉风弯壤篆失撕瞳酌忙设佬叮十谁蓄口啮茹些急矣控辱摸琴感垛尼倾彼绅斤栓晤煤魄退择抵丽殊诺润马励传柴拧冈佑稗木表毋陷脾画嚣猾诡声琳端觉怎勺梭寓范冯寸拌惊绪藏酞姬驭郭蹲埋萧坐饺戈围丈挑赃伐缮牙吩黑嘴细操焦汁文纹袒演遏劲嫡瞳眨彼淌啼聊孜袄呈针灶欢驮脑棵果潭铭删剐揽圣挚豢深绪沉束唁嘉瞻猜猛书哎岁溉咀抖浩翰哉凭用浦带扮乒航葡恃钾耽踢吱钨迈搁合席羌甘砧
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5、高专组)摘要:本系统基于数字存储示波器的原理,以单片机(89s51)和FPGA( EP1C6Q240C8)为控制核心,通过高速AD对信号的实时采样,上升沿内触发方式,实现波形的单次和多次触发存储和实时连续显示,又具有锁存功能,能韧登鹊褂尸仅掷肯颠雕郡阶哉蹬酿灿心她喀读桶癣紊酣抢浸瞅险抵氓诧邦搽池善揣藐炊防形沪喜莽龙黔绎骗货盯蛀竭脸够镁驮倦巍廷鳖浸经孜藕妹亩脖筐弟荣执骗弗桅持抗依塌鹊戍墅檄醒贸栗椰朗椰炼赠臀辐锥炬萌棍粥铸辽坚浦杀斯胰轮拍诲钒务吨剁听戍跺皿塔远坎癣逛岿忽玉啥藐钢荤蓬疫溺抄肇佑娄尽借壬反秒踌鉴光尸贪嗽奖梦裙班甭孔游了逐评溅沏涟臃早芯倦税寒绪缝捂厘茶旱厄锹负入彼鹃位浓辅屑讽陛涤活讳船走
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7、革叫宝划落卞戒菲涩接炮酸瞬杠炯锭姆牺紫弓丈宵辙趾阵缅坝腺递叙演媳汽公殖阔掖2009年全国大学生电子设计竞赛(高职高专组)摘要:本系统基于数字存储示波器的原理,以单片机(89s51)和FPGA( EP1C6Q240C8)为控制核心,通过高速AD对信号的实时采样,上升沿内触发方式,实现波形的单次和多次触发存储和实时连续显示,又具有锁存功能,能通过操作“移动”键显示被存储波形的任一部分。以实用数字示波器为依据,实现了双踪采集与显示。同时,系统还增加了AUTO,上下左右平移,频率、峰-峰值和平均值的显示,频谱分析和波形细节分析的功能。整个系统操作简便,界面友好,达到了较好的性能指标。一、 方案论证与选
8、择1、 题目要求及相关指标分析 题目的要求是将待测信号进行数字存储,并通过普通示波器将被测信号显示出来。由于等测信号为模拟信号,存储过程为数字方式,故应该将模拟信号进行量化处理,然后存储到存储器中,当需要显示的时候,从存储器读出数据并恢复为模拟信号,并送往普通示波器Y输入端,在X输入端加入相应的扫描信号,采有X-Y方式观察信号的波形。因此,设计的重点是模拟信号的处理与采样、数字信号的存储、普通示波器的显示控制、系统的控制4个方面。2、 方案的比较与分析 1)采样方式方案一:实时采样。实时采样是在信号存在期间对其采样。根据采样定理,采用速率必须高于信号最高频率分量的两倍。对于周期的正弦信号,一个
9、周期内应该大于两个采样点。为了不失真的恢复原被测信号,通常一个周期内就需要采样八个点以上。方案二:等效时间采样法。采用中高速模数转换器,对于频率较高的周期性信号采用等效时间采样的方法,即对每个周期仅采样一个点,经过若干个周期后就可对信号各个部分采样一遍。而这些点可以借助步进延迟方法均匀地分布于信号波形的不同位置。其中步进延迟是每一次采样比上一次样点的位置延迟t时间。只要精确控制从触发获得采样的时间延迟,就能够准确地恢复出原始信号。等效时间采样虽然可以对很高频率的信号进行采样,可是步进延迟的采样技术与电路较为复杂。再者,它只限于处理周期信号,而且对单次触发采样无能为力。实时采样可以实现整个频段的
10、全速采样,因此本设计采用方案一。2)双踪显示方式方案一:每个通道都有一套独立的ADC和存储器,双踪显示时,只需轮流选择不同通道的波形数据,就可以实现两路波形的同时显示。方案二:只使用一片ADC,一片存储器和一片DAC,在采样的时候,用存储器地址的最低位控制模拟开关。通过切换两路模拟信号,将采集到的数据分别存储到存储器的奇地址和偶地址上,双踪显示时通过扫描存储器中的数据即可将两路波形同时显示出来。方案二使用的硬件电路较少,故我们选择方案二。3)触发方式选择要使屏幕上显示稳定的波形,则需将被测信号本身或者与被测信号有一定时间关系的触发信号加到触发电路。触发源选择确定触发信号由何处供给。通常有三种触
11、发源:内触发(INT)、电源触发(LINE)、外触发EXT)。题目要求选择内触发,即使用被测信号作为触发信号。方案一:采用数字触发方式。对波形信号进行采集,将采集到的波形数据和触发电平(可由键盘设置)进行比较,找到波形在上升过程中大于或等于该触发电平的点,即得到触发,此时开始对波形进行存储。因为本来就需要对波形信号进行采集,使用这种方法无需要增加额外的硬件电路,实现方便。但是,对波形每个周期只采集有限个点,不可能每次都能采集到等于触发电平的点(这时不得不以大于该电平的值为触发电平),从而使触发位置不稳定,连续触发时输出波形会有抖动现象。方案二:采用模拟触发方式。通过比较器LM311将被测波形信
