简易数字存储示波器设计

简易数字存储示波器设计（5篇）

1.简易数字存储示波器设计 篇一

工程师电子制作故事：数字示波器DIY设计

2012年03月19日 16:44 来源：本站整理 作者：电子大兵 我要评论(0)

随着电子技术的发展和电路结构的变化，对电路测量的要求也变得更高，在电子制作中会发现对很多参数的测量已不是一块万用表所能胜任的了，比如单片机某I/O口的输出波形或制作放大器测其频率响应等等，所以示波器自然而然地和万用表一样变成了电子工程师和爱好者的必备工具。然而示波器动辄几千上万甚至数万元的价格不是每个人都能接受的，如果你是一名电子爱好者或者和我一样是一名电子专业的大学生，何不发挥自己的聪明才智自己制作一台够用的示波器，不仅省钱，更可以享受DIY带来的独特乐趣！

下面就示波器的基本原理简要介绍一下，再就数字示波器与模拟示波器做一个简要的比较。物理学理论可以证明，一端通过细绳固定的重物在作摆动时，与中心垂线的距离满足正弦波规律。沙漏实验可以清晰地显示这个随时间变化的波形：用沙漏充当重物，并且在沙漏底下的桌面上平铺一张纸，当沙漏开始摆动时，让纸匀速移动。这样，沙漏中流出的细沙，就在纸上留下了一个正弦波痕迹，如图1所示。利用这种设计思想，可以完成波形在平面上（对应于时间的流动）的展开。

这种设计思想在波形记录、显示中被广泛采用，比如心电图机，就是用原地摆动的电热针，在匀速移动的记录纸带上描记出心电波形。

利用心电图机的结构，虽可以记录电压信号，但是，示波器在大量的应用中，并不需要通过消耗纸张来记录波形，而仅仅是观察波形。因此，可以重复使用的CRT示波管被应用到示波器的设计中。模拟示波器把需观测的两个电信号加至示波管的X、Y 通道以控制电子束的偏移，从而获得荧光屏上关于这两个电信号关系的显示波形。这种模拟示波器体积大、重量重、成本高、价格贵，并且不太适合用于对非周期的、单次信号的测量。数字示波器首先对模拟信号进行高速采样获得相应的数字数据并存储。用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算，从而获得所需的各种信号参数。根据得到的信号参数绘制信号波形，并可对被测信号进行实时的、瞬态的分析，以方便使用者了解信号质量，快速准确地进行故障的诊断。测量开始时，操作者可通过操作界面选定测量类型、测量参数及测量范围（可选自动设置，由仪器自动设置最佳范围）；微处理器自动将测量设置解释到采样电路，并启动数据采集；采集完成后，由微处理器对采样数据按测量设置进行处理，提取所需要的测量参数，并将结果送显示部件。

使用模拟示波器和数字示波器通常都能很好地观察简单重复性信号。但是两者都有其优点和局限性，如图2所示。对于模拟示波器来说，由于CRT的余辉时间很短，因而难于显示频率很低的信号。由于示波管上的扫描轨迹亮度和扫描速度成反比，所以具有快速上升、下降时间的低重复速率信号就很难看到。而数字示波器的扫描轨迹亮度和扫描速度与信号重复速率无关，故可以很好地反映出来。对于显示具有较高重复速率的重复性信号的快速上升、下降沿来说，数字存储示波器和模拟示波器的性能几乎没有什么区别，用两种示波器都能很好地观察信号波形。当要进行信号参量的测量时，数字存储示波器的优点在于具有自动测量各种参数的能力。而使用模拟示波器时，则必须自己设置光标、分析理解显示的波形才能得到测量的结果。但是如果要进行调整工作，那么一般最好使用模拟示波器。这是因为模拟示波器的实时显示能力使它在每时每刻都能显示出输入的电压。其波形更新速率（每秒钟在屏幕上描画扫描轨迹的次数）很高，所以信号的任何变化都会立即显示出来。与模拟示波器相反，数字示波器所显示的是用采集的波形数据重建的波形，所以其波形更新率远低于模拟示波器，结果在信号发生变化和变化了的信号在屏幕上显示出来之间就有了一定的时间延迟，这是数字示波器的重大缺点。

但是综合起来数字示波器还是有很大优势的。

自制示波器，做模拟示波器还是数字示波器？当然要做就做数字的！因为做数字示波器更简单，请往下看：

1.模拟示波器需要与带宽相适应的CRT示波管，随着频率的提高，对CRT示波管的工艺要求严格，成本增加，存在技术瓶颈。所以在电子市场上不好买，性能好的大多数是进口品牌，其价格昂贵且需要处理的问题也多，比如要产生阳极高压、扫描锯齿波，还要对示波管进行电磁屏蔽等等，而且做出来体积很大，便携就更谈不上了。而数字示波器只需要与带宽相适应的高速A/D转换器，其他存储器和D/A转换器以及显示器都是较低速的部件，显示器可用LCD显示模块，在电子市场很容易买到，价格也不贵而且应用简单，只需考虑与微处理器的接口，体积小且功耗远小于CRT示波管。使用LCD显示模块做示波器，做成便携的很容易，做成示波表都没问题！当然LCD显示模块也有其不足之处，比如亮度和对比度不如CRT示波管，但综合考虑，LCD显示模块的优势还是比较明显的。

