一種高精度便捷式全數字示波器的設計

摘要：設計制作了一臺便捷式數字示波器，能對小于20 MHz的任意周期的赫茲信號進(jìn)行頻率、幅值測量，同時(shí)也能對信號波形實(shí)時(shí)顯示。該示波器以數字信號處理器TMS320VC33和可編程邏輯器件EPF10K50V為核心，以OP37進(jìn)行信號預處理，再由A／D芯片AD7667完成信號采集，通過(guò)總線(xiàn)將信號傳輸給主處理器，采用LJD-ZN-3200K智能終端設備實(shí)現人機交互，具有對周期信號進(jìn)行測量、連續和單次觸發(fā)及存儲等功能，并可對被測信號無(wú)失真顯示。系統測試結果表明，系統頻率測量誤差小于0．05％，信號幅值測量誤差小于1％。
關(guān)鍵詞：數字示波器；數字信號處理器；可編程邏輯器件；信號測量

0 引言
示波器是一種用途十分廣泛的電子測量?jì)x器。電子技術(shù)的日新月異，使各類(lèi)電信號越來(lái)越復雜，在工程應用中對信號實(shí)時(shí)采樣率和波形捕獲率也有較高的要求，數字示波器成了各個(gè)崗位的硬件開(kāi)發(fā)和測試人員必不可少的工具。針對當前柔性工業(yè)測量系統的需要，本文給出DSP+CPLD的方案，實(shí)現了一種高精度、高集成的便捷式數字化存儲示波器的設計，系統盡可能地采用數字集成電路，結構簡(jiǎn)單，測量結果可靠性高，具有友好的人機界面，同時(shí)具有高采樣率、高分辨率及低誤差等特點(diǎn)。

1 系統設計方案
該數字示波器主要由測量控制和顯示輸出兩部分組成。輸入信號在測量電路前端，經(jīng)由信號變換電路處理成各次級單元能處理的等效信號，主要是由比較電路處理輸出正方波和峰-峰值為2．5 V的等效運算放大輸出信號。方波信號作為記數脈沖，觸發(fā)可編程邏輯器件CPLD來(lái)實(shí)現頻率值的測量。同時(shí)，經(jīng)運算放大器輸出的信號輸入至采樣保持器，由主控制器DSP向其相關(guān)引腳發(fā)出鎖存信號來(lái)實(shí)現對待測信號的采樣和鎖存輸出的功能切換。
當控制端置“1”時(shí)為鎖存輸出，這時(shí)，輸出的信號可供A／D轉換器件進(jìn)行數據采集；置“0”時(shí)實(shí)現對信號的采集。A／D采集回來(lái)的數據送給DSP，再由DSP先把外部數據存儲在外部存儲器中，然后進(jìn)行分析，最后，把經(jīng)過(guò)處理的數據通過(guò)RS 422標準接口以數據包的形式發(fā)送給液晶顯示器顯示輸出。系統原理框圖如圖1所示。

2 硬件設計
系統硬件部分由信號輸入變換電路、采樣保持電路、主控制電路、智能終端設備等部分組成。
2．1 信號輸入變換及采樣保持電路
信號輸入變換電路主要用于實(shí)現信號的等效變換。設計中采用高速的OP37進(jìn)行信號變換、采樣保持，是數據采集系統的重要部件，對信號起隔離緩沖作用。如果要對變化速度高的模擬信號進(jìn)行A／D轉化，轉換精度要求比較高，為了防止A／D轉換過(guò)程中信號發(fā)生變化，就必須采用S／H電路。S／H電路和A／D配合，可以消除A／D的輸出脈動(dòng)，并通過(guò)MUX實(shí)現多路采樣控制。
在這里采用高性能單片采樣／保持器LF398，具有很高的直流精度、很快的采樣時(shí)間和很低的下降速度，器件的動(dòng)態(tài)性能和保持性能可通過(guò)合適的外接保持電容達到最佳。信號調理電路如圖2所示。