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0 前言

随着集成电路的发展和数字信号处理技术的采用，数字示波器已成为集显示、测量、计算、分析、记录等多种功能为一体的智能测量仪器。 数字示波器的性能正逐渐超越模拟示波器，并有取而代之的趋势。 与模拟示波器相比，数字示波器不仅具有存储波形、体积小、功耗低、使用方便等优点，而且具有强大的实时信号处理和分析功能。 因此，数字示波器的应用越来越广泛。 目前，我国自主研发的高性能数字示波器还比较少，国外产品还在广泛使用。 因此，有必要对高性能数字示波器进行广泛而深入的研究。

本文采用高速、高性能器件设计了实时采样率为60 msa/s的宽带数字示波器。

1 数字示波器性能参数设计

数字存储示波器的指标有很多，包括采样率、带宽、灵敏度、通道数、存储容量、扫描时间、最大输入电压等。 其中，关键技术指标主要包括采样率、垂直灵敏度（分辨率）、水平扫描速度（分辨率）。 这些指标直接关系到选用的a/d、fifo和高速运放器件的性能，以及电路设计。 接下来根据所选器件的性能参数，合理分析确定示波器的采样率和分辨率。

1.1 采样率和水平扫描分辨率

采样率主要取决于a/d转换器的转换速率，通常用每秒采样点数sa/s（sample/second）来表示。 本系统最大实时采样率为60msa/s。 如果进一步提高采样率，可以采用文献中提出的等效采样技术，但等效采样技术的软件、硬件和价格都非常高。 为了使示波器具有更高的信号波形分析细节，采用数字插值技术对信号波形进行恢复和重构。 文献中详细讨论了线性插值和正弦插值算法在示波器设计中的应用。 因此数字示波器使用方法，对这两种插值算法不作详细讨论，在本文的设计中直接引用了文献中的研究成果。 根据文献研究结果，信号每周期采样点数为20，插值倍数为4。水平显示像素数为400，共10格。 水平扫描速度和采样时钟频率之间的关系如下。

1.2 垂直灵敏度

垂直分辨率的高低直接影响数字示波器对波形细节的显示。 垂直分辨率越高，示波器上信号波形的细节越小。 这取决于a/d转换精度和tft的显示分辨率。 在本设计中，最大采样输入电压为2vpp，垂直刻度为8格，共有256个像素点，因此垂直精度为0.25v/格。 共设计了9个灵敏度等级，各等级灵敏度与程控放大倍数的关系如表2所示。

2 数字示波器的硬件设计

2.1 系统硬件总体框图

系统硬件整体框图如图1所示，主要由stm32控制单元、信号输入阻抗匹配单元、信号调理单元、a/d采样及fifo存储单元、时钟单元、tft显示单元等组成. 输入信号经过阻抗匹配后，送入信号调理单元，将信号的幅度放大或衰减到适合a/d采样的范围。 a/d采样单元对幅度为2vpp的信号进行a/d采样，采样结果存放在fifo单元中。 cpu从fifo中读取并存储数据并进行插值运算，然后根据用户通过键盘输入的指令在tft液晶屏上显示信号波形。 此外，cpu还可以通过rs232接口向上位机上传数据，或者进行打印等处理。

2.2 输入阻抗匹配电路

对于低速数据采集，由于信号反射对信号传输过程的影响很小，因此低速数据采集系统良好的高阻性能对于提高系统的测量精度具有重要意义。 本设计采用电压跟随器实现阻抗变换。 数据采集​​阻抗变换电路的设计方案如图2所示，其输入阻抗为10mω。

2.3 信号调理电路

信号调理电路主要采用可变增益数字程控放大器ad8260。 ad8260是ad公司生产的一款大电流驱动、低噪声数字可编程可变增益放大器。 本装置增益调节范围为-6db~+24db数字示波器使用方法，可调增益-3db带宽为230mhz，可单电源供电，也可双电源供电。 主要应用于数字控制自动增益系统、收发信号处理等领域。 本设计主要利用其数控自动增益功能。 图3为ad8260内部数字程控增益功能框图。 阻抗匹配后的信号可直接输入ad8260的17、18脚，经ad8260内部前置放大器固定增益6db放大，程控衰减-30db，由ad8260固定增益放大。末级放大器的18分贝，再由7、8脚输出。 第11、12、13、14脚为四位数字控制信号（d0、d1、d2、d3），直接接stm32的i/o口，实现增益控制。 表 3 给出了 ad8260 增益调整真值表。

2.4 a/d和fifo电路

在数据采集电路设计中选用bb公司的8位高速ad转换器ads830e，最高采样频率为60msa/s，最低采样频率为10ksa/s。 8位转换精度显示分辨率为256格，可以满足选用分辨率为640*480的tft显示模块。 fifo存储器采用idt7204高速缓存，缓存深度达到1 024 k。 fifo存储器是没有地址线的双口sram，数据地址指针随写或读信号递增或递减，实现寻址。

2.5 时钟电路

时钟产生电路为AD转换器提供一系列采样时钟信号，共有8个频率，对应不同的水平扫描速度。 时钟产生电路主要由高稳定温度补偿晶振、分频器74ls390、多路复用器74f151和分频器74f74触发器组成。 参考时钟信号由60mhz温补有源晶振模块提供，输出的60mhz信号经分频器分频后得到8个不同的频率，送至多路复用器74f151。 stm32通过控制74f151的3条选通信号线来选择需要的采样频率。 另外，中央控制器采用stm32处理器，主频设置为80mhz。 显示器采用了分辨率为640*480的tft显示模块，与stm32采用spi接口。 与其他上位机通讯使用rs232端口。

3 系统软件设计

系统软件设计采用模块化设计方法。 整个程序主要由初始化程序、人机交互菜单程序、键盘扫描程序、触发程序、显示程序、数据采集及频率控制程序组成。 系统软件流程图如图4所示。

4 实验测试

在实验室研制的样机上进行了测试实验。 图 5 和图 6 分别显示了频率为 16.2 khz 和 1 khz 的方波信号。 从测试数据分析可得，垂直灵敏度满足要求，电压测量误差≤5%，输入端输入阻抗大于2mω。 实验结果满足设计要求。

5 总结

为了实现一种高采样率、宽频带的便携式数字存储示波器，设计了一种以stm32为控制核心的数字示波器。 硬件平台主要采用ad8260数字程控增益放大器作为前端信号调理电路，ads830高速宽带模数转换器和idt7204高速缓存作为数字采集电路，显示信号波形在 tft 彩色屏幕上。 此外，采用数字插值的数字信号处理算法对信号波形进行重构和还原，从而提高信号波形的显示细节。 最后，对开发的样品进行实验室测试。 实验结果表明，硬件设计思路、软件和算法处理正确，性能参数满足设计要求，可应用于工程实践。

数字示波器在信号显示、处理、带宽等方面比传统模拟示波器更具优势。 因此，数字示波器是未来示波器发展的一个重要方向。 本文采用stm32高性能arm处理器作为核心控制芯片，可以满足tft彩色波形显示和数字插值算法处理的要求。 采用高速ad和fifo器件，实现了高采样率、宽频带的技术要求。