2.模拟示波器是一个完全的硬件结构，做好之后很难进行功能升级，而数字示波器不同，在保证基本硬件后它的控制以及其他功能的实现都是由软件来实现的。这样升级就变得非常容易，你甚至可以把它当成一块开发板用来练习编程！做一个能当开发板用的示波器，你还犹豫吗？

基于以上两种原因，制作数字示波器当然是不二之选！

本文介绍的就是我制作的一台便携式数字示波器（如图3所示）。

由于采用320×240分辨率的显示器，所以显示波形非常细致。图4～图11为该示波器测量不同频率信号时的实拍照片。

5Hz的信号用一般的模拟示波器测量，只能看到一个亮点在屏幕上游动，根本看不出完整的波形，而我做的这个示波器可以显示出完整的波形，在测量低频率信号时这是一个很大的优势。

该示波器由6部分电路构成，分别是：

1.输入程控放大（衰减）电路2.高速AD转换电路3.FIFO存储电路4.显示控制电路5.时钟产生电路6.测频与控制电路在这几部分中，最重要的是程控放大电路和AD转换电路，因为这两个电路是这个数字示波器的咽喉，程控放大电路决定了示波器的输入带宽和垂直分辨率，AD转换电路决定了示波器水平分辨率，这两个分辨率直接决定着示波器性能的优劣。这两部分电路将被测信号转换成后面的处理电路所需的数据信号，庆幸的是这几部分电路都可用高性能的集成电路加少量外围器件构成，电路设计简单，调试也很简单。整个示波器我觉得最难的应该是程序，也就是软件方面。

软件承担着该示波器的所有数据处理和控制任务，包括AD采样控制、水平扫速控制、垂直灵敏度控制、显示处理、峰峰值测量、频率测量等任务。为了提高性能，这个示波器使用了两片单片机，分别用于显示和控制，所以程序的设计还要考虑两个单片机之间的通信问题，这些在文章的各章节都会有详细的描述和解释。

通过这个示波器的制作，你将会了解很多东西，比如如何用运算放大器设计组合放大电路、高速AD转换器的应用、FIFO存储器的应用、AVR单片机SPI总线接口协议以及高分辨率点阵液晶显示器的驱动等内容，这些内容对于别的电子设计也是非常有用的。

2.简易数字存储示波器设计 篇二

目前在大部分高校的本科生培养方案中,电子线路、单片机技术、EDA设计等实验课程的建设已经趋于完善,基本满足本科教学的需求。然而,在综合设计能力培养上,尤其是在综合应用电路原理、处理器技术和理论算法等知识进行系统设计的综合实验课程基本处于空白状态。武汉大学电子系统综合设计课程组在总结了十几年电子竞赛培训经验的基础上,开设了电子系统综合设计实验课程,设计了简易数字存储示波器这一综合实验项目,让学生利用低频、数字电路、微机原理、单片机技术、EDA技术等相关专业技能,设计完成一个简易数字存储示波器,对学生综合应用能力的培养取得了明显的效果。

2 实验要求

设计并制作一台具有实时采样方式和等效采样方式的数字示波器[1],示意图如图1所示。

要求被测周期信号的频率范围为10Hz～10MHz,仪器输入阻抗为1MΩ,显示屏的刻度为8div×10div,垂直分辨率为8bits,水平显示分辨率≥20点/div。垂直灵敏度要求含1V/div、0.1V/div、2mV/div三档。电压测量误差≤5%,输入短路时的输出噪声峰-峰值小于2mV。实时采样速率≤1 MSa/s,等效采样速率≥200MSa/s,被测信号的显示波形应无明显失真。

3 实验原理

3.1 采样原理

实时采样是在信号存在期间对其采样,对于周期正弦信号为了不失真地恢复被测信号,实际设计中一般需要在一个信号周期内取样4-10个点以上,A/D转换速率决定最高采样频率。这种采样方式可以根据不同扫描频率准确地对信号进行不同频率的采集,但在采样频率比较高的场合,对A/D转换速率要求高。

等效采样[2]是一种非实时的取样方式,当A/D的转换速率不高时,可采用等效采样即对于每一个信号周期仅采样一个点,用步进延迟的方法,对每个周期信号波形的不同点进行采样,从而获取整个波形的采样值。步进延迟是每一次采样比上一次采样点的位置延迟Δt时间,一般以触发信号作为基准,每触发一次,往后延迟一定的时间。

