0 导言
跟着集成电路的开展和数字信号处理技能的选用，数字示波器已成为集显现、丈量、运算、剖析、记载等各种功用于一体的智能化丈量仪器。数字示波器在功用上也逐步逾越模仿示波器，并有取而代之的趋势。与模仿示波器比较，数字示波器不只具有可存储波形、体积小、功耗低，运用方便等长处，并且还具有强壮的信号实时处理剖析功用。因而，数字示波器的运用越来越广泛。目前我国国内自主研发的高功用数字示波器仍是比较少，广泛运用的仍是国外产品。因而，有必要对高功用数字示波器进行广泛和深入研究。
本文经过选用高速高功用器材，规划了一实时采样率为60 msa/s的宽带数字示波器。
1 数字示波器的功用参数规划
数字存储示波器的目标许多，包含采样率、带宽、灵敏度、通道数、存储容量、扫描时间和最大输入电压等。其间要害的技能目标首要有采样率、笔直灵敏度(分辨率)、水平扫描速度(分辨率)。这几项目标直接与所选a/d、fifo和高速运放器材的功用，以及电路规划有关。下面依据所选器材的功用参数，合理地剖析和确认示波器的采样率和分辨率。
1.1 采样率与水平扫描分辨率
采样率首要取决于a/d转化器的转化速率，常用每秒取样点数sa/s(sample/second)来表明。本体系规划最高实时采样率为60msa/ s，若进一步进步采样率可选用文献提出的等效采样技能，不过等效采样技能的软硬件和价格本钱很高。为了使示波器具有较高的信号波形剖析细节，选用数字内插技能来康复和重建信号波形。文献中具体论说了线性内插和正弦内插算法在示波器规划中的运用问题。因而，对这两种内插算法不再具体论说，在本文规划中直接引证文献中的研究成果。依据文献研究成果，取信号每周期采样点数为20，插值倍数为4。水平显现像素点数为400个，共10格。水平扫速与采样时钟频率的联系表如下。
1.2 笔直灵敏度
笔直分辨率的凹凸直接影响数字示波器对波形细节的显现，笔直分辨率越高，则示波器上的信号波形细节越小，它取决于a/d转化精度和tft的显现分辨率。本文规划中取最大采样输入电压为2 vpp，笔直刻度为8格，共256个像素点，因而笔直精度为0.25 v/格。共规划9个灵敏度档位，每档灵敏度与程控扩大倍数的联系如表2所示。
2 数字示波器的硬件规划
2.1 体系硬件整体框图
体系硬件整体框图如图1所示，首要由stm32操控单元，信号输入阻抗匹配单元，信号调度单元，a/d采样与fifo存储单元，时钟单元，tft显现单元等组成。输入信号经阻抗匹配后，送入信号调度单元，将信号的起伏扩大或衰减到合适a/d采样的规模内，a/d采样单元对起伏为2vpp的信号进行a/d采样，并将采样成果存入fifo单元中。cpu从fifo中读存数据并进行内插运算，然后依据用户经过键盘输入的指令将信号波形显现在tft液晶屏上。别的，cpu还可以将数据经过rs232接口上传给上位机，或进行打印等处理。
2.2 输入阻抗匹配电路
关于低速数据收集，因为信号反射对信号的传输进程影响微乎其微，所以低速数据收集体系杰出的高阻抗功用，对进步体系的丈量精确度有很大的含义。本规划中选用电压跟从器完成阻抗改换，数据收集阻抗改换电路的规划方案如图2所示，其输入阻抗为10mω。
2.3 信号调度电路
信号调度电路首要选用具有可变增益的数字程控扩大器ad8260。ad8260是ad公司出产的一款大电流驱动器及低噪声数字可编程可变增益扩大器。该器材增益调度规模为-6 db～+24 db，可调增益的-3 db带宽为230mhz，可采纳单电源或双电源供电。首要用于数字操控自动增益体系、收发信号处理等范畴。本规划首要运用其数字操控自动增益功用。ad8260内部的数字程控增益功用框图如图3所示。经阻抗匹配后的信号可直接输入ad8260的17、18脚，经ad8260内部前端扩大器6 db的固定增益扩大，-30 db程控衰减以及末级扩大器18 db固定增益扩大后，由7和8脚输出。第11、12、13、14脚为四位数字操控信号(d0、d1、d2、d3)，与stm32的i/o口直接衔接，完成增益操控。表3给出了ad8260增益调度真值表。
2.4 a/d和fifo电路
在数据收集电路规划中，选用bb公司的8位高速ad转化器ads830e，最高采样频率为60 msa/s，最低采样频率为10 ksa/s。8位转化精度的显现分辨率为256格，可以满意所选用分辨率为640*480的tft显现模块。fifo存储器选用idt7204高速缓存，其缓存深度达1 024 k。fifo存储器是一种双口的sram，没有地址线，跟着写入或读取信号对数据地址指针进行递加或递减，来完成寻址。
2.5 时钟电路
时钟发生电路为ad转化器供给一系列的采样时钟信号，共有8种频率，别离对应着不同的水平扫速。时钟发生电路首要由高安稳度的温补晶振，分频器74ls390，多路挑选器74f151以及分频器74f74触发器构成。基准时钟信号由一块60 mhz的温度补偿型有源晶体模块供给，输出的60 mhz信号经过分频器的屡次分频得到8种不同的频率，然后送入多路挑选器74f151。stm32经过对74f151的三根选通讯号线进行操控来挑选所需的采样频率。别的，中心操控器选用stm32处理器，主频设为80 mhz。显现器选用分辨率为640*480的tft显现模块，与stm32之间选用spi接口。与其它上位机通讯选用rs232口。
3 体系软件规划
体系软件规划选用模块化规划办法，整个程序首要由初始化程序、人机交互菜单程序、键盘扫描程序、触发程序、显现程序和数据收集及频率操控程序组成。体系软件的流程图如图4所示。
4 试验测验
在试验室对研发的样品机进行了测验试验，图5和图6别离显现了频率为16.2 khz和1 khz的方波信号。由测验数据剖析可得：笔直灵敏度满意要求，电压丈量误差≤5%，输入端输入阻抗大于2 mω，试验成果到达了规划要求。
5 小结
为完成一个高采样率，宽频带的便携式数字存储示波器，规划了以stm32为操控中心的数字示波器。硬件渠道首要选用了ad8260数字程控增益扩大器作为前端信号调度电路，ads830高速宽带模数转化器和idt7204高速缓存作为数字收集电路，以及信号波形选用了tft彩屏显现。别的，经过选用数字内插的数字信号处理算法来重建和复原信号波形，从而改进了信号波形显现细节。最终对研发样品进行了试验室测验，试验成果表明硬件规划思路与软件及算法的处理是正确的，功用参数到达规划要求，可以运用在工程实践中。
数字示波器在信号显现，处理以及带宽等方面比传统模仿示波器更有优势，因而数字示波器是往后示波器开展的重要方向。本文选用stm32高功用arm处理器作为中心操控芯片，可以满意tft五颜六色波形显现，数字插值算法处理等。经过选用高速ad和fifo器材，完成了高采样率，宽频带的技能要求。