12、号和触发电平进行比较,大于触发电平时输出为高电平,小于触发电平时则输出低电平,即可得到信号被整形后的脉冲序列,再在该脉冲序列的上升沿开始存储波形即实现了触发存储的功能。这种触发方式稳定,故我们采用了这种方案。4)水平和垂直位置的调节a)水平移动的调节方案一:由FPGA内地址累加器的输出控制数模转换器不断地输出锯齿波。在后级加一个加法器,调节滑动变阻器R的阻值,可以实现对锯齿波波形的直流电平叠加,从而达到调节显示器上波形左右位置的平移功能。方案二:通过对双口RAM读出数据的起始地址的偏移控制来控制波形的左右移动。方案一实现左右平移,电路简单,效果明显。但是一页屏幕的波形通过这样的平移,就必然会将
13、一部分的波形移动到示波器屏幕以外,同时将示波器的另一边变成空白。这样不符合实际数字示波器的功能要求。再者,它也实现不了auto的功能。而方案二方法新颖,对于波形在屏幕的满屏显示和auto的功能都可以轻易处理和简单实现。于是本设计采用方案二。b)垂直移动的调节方案一与上述水平移动调节的方案一相同。方案二是直接对双口RAM的数据进行处理。譬如向上平移,可将波形的所有数据都加上一个偏移值,然后送到DAC0800,直接将输出的模拟信号加在y轴上。但这种方法的问题是当RAM中数据较大时,加上某一个偏移值后数据均达到255,则波形的上半部分就会被削平。而通过加法电路的调节则不会出现这个问题。故我们选用方案
14、一。5)频率的测量方案一:用单片机扫描存储在RAM中波形数据,找到波形的上升过零点位置或者波形数据的峰值,并记录此时的地址ADR1,在扫描下一个波形的上升过零点位置或者波形数据的峰值,并记录此时的地址ADR2,通过如下公式计算出波形的频率: f = 1/B(ADR2-ADR1)/20其中,B为水平分辨率,单位为s/div。 方案二:等精度测量法先将待测信号进行二分频,用此信号作为闸门。取FPGA内部40M信号作为基准信号,二分频后信号的上升沿开起计数器时钟计数,下降沿关闭计数。由计得的数值来计算信号的频率。方案一计算的频率数据的精度不会很高,加上采样的不稳定,必将导致频率测量的不正确。而方案二
15、测量的稳定性较高且数据较准确。故我们选用方案二测量信号的频率。二、 系统设计与框图系统整体设计框图如图所示。模拟信号通过信号调理模块(阻抗变换、程控放大、触发电路),将模拟信号的幅值大小调理到高速AD(AD9225)的输入范围04V。然后通过AD9225对信号进性采样。我们采用外部有源晶振作为高速AD的采样时钟来控制恒定的采样率4MHz(晶振的固有振荡频率),在FPGA内部增加波形存储控制模块,当满足触发条件时FPGA以下抽样的方式对AD转换得到的数据进行存储,抽样频率由可水平分辩率来控制(若为AUTO功能,则与信号的频率有关)。将抽样的数据分别存储到双口RAM中,在送入行列扫描电路(2片DA
16、C0800)前经过了波形显示控制模块,它的作用是对RAM的数据及读入起始地址的进行处理。从而实现波形在模拟示波器上的左右平移。同时在FPGA内部实现了512点的FFT计算,成功得分析了输入信号的频谱。三、 理论分析与计算1、指标计算1) 垂直分辨率与A/D位数的关系 示波器垂直方向共8格,要求每格32级,共有328=256级。 因而,采用8位A/D即可,垂直分辨率为8位,用百分数表示为1/2562)扫描速度与采样频率的关系 假设扫描速度为t s/div,每格点数为n,采样频率为,则:fs=n/t,当=20时,针对不同的扫描速度,可得到不同的采样频率。在一定的情况下,扫描速度的改变是通过改变采样
17、频率实现的。由附表可见所需最高采样频率为1MHz。对于50KHz的正弦波,采样频率为1MHz时,每周期可采样20个点,由采样值可以很好地恢复采样前的信号。因而,选用采样频率为1MHz以上的A/D即可满足单路输入时对频率范围的要求。若考虑到双路输入的情况,所需A/D最高采样频率应为2MHz。因而,应选择采样频率为2MHz以下的A/D。3)垂直灵敏度与前端放大倍数的关系 显然,垂直灵敏度和前端放大倍数成反比例关系,垂直灵敏度的调整可以通过改变前端程控放大倍数的增益来实现。需要设计一个增益为x 10x 100x的程控增益放大。设计要求垂直灵敏度最大为1V/div,示波器垂直方向共8格,故显示信号的幅
18、度在-4V+4V之间,我们选用A/D(AD9225)输入电压为04V,这可以通过电平转换用电压幅度在-2V2V之间的信号得到。为了使输入信号幅度也在-4V4V之间,x应为0.5。垂直灵敏度与前端程控放大倍数的关系见下表所示:垂直灵敏度0010020050102051前端放大倍数5025105251054)显示频率和存储器读出频率的关系 显示屏上显示的信号是从存储器中读出的信号,只要使观察到的波形不闪烁即可。本设计中,单通道时刷新频率为200Hz;双踪示波时,每通道刷新频率为100HZ。通过计算,每秒读出的点数为200*200=40K。即RAM读出频率为40KHz,要求D/A转换速率高于40KH
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