3.2 垂直灵敏度的分析

题目基本要求垂直灵敏度含1V/div、0.1 V/div、2mV/div档,垂直刻度为8div。对于不同的垂直灵敏度,示波器满度显示时输入信号的幅度为:

设计采用的ADC能输入信号的最大峰-峰值为4V,当垂直灵敏度为1V/div,垂直方向8格满幅时,对应最大的信号峰-峰值为8V,不同的垂直灵敏度对应相应的放大倍数

3.3 扫描速度的分析

控制A/D转换的采样速率与扫描速度有关,A/D转换器的实际采样率可以根据设定的扫描速度来推算。设水平方向每一格内含N个点,扫描速度设为t/div,则采样速率f=N/(t/div)。

4 参考的实验方案

4.1 总体方案设计

整个系统由阻抗匹配、程控放大、取样保持、A/D采样、触发电路及人机交互模块组成。总体框图如图2所示,信号输入有两个通道,适合观察两路相干信号之间的相位差,实现双踪示波。信号调理控制部分用来控制前级信号调理电路的增益,实现6档垂直灵敏度。扫描速度从100ms/div到25ns/div共有18档,100ms/di～25us/div档采用实时采样,其它档采用等效采样。25us/div～100ns/div档的等效采样所需步进延时由FPGA精确产生,最小步进延时为5ns;50ns/div～25ns/div档的等效采样所需步进延时由集成电路芯片DS1023构成步进延时电路产生,最小步进延时为1ns。由FPGA中软件实现内触发,波形显示采用320×240的LCD液晶显示触模屏。

4.2 前级信号调理电路设计

根据设计要求,输入阻抗为1M,输入信号频率范围为10Hz～10MHz,输入信号幅值范围为2mV～8V,故采用宽带高摆率电流反馈型运放AD811,电路接成射随的形式,-3db带宽为140MHz,AD811同相输入端输入阻抗为1.5MΩ,故在其同相端对地并上一个3MΩ电阻,则=3/1.5MΩ=lMΩ,满足题目要求。后级程控放大器采用继电器选择3个不同的通道,从而实现三档不同的垂直分辨率。各通道放大器均选用宽带高速运放,放大倍数见表1.2。第三通道用于放大2mv小信号,放大倍数为200倍,故前级采用宽带高共模抑制比的运放OPA637,以提高信号信噪比。具体电路如图3所示。

4.3 AD采样电路设计

AD转换器采用MAX1425实现[3],自带有采样保持功能,为等效采样提供了采样保持。MAX1425为10位AD,最高采样率为20MSa/s,但实际上控制它的最高采样率为1lMSa/s,且只用高8位作为有效位,即垂直分辨率为8bits。MAX1425具有内部电压基准,输入信号采用差分输入,差分输入电压范围为-2V到2V,峰峰值最大为4V,而且可以采用直流耦合也可以交流耦合。系统中采用直流耦合,而且采用内部基准,最后MAX 1425的输入电压范围为0.25 V到4.25V,峰峰值为4V。

4.4 整形电路设计

整形电路的核心器件采用超高速比较器TL3116实现。输入信号经过AD603构成的自动增益电路,这样保证信号进入TL3116时能达到合适幅度,具体电路如图4所示。

4.5 步进延时电路的设计

FPGA产生等效采样最小步进延时△t为5ns,采用8位可编程延时芯片DS1023-1 00构成步进延时电路,最小的步进延时△t达到1ns。如图5所示为串口输入模式,串行数据由引脚4输入16位串行数据,控制两片延时芯片的输出脉冲与输入脉冲之间的延时。

5 实验的特色与创新

研究性:实现方法的不确定性和多样性;根据实验的设计要求,宽带低噪放大电路、取样保持电路、触发电路、AD采样电路、D/A转换电路等都有多种可选方案。可以充分调动学生积极性,利用所学理论知识独立完成设计和制作。

探索性:实验结果随实验方法、外部条件的变化而呈现不确定性,要达到波形无明显失真稳定的显示,需要较好的硬件电路设计和巧妙的软件处理方法。

灵活性:实验内容的设定很灵活,有基本要求、扩展部分。扩展部分又有不同的层次,有内容、功能的扩展,有不同实现方法的扩展,可以根据学生、学时以及实验室条件不同,自由选择,层层深入。

综合性:本次实验的基本要求涉及到了数字电子技术、模拟电子技术、电路分析、EDA、单片机原理与应用、可编程逻辑器件等课程的相关知识,对训练学生综合应用各方面知识,设计解决具体问题的能力起到突破性的作用,完成这样的一个示波器设计,其设计思路和设计经验将使学生在电子系统设计上站在新的高度。

参考文献

[1]赵茂泰.智能仪器原理与应用(第二版) [M].北京:电子工业出版社,2004.ZHAO Mao-tai.Principles and applications of intelligent instrurnent(2nd Ed)[M].Beijing: Electronic Industry Press,2004.

