微型虛擬示波器的設計與實(shí)現
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接觸USB總線(xiàn)已經(jīng)有5年左右的時(shí)間了，剛接觸USB時(shí)就采用了周立功代理的芯片——PDIUSBD12，該芯片為USB設備控制器，可以實(shí)現批量12Mbps的數據傳輸率。采用該芯片我設計了一些數據采集系統以及信號發(fā)生系統，主要應用于虛擬測試。這里我想總結一下我以前設計實(shí)現的微型虛擬示波器，并對示波器的關(guān)鍵技術(shù)作一下簡(jiǎn)單總結。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/88827.htm實(shí)物展示
微型虛擬示波器一共設計了三版，下圖是一個(gè)穩定版本?？偟膩?lái)說(shuō)體積還是相當小的，技術(shù)指標也還可以，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)現阻抗匹配、信號衰減以及程控放大。上位機的測控軟件基于Labview平臺，軟件界面如下圖所示，Labview通過(guò)CLF接口訪(fǎng)問(wèn)動(dòng)態(tài)鏈接庫，從而操作硬件系統。
虛擬示波器的硬件部分完成信號獲取，本質(zhì)為一個(gè)數據采集系統。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(shí)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（FFT頻域變換）就可以了。
設計實(shí)現的微型虛擬示波器指標如下：
1、基于USB總線(xiàn)，無(wú)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，并且程控調節存儲容量
8、8位垂直數據分辨率；
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驅動(dòng)程序，適用于WINDOWS98/2000/XP操作系統；
12、采用DLL動(dòng)態(tài)連接庫與LabVIEW連接；
系統原理框圖
微型虛擬示波器的系統原理框圖如下所示：
輸入信號經(jīng)過(guò)無(wú)源探頭進(jìn)行阻抗匹配，設計的輸入阻抗為1MR/20PF。匹配之后的信號經(jīng)過(guò)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，當緩存中的數據累計到一定程度之后，數據通過(guò)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
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雙通道高速采樣模塊是系統的設計核心。示波器中常用的數據采集主要有如下三種：
1、雙通道獨立采樣模式。在該模式中，雙通道ADC對各自的通道獨立采樣，采樣獲取的數據分別存入各自的緩存空間，PC軟件會(huì )顯示雙通道的獨立信號。在這種模式下，每通道的數據采樣率決定于A(yíng)DC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(gè)通道的采樣脈沖相位差180度，雙通道獲取的信號通過(guò)PC軟件進(jìn)行交叉聚合，輸入一個(gè)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(guò)相移采樣脈沖，采樣多個(gè)周期下的信號波形，從而實(shí)現低采樣率下的高速信號獲取。
本設計實(shí)現了（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位高速模數轉換器，最高采樣率能夠達到40Msps，輸入信號頻率帶寬75MHz，內置基準點(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，系統實(shí)際采樣率能夠達到80Msps，但是需要提供一個(gè)相差180度的采樣時(shí)鐘信號，為了避免邏輯門(mén)電路帶來(lái)的延時(shí)，系統沒(méi)有采用非門(mén)實(shí)現采樣時(shí)鐘，而是通過(guò)JK觸發(fā)器產(chǎn)生兩路同頻反相的時(shí)鐘信號。
（二）無(wú)源衰減網(wǎng)絡(luò )
示波器的一大特點(diǎn)在于信號的動(dòng)態(tài)范圍寬，頻譜范圍寬。為了保證數據采集系統能夠正常工作，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(wú)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(wú)源衰減網(wǎng)絡(luò )本質(zhì)上為一個(gè)平衡電橋，在一般的無(wú)源示波器探頭中都存在一個(gè)調諧電容，調整該電容可以使得平衡電橋達到最佳補償狀態(tài)，在該狀態(tài)下，信號衰減率就與頻率無(wú)關(guān)了，所以能夠在一個(gè)較寬的頻帶范圍內，實(shí)現固定的信號衰減。
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無(wú)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。通過(guò)DC-DC變換模塊將+5V電源轉換成-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輸入高阻寬帶運放，常用作寬頻光電檢測放大器，測試測量?jì)x器前置放大器。
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在示波器技術(shù)中，存儲技術(shù)起到了關(guān)鍵作用，往往也是系統的瓶頸所在，所以目前商用示波器系統中存儲芯片往往都要示波器廠(chǎng)商自己設計。由于本設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(guò)CPLD中的邏輯電路完成存儲的時(shí)序接口。
?。ㄎ澹︰SB通信接口
USB通信接口采用了D12+AT89S52的設計方案，該方案可以實(shí)現12Mbps的批量數據傳輸。批量傳輸的數據包最大能夠達到64字節。Usb通信接口的設計需要設計固件程序、驅動(dòng)程序以及應用程序所需的DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫。對于虛擬示波器，USB1.1標準的接口性能偏低，目前可以考慮USB2.0標準的接口，通信速率能夠達到480Mbps。（USB設計資料：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的設計案例及資料）
示波器設計心得
該微型虛擬示波器已經(jīng)設計多年了，設計之初考慮較多的是通信接口、數據采集以及前向通道。特別是通信接口是設計的重點(diǎn)，因為當時(shí)USB通信設計還是特別熱門(mén)的事情，不容易將USB通信搞通。數據采集也有一定的挑戰性，因為采樣率需要達到80Msps，另一個(gè)有難度的就是前向通道，但是，設計之初沒(méi)有對前向通道投入足夠的時(shí)間，只是做了簡(jiǎn)單設計，所以，從嚴格意義上講，該系統還不能稱(chēng)之為“示波器”。
從我目前的認識來(lái)講，示波器設計的核心在于前向通道、模數轉換這兩塊，對于單臺儀器來(lái)講通信接口問(wèn)題不是很大（集成系統的通信接口另當別論）。前向通道的信號放大、衰減電路都非常重要，特別是當今的示波器通道帶寬已經(jīng)達到10GHz以上的水平，所以，前向通道面臨著(zhù)大動(dòng)態(tài)范圍、寬頻的挑戰，這是示波器設計的核心。模數采集也十分重要，隨著(zhù)頻率的提升，對模數轉換提出了更高的采樣率需求，當輸入信號在10GHz量級時(shí)，采樣率需要達到20GHz以上，所以模數轉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(fǎng)問(wèn)延遲、訪(fǎng)問(wèn)帶寬提出了更高的要求。硬件都不是理想的，多多少少都會(huì )存在失真，都會(huì )存在非線(xiàn)性，所以示波器通常需要各種各樣的補償，在示波器技術(shù)中，目前應用最多的是采用DSP技術(shù)進(jìn)行頻域、時(shí)域的補償。通過(guò)補償，可以拓寬前向通道的帶寬，通過(guò)校正可以濾除寬帶引入的隨機噪聲。所以，DSP技術(shù)在示波器領(lǐng)域得到了非常廣泛的應用，給示波器帶來(lái)了實(shí)實(shí)在在的實(shí)惠。
五年前，當我聽(tīng)說(shuō)某位老先生為示波器的研制投入了一輩子，我會(huì )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(lái)我才明白，示波器技術(shù)博大精深，不投入一輩子的時(shí)間是搞不定的，她本質(zhì)上就是一門(mén)通用信號提取的科學(xué)，這就是我對示波器的理解。
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