摘要：設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)便捷式數(shù)字示波器，能對(duì)小于20 MHz的任意周期的赫茲信號(hào)進(jìn)行頻率、幅值測(cè)量，同時(shí)也能對(duì)信號(hào)波形實(shí)時(shí)顯示。該示波器以數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC33和可編程邏輯器件EPF10K50V為核心，以O(shè)P37進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理，再由A/D芯片AD7667完成信號(hào)采集，通過(guò)總線將信號(hào)傳輸給主處理器，采用LJD-ZN-3200K智能終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，具有對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行測(cè)量、連續(xù)和單次觸發(fā)及存儲(chǔ)等功能，并可對(duì)被測(cè)信號(hào)無(wú)失真顯示。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)頻率測(cè)量誤差小于0.05%，信號(hào)幅值測(cè)量誤差小于1%。

0 引言

示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。電子技術(shù)的日新月異，使各類電信號(hào)越來(lái)越復(fù)雜，在工程應(yīng)用中對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)采樣率和波形捕獲率也有較高的要求，數(shù)字示波器成了各個(gè)崗位的硬件開(kāi)發(fā)和測(cè)試人員必不可少的工具。針對(duì)當(dāng)前柔性工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)的需要，本文給出DSP+CPLD的方案，實(shí)現(xiàn)了一種高精度、高集成的便捷式數(shù)字化存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)盡可能地采用數(shù)字集成電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果可靠性高，具有友好的人機(jī)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(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該數(shù)字示波器主要由測(cè)量控制和顯示輸出兩部分組成。輸入信號(hào)在測(cè)量電路前端，經(jīng)由信號(hào)變換電路處理成各次級(jí)單元能處理的等效信號(hào)，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(yùn)算放大輸出信號(hào)。方波信號(hào)作為記數(shù)脈沖，觸發(fā)可編程邏輯器件CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率值的測(cè)量。同時(shí)，經(jīng)運(yùn)算放大器輸出的信號(hào)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(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)的采樣和鎖存輸出的功能切換。

當(dāng)控制端置“1”時(shí)為鎖存輸出，這時(shí)，輸出的信號(hào)可供A/D轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；置“0”時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集。A/D采集回來(lái)的數(shù)據(jù)送給DSP，再由DSP先把外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中，然后進(jìn)行分析，最后，把經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)通過(guò)RS 422標(biāo)準(zhǔn)接口以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給液晶顯示器顯示輸出。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分由信號(hào)輸入變換電路、采樣保持電路、主控制電路、智能終端設(shè)備等部分組成。

2.1 信號(hào)輸入變換及采樣保持電路

信號(hào)輸入變換電路主要用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的等效變換。設(shè)計(jì)中采用高速的OP37進(jìn)行信號(hào)變換、采樣保持，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要部件，對(duì)信號(hào)起隔離緩沖作用。如果要對(duì)變化速度高的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換精度要求比較高，為了防止A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中信號(hào)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(xiàn)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(dá)到最佳。信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。

2.2 測(cè)頻電路

示波器對(duì)信號(hào)的測(cè)頻是根據(jù)等精度頻率計(jì)的原理設(shè)計(jì)的。由可編程邏輯器件EPF10K50V完成，100 MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)直接進(jìn)入EPF10K50 V。器件采用信號(hào)輸入變換電路輸出的方波脈沖作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入信號(hào)，用標(biāo)準(zhǔn)的100 MHz進(jìn)行記數(shù)，最后算出輸入信號(hào)的頻率。

通過(guò)圖形法和VHDL語(yǔ)言對(duì)EPF10K50V編程，本設(shè)計(jì)中，CPLD完成對(duì)信號(hào)頻率的測(cè)量。頻率測(cè)量原理如下：在單位測(cè)量時(shí)間Tp中被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值為Nx，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的計(jì)數(shù)值為Ns，在已知標(biāo)準(zhǔn)頻率fs的基礎(chǔ)上，被測(cè)信號(hào)頻率值fx滿足：

2.3 幅度信號(hào)采集

為了滿足對(duì)高頻率信號(hào)的采集，選用ADI公司推出的AD7667來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的幅值測(cè)量。AD7667是16位A/D轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部2.5 V參考電壓，工作范圍為0～2.5 V，LSB小于±2 b，轉(zhuǎn)換速率為800 Kb/s，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1μs，采用單+5 V電源供電。由信號(hào)變換電路把被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化成工作范圍內(nèi)的有效值，進(jìn)行精確測(cè)量。

2.4 人機(jī)交互部分設(shè)計(jì)

示波器的顯示及指令輸入由智能終端設(shè)備LJD-ZN-3200K來(lái)實(shí)現(xiàn)。LJD-ZN-3200K是集輸入、輸出為一體的智能圖形化界面輸出設(shè)備分辨率為640×480，能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。該設(shè)備終端通過(guò)串行接口與主控制器通信，完成數(shù)據(jù)傳輸。