[2]赖树明,任斌,余成,陈卫,韩清涛.数字存储示波器等效采样的研究[J].计算机测量与控制,2010.18(5).Lai Shu- ming,Ren Bin,Yu Cheng,Chen Wei, Han Qing-tao.Study of Digital Storage Oscilloscope Equivalent Sampling [J].Computer Measurement & Control, 2010.18(5).

3.简易数字存储示波器设计 篇三

一、实验目的

1、熟悉用双线性变换法设计IIR数字滤波器的原理与方法

2、掌握数字滤波器的计算机仿真方法

3、通过观察对实际心电图信号的滤波作用获得数字滤波的感性知识。

二、实验内容及原理

1、用双线性变换法设计一个巴特沃斯低通IIR数字滤波器。设计指标参数为在通带内截止频率低于0.2时最大衰减小于1dB在阻带内0.3频率区间上最小衰减大于15dB。

2、以0.02为采样间隔打印出数字滤波器在频率区间0/2上的幅频响应特性曲线。

3、用所设计的滤波器对实际心电图信号采样序列进行仿真滤波处理并分别打印出滤波前后的心电图信号波形图观察总结滤波作用与效果。教材例中已求出满足本实验要求的数字滤波系统函数 31kkzHzH 3211212121kzCzBzzAzHkkk 式中 A0.09036 2155.09044.03583.00106.17051.02686.1332211CBCBCB

三、实验结果 心电图信号采样序列 0510***0455055-100-50050nxn心电图信号采样序列xn 用双线性变换法设计IIR数字滤波器一级滤波后的心电图信号 0102030405060-100-80-60-40-2002040ny1n一级滤波后的心电图信号 二级滤波后的心电图信号 0102030405060-100-80-60-40-2002040ny2n二级滤波后的心电图信号 三级滤波后的心电图信号 0102030405060-80-60-40-2002040ny3n三级滤波后的心电图信号 用双线性变换法设计IIR数

验字滤波器滤代波器的幅频响应曲线 码 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-50-40-30-20-10010w/pi20lgHjw滤波器的幅频响应曲线

四、实x-4-20-4-6-4-2-4-6-6-4-4-6-6-261280-16-38-60-84-90-66-32-4-2-***00-2-4000-2-200-2-2-2-20 n0:55 subplot111 stemnx.axis0 55-100 50 xlabeln ylabelxn title心电图信号采样序列xn N56 A0.09036 20.09036 0.09036 B1-1.2686 0.7051 B11-1.0106 0.3583 B21-0.9044 0.2155 y1filterABx n0:55 figure subplot111 stemny1.xlabeln ylabely1n title一级滤波后的心电图信号 y2filterAB1y1 n0:55 figure 用双线性变换法设计IIR数字滤波器subplot111 stemny2.xlabeln ylabely2n title二级滤波后的心电图信号 y3filterAB2y2 n0:55figure subplot111 stemny3.xlabeln ylabely3n title三级滤波后的心电图信号 A0.09036 20.09036 0.09036 B11-1.2686 0.7051 B21-1.0106 0.3583 B31-0.9044 0.2155 H1wfreqzAB1100 H2wfreqzAB2100 H3wfreqzAB3100 H4H1.H2 HH4.H3 magabsH db20log10mageps/maxmag figure subplot111 plotw/pidb axis0 0.5-50 10 xlabelw/pi ylabel20lgHjw title滤波器的幅频响应曲线

4.数字存储示波器特性及其应用要点 篇四

与传统的模拟示波器相比, 数字存储示波器具备不受取样速率限制就可获得稳定的波形、能够长时间保存信号、先进的触发功能和较高的测量精度等优点, 同时由于其内含微处理器, 因而具备较强的处理能力, 能够自动实现多种波形和参数的测量与显示, 而较好的DSO都带有IEEE-488接口, 因此其还可以通过连接计算机或其他外部设备, 进行更复杂的数据运算和分析。不过, 数字存储示波器也有其局限性, 例如DSO对实时采样速率和屏幕更新速率等限制, 触发间隔问题等等。基于此, 本文尝试在分析数字存储示波器的原理和特性的基础上, 对其在工程应用中应注意的问题进行分析。

1 数字存储示波器的主要特性

电信号及类似自然现象可大致归为两类, 一类是呈周期性分布的重复信号, 另一类是单次或随机出现的信号;前者可以利用模拟示波器很好的进行观测, 后者由于变化很快, 在示波器屏幕上一闪而过, 难以记录, 这时就需要使用数字存储示波器。如图-1所示, 数字存储示波器利用模/数 (A/D) 转换器把模拟信号变为数字信号, 然后存入随机存储器 (RAM) 中, 待需要是再将存储的内容从RAM中调出, 再通过数/模 (D/A) 转换器将其恢复为模拟信号, 进而显示在示波器屏幕上。整体上看, 数字存储示波器能够实现将波形“冻结”以供后续使用的能力, 其主要性能指标包括如下方面:

(1) 最大取样速率fmax。最大取样速率即单位时间内DSO完成的完整A/D转换的最高次数, fmax愈高, 仪器捕捉信号的能力愈强;DSO在某个测量时刻的实际取样速率可根据其设定的扫描时间因数 (t/div) 计算, 公式为:其中N为每格的取样数;t/div为扫描时间因数, 即扫描一格所占用的时间, 亦称扫描速度。

(2) 分辨率。分辨率即存储信号波形细节的特性, 包括垂直分辨率和水平分辨率;垂直分辨率与A/D转换器的分辨率相对应, 通常是以屏幕每格的分级数 (级/div) 表示;水平分辨率由RAM的容量来决定, 通常以屏幕每格有多少个取样点 (点/div) 表示。

(3) 存储带宽。存储带宽与取样速率密切相关, 根据Nyquist取样定理, 如果取样速率大于或等于信号最高频率分量的2倍, 就能重现原信号波形。

(4) 读出速度。读出速度指将存储的数据从RAM中读出的速度, 常用 (时间) /div表示。其中:时间即屏幕中每格内对应的存储容量乘以读脉冲周期;使用时, 应根据显示器或相关外部设备对速度的不同要求, 选择不同的读出速度。

(5) 存储容量。存储容量即记录长度, 用记录一帧波形数据占有的存储容量来表示, 常以字 (word) 为单位;存储容量与水平分辨率在数值上为倒数关系, 存储容量愈大, 水平分辨率就愈高;但是存储容量并非越大越好, 受到DSO最高取样速率的限制, 若存储容量选取不恰当, 往往会因时间窗口缩短而失去信号的重要成分, 或者因时间窗口增大而使水平分辨率降低。

以下, 本文将尝试从DSO带宽和取样速率等角度, 对其在工程应用中应注意的问题进行讨论。

2 采样速率对DSO带宽的影响

针对特定测量要求选择DSO时, 首先考虑的因素往往是带宽需求问题, 即需要多大的带宽才能较为精确地对信号进行测量。事实上, 某台DSO上标称的额定带宽 (如100MHz) 只是给出了DSO输入电路所允许通过的最大带宽, 而DSO的所能捕捉、存储和显示的信号则取决于带宽、取样速率和存取容量三者的关系。

在特定扫描时间因数 (t/div) 下, DSO的显示窗口大小都是固定的, 不可能实现t和存储容量同时达到最大化;因此重要的是能够保持取样速率f, 以使存储容量得到最大限度的利用。通过简单的计算可知, 每波形点数=取样速率f×t/div×分区数目, 所以如果存储容量足够大, 就可以支持取样速率保持恒定;换言之, 在特定的存储容量之下, 必须降低取样速率才能获取测量的时间区间。

结合Nyquist定理不难得出, DSO带宽受限于其f, 在较低的扫描时间因数 (t/div) 下f会降低, 而增大存储容量可以推迟f开始下降时间。因此在选择和调试DSO时, 对其带宽的选择就主要取决于我们需要观测的信号:对于单次瞬变信号, 我们需要较快的取样速率, 而对于调制信号或趋势信号, 则需要较大存储容量的DSO。如果无法改变设备选型, 则应考虑调整设备的t/div设置, 利用较低的t/div分析趋势信号, 利用较高的t/div设置分析瞬变信号。

3 DSO带宽对被测信号的影响

实践中, DSO的波形测量是由DSO/探头系统共同组成的, 由于带宽的无线平坦只能在理论上实现, 因此事实上带宽的增加并不会带来相应的输入脉冲增加, 其陡峭程度的增加会逐渐趋缓;换言之, DSO自身的带宽会对被测信号产生影响:

其中DSO的时间常数在0.35-0.45之间, 而显示信号的上升时间则比其实际上升时间要慢, 因此在选用DSO及其探头时, 必须考虑带宽和DSO的上升时间。一般而言, 对正弦波选择示波器带宽应是被测正弦信号频率的3倍以上, 采样率是带宽的4到5倍, 也即实际上是信号的12到15倍。

4 DSO和PC-based Digitizer的选择

基于PC的数字化仪 (PC-based Digitizer) 也可以提供与DSO相似的波形测量功能。从原理上讲, DSO和PC-based Digitizer都是以A/D转化器为核心部件的波形测量设备, 不同的是DSO的数据传输是基于外设线路, 传输速度相对较慢, 即便其自身加装了操作系统, 也仍然是一个封闭的系统, 无法向内集成其他硬件;而PC-based Digitizer则是内嵌在PC之内, 可以实现PC环境操作。

具体而言, PC-based Digitizer的优势在于其可以在开放的PC环境中工作, 即用户可以对波形测量系统进行个性化的设置, 结合不同的测量需求, 用户可以使用200Mbps的PCI总线将PC-based Digitizer与其所需的工具卡和磁阵相连, 形成所谓的虚拟仪器, 从而以高达每秒10k个波形的速度进行测量;而DSO的优势则在于波形的快速显示和刷新, 同时提供较PC-based Digitizer更为宽泛的信号处理能力, 利用不同类型的探头, DSO的测量范围往往可以延伸至几百伏特电压和超过10GHz的信号, 目前较高的取样速率和输入带宽仍然只有DSO能够实现。总体上看, 在对于被测信号的特性已经熟知, 希望通过计算机搭建自动监测系统时, 可以选用PC-based Digitizer;而对于未知信号和瞬时信号的探索, 则还应倾向于选择DSO, 特别是对于希发事件的测量, 选用数字荧光显示的数字存储示波器仍然具有比较大的优势。

摘要：数字存储示波器是采用数字电路进行模/数转换, 并通过存储器实现对触发前信号的记忆功能的一种具备存储功能新型示波器;此文尝试在分析数字存储示波器的原理和特性的基础上, 对其在工程应用中应注意的问题进行分析。

关键词：数字存储示波器,性能指标,取样速率,带宽选择

参考文献

[1]Phil Stearns.采样率对示波器带宽的影响[J].今日电子, 2007 (08) .

[2]郭海丽, 王紫婷.数字存储示波器的研究与设计[J].电子元器件应用, 2007 (07) .

5.简易数字存储示波器设计 篇五

数字存储示波器(Digital Storage oscilloscopesDSO)以其优越的性能和完备的功能，得到广泛应用。同模拟示波器相比，它可以根据不同测量对象设置不同的预触发功能;对信号的参数进行全自动测量，提供20多个参数;内置大量的标准分析工具，提供包括游标、测量、数学公式编辑器、串行数据通信模板测试以及频谱分析等广泛的分析功能;支持应用程序开发环境(包括Visual BASIC, C, C++，Matlab, Lab VIEW和Lad Windows/CVI);高带宽、高取样率和深度存储为数据采集应用程序提供了理想的解决方案[1]。在很多科学实验和工程项目中，出于安全考虑，不允许操作人员在现场，或者需要利用现场示波器取得的信号参数进行实时分析和处理，以便指导下一步的实验，这就需要把现场示波器与控制室的中央处理机相连接，实现对现场信号的远程控制实时采集和处理。本文结合某实际信息参数测量，阐述利用Visual C++语言实现对数字存储示波器远程控制的方法。

2 数字存储示波器的原理和特点

所谓数字存储就是在示波器中以数字编码的形式来贮存信号。目前示波器已经由通用示波器发展到取样示波器、记忆示波器、数字存储示波器、逻辑示波器、智能化示波器等近十大系列，几百个品种，其中，性能较好的示波器应属数字存储示波器。

2.1 数字存储示波器的基本原理

数字存储示波器基于取样原理，利用A/D转换技术和数字存储技术，被测模拟信号变为数字信号，然后存人随机存储的RAM中，需要显示时，将RAM中存储的内容调出，通过相应的D/A数模转换器再恢复为模拟信号显示在示波管的CRT上。它首先对模拟信号进行高速采样获得相应的数字数据并存储，存储器中储存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形;然后它利用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算，从而获得所需要的各种信号参数;最后，它根据得到的信号参数绘制信号波形，并可以对被测信号进行实时的、瞬态的分析，以方便用户了解信号质量，快速准确地进行故障的诊断。图1为数字存储示波器的原理结构图。

在数字存储示波器中，把输入的被测模拟信号先选至A/D变换器进行取样、量化和编码，成为数字“1”和“0”码。存储到RAM中，这个过程称为存储器的“写过程”，然后再将这些“1”和“0”从RAM中依次取出，顺序排列起来，经D/A转换使其包络重现输入模拟信号，这就是“读过程”。在数字存储示波器中，采用实时取样方式，即可观测单次信号，也可以观察到重复信号;采用顺序取样或随机取样方式的只能观测到重复信号。

在这种示波器中信号处理功能和信号显示功能是分不开的。它的性能完全取决于进行信号处理的A/D, D/A变换器和半导体存储的性能。数字存储示波器不仅可以观测周期重复信号，而且也能够观测非周期的单次的或随机的信号。这是因为数字存储示波器采用的是实时取样，即每隔一个时钟周期取样一次，所以可以观测单次信号，而模拟示波器只能满意地观测周期性重复信号，而对变化很快的非重复信号，则无法记录。与模拟示波器相比较，数字存储示波器有自己独有的特点。

2.2 数字存储示波器的特点

相对其它类型的示波器，数字存储示波器有它自身明显的特点[2]。

(1)数字存储示波器最大的优点就是具有先进的触发功能，从而使示波器的应用更得心应手，利用先进的触发功能，示波器就能够比以前完成更多的工作。特别是数字存储示波器具有预触发能力，克服了普通示波器只能观测触发点以后的波形的缺点，有利于分析故障产生的原因。

(2)可观测各种周期性、非周期性、单次以及超低频信号。对单次脉冲及低频重复信号测量非常方便，一旦捕捉到波形，就能清晰地进行动态分析及显示。它最大的特点就是对低占空比的信号显示清晰稳定，并可以长时间保持波形，而且在观察缓慢信号时无闪烁现象，这主要是因为采用RAM存储器，可以快速写人，慢速读出。

(3)数字存储示波器具有的自动测量功能可以方便地对各种参数进行自动测量。还可以将前面板设置情况存入断电不丢失的存储器中，每次开机仍保留原来设置，简化操作过程。

(4)具有存储显示、滚动显示和自动标定等功能的多样灵活的显示方式。

(5)带有微处理机的数字存储示波器，可以编程，进行自动程控操作，同时对信号还可以进行信息处理，如平均迭加、峰值检测、包络检测、频谱分析等。也可以方便地通过GPIB接口将信号送到打印机或送到计算机，进行更复杂的数据运算、分析和处理，并构成自动测试系统。

3 远程控制技术简介

3.1 远程控制技术定义

远程控制是指在异地通过计算机网络、异地拨号或双方接人Internet等手段连接目标计算机，并通过本地计算机对远程计算机进行管理或维护的行为。要进行远程控制，首先主控电脑和被控电脑都必须处在网络中，网络可以是局域网、广域网或Internet，但某些软件也可使用直接连接电缆利用电脑COM或LPT口进行远程控制。其次要保证双方使用相同的通信协议，多数情况下远程控制软件使用的是TCP/IP协议互相通信，也有部分软件可使用SPX、NetBIOS、UDP协议。本文以TDS1000C-SC数字存储示波器为对象，选用GPIB-LAN适配器AD007，构成远程控制系统。采用VC++6.0编程语言为软件开发工具，在辅助软件TekVISA和动态链接库tktds6k-32.dll基础上，通过网络对示波器进行远程控制，获取相关参数的当前值，根据需要设置参数，对获得的信号波形自动测量，取得相关数据，采集测量结果并存入数据库。

3.2 远程控制技术原理

远程控制软件通常由两部分组成：一部分是客户端(控制端)程序Client，另一部分是服务器端(受控端)程序Server。使用前需要在控制端运行客户端程序，在受控端运行服务器程序。然后由控制端向受控端发出信号，建立一个特殊的远程服务，再通过这个服务，使用各种远程控制功能发送远程控制命令，控制受控端电脑中的各种应用程序运行，这种远程控制方式称为基于远程服务的远程控制。

远程控制一般支持以下几种网络方式：LAN、WAN、拨号方式、互联网方式。此外，有的远程控制软件还支持通过串口、并口、红外端口来对远程机器进行控制。不过，这里说的远程电脑，只能是有限距离范围内的电脑[3]。

传统的远程控制软件，一般使用NetBEUI、NetBIOS、IPX/SPX、TCP/IP等协议实现远程控制。不过，随着网络技术的发展，目前很多远程控制软件提供通过WEB页面，java技术来控制远程电脑，这样可以实现不同操作系统下的远程控制。

3.3 远程控制关键技术

控制端要实现对受控端的远程控制，要解决几个关键问题：一是必须将服务器代码预先植入受控端;二是受控端必须以某各种方式自动运行该代码;三是服务器程序运行后必须实现进程的隐藏，以逃避防火墙和杀毒软件的监控。

4 数字存储示波器远程控制的实现

4.1 系统组成

本系统以TDS1000C-SC数字存储示波器为例，选用GPIB-LAN适配器AD007作为示波器与网络的接口设备，通过网络与控制室的计算机相连接。具体的系统组成结构如图2所示。

该测试系统主要由一台计算机(含测试软件)、一台打印机，一个GPIB卡、2个GPIB电缆、一台测量系统、一台带GPIB接口的数字存储示波器、一个网络接口和一个GPIB-LAN适配器AD007组成。主要可完成对被测系统的的AGC响应时间、正弦波的失真度、信纳比、功耗等指标的测量。含测试软件的计算机用来对输出数据进行分析显示，并可在打印机输出。

GPIB (general purpose interface bus，通用仪器接口总线)是一个数字化24脚并行总线，采用扁型接口插座。GPIB使用8位并行、字节串行、异步通信方式，所有字节通过总线顺序传送。GPIB总线接口可以实现1对多的数据传输，最多可以连接14台设备，实现各设备的直接连接，无需重新设计硬件。国内外刀各大仪器公司生产的测试仪器大都带有GPIB接口，可在本地㣱(手动)和远程(程控)两种方式下工作。基于GPIB总线组建测试系统容易，具有简单方便、灵活适用、易于操作等特点。

AD007适配器是GP1B总线与10Base-T以太网的接口设备，具有以下特点：兼容GPIB (IEEE488.2)和10Base-T Ethernet刀(IEEE802.3);设置方便;采用网页方式配置;适用于VB或VC编程的VISA (virtual instrument Softwar刀e architecture)接口等。

4.2 硬件设计

根据数字存储示波器的基本原理，本文提出如下的设计方案。方案的基本思路是先对被测波形进行A/D转换，然后将转换后的数字量进行存储，取样结束后，系统从RAM中读取波形信息。波形的显示主要是通过将数字量转换成液晶显示屏上的点的坐标来实现的。

该方案的最大特点是采用CPU+CPLD的系统结构，该结构能够最大地发挥CPU芯片和CPLD器件的长处。特别是在实时信号处理系统中，底层的信号预处理算法处理的数据量大，对处理速度的要求很高，但运算结构相对比较简单，适用于CPLD进行硬件实现，这样能同时兼顾速度及灵活性。高层处理算法的特点是算法的控制结构比较复杂，适用于运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的CPU芯片来实现。

系统电路按功能模块可分为以下几部分：前端信号调理电路部分、信号的采样存储及其控制部分、数据处理和波形显示部分和通讯接口部分等。

4.3 开发环境

系统采用虚拟仪器软件平台Lab Windows/CVI作为软件开发环境。CVI是测控领域优秀的软件开发平台，能够满足底层仪器驱动和上层应用程序两个层次的要求，CVI具有丰富的控件，能够设计出较好的人—机接口界面;另外，CVI采用文本编程方式，编程灵活，代码优化。Labwind0ws/CVI还提供了GPIB/GPIB488.2函数库，可以对GPIB总线、GPIB仪器进行控制[4]。

4.4 软件设计

硬件电路初始化通过0号口地址的写操作来完成。初始化内容包括D触发器输出端复位，控制脉冲和触发脉冲复位，SINGLE、DI、REMOTE信号保持自由空闲状态。此时，0号口地址上发出控制字0CH。

控制软件流程图如图3所示.

为便于编程和硬件设置，我们选取微机内计算机未用的存贮器地址段。如设置DS=0D000H，偏移地址范围为0～3FFH，根据公式

物理地址=段地址(左移四位)+偏移地址

很容易得到1号口地址上页地址选择的控制字为0DH一8H=5H。用类C语言描述其算法如下：

相应地，我们可以用下述程序段进行数据传送，便于数据处理。

图4为采用远程控制后的数字存储示波器测量某系统的信号后在显示器上的输出分析结果。

5 结论

随着科学技术和生产的发展，对于电子测量提出了越来越多的要求，测试内容日趋复杂，测试工作量急剧增加，对测试设备在功能，性能，测试速度、测试准确度的要求也日益提高，高端数字存储示波器的出现与不断发展在这种潮流下应运而生。它与模拟示波器相比具有极强的优越性，且随着科学技术的不断进步，其制造成本及市场价格均不断下降，因而发展前景十分看好。本文直接使用示波器的动态链接库，利用VC++语言实现了示波器的远程控制。利用该方法可以实时采集实验数据，提取波形参数和示波器屏幕界面，存入数据库，并实时对实验数据进行分析处理。

摘要：随着计算机技术和数据采集技求的发展, 使用远程控制技术对数字存储示波器的输出信号进行采集分析成为当前的测试技术热点。本文以TDS1000C-SC数字存储示波器为对象, 选用GPIB-LAN适配器AD007, 构成远程控制系统, 以某测试系统为例, 使用带有GPIB接口的数字存储示波器测量AGC响应时间、信号的失真度, 完成对测试信号的远程控制自动测量, 并给出了相应的数据处理方法和部分程序设计代码。经过实验, 基本上实现了对示波器的远程控制和数据传输。

关键词：数字存储示波器,远程控制,参数测量

参考文献

[1]卢成武, 种兰祥, 张晓博.基于GPIB接口的数字存储示波器功能扩展[J].微计算机信息, 2005, 21 (5) :157.

[2]孙建凤.数字存储示波器的原理、特点及发展动态[J].宇航计测技术, 1996 (12) :52-61.

[3]王艳萍.使用远程控制技术有效管理医院网络[J].数字医疗, 2010 (06) :54-55.