简易数字示波器设计报告.docx
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简易数字示波器设计报告
简易数字示波器
设计报告
学校:
苏州大学
学院:
电子信息学院
班级:
电子与通信工程
组员:
王婷杨静芝范静
第一章设计内容与要求
1.1设计内容:
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,示意图如图1所示。
图1数字示波器示意图
1.2基本设计要求:
(1)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。
(2)垂直灵敏度要求含1V/div、0.1V/div两档。
电压测量误差≤5%。
(3)实时采样速率≤1MSa/s,等效采样速率≥200MSa/s;扫描速度要求含20ms/div、2μs/div、100ns/div三档,波形周期测量误差≤5%。
(4)仪器的触发电路采用内触发方式,要求上升沿触发,触发电平可调。
(5)被测信号的显示波形应无明显失真。
1.3扩展要求:
(1)提高仪器垂直灵敏度,要求增加2mV/div档,其电压测量误差≤5%,输入短路时的输出噪声峰-峰值小于2mV。
(2)增加单次触发功能,即按动一次“单次触发”键,仪器能对满足触发条件的信号进行一次采集与存储(被测信号的频率范围限定为10Hz~50kHz)。
第二章系统的总体设计
2.1总体框图:
2.2硬件系统设计:
2.2.1输入信号调理电路:
图2输入信号调理电路
该电路中涉及到的芯片有:
(1)AD603:
在很多信号采集系统中,信号变化的幅度都比较大,那么放大以后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程,所以必须根据信号的变化相应调整放大器的增益。
在自动化程度要求较高的系统中,希望能够在程序中用软件控制放大器的增益,或者放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。
AD603正是这样一种具有程控增益调整功能的芯片。
它是美国ADI公司的专利产品,是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放,如增益用分贝表示,则增益与控制电压成线性关系,压摆率为275V/μs。
管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围,增益在-11~+30dB时的带宽为90Mhz,增益在+9~+41dB时具有9MHz带宽,改变管脚间的连接电阻,可使增益处在上述范围内。
该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统。
(2)TL431:
德州仪器公司(TI)生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。
它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref(2.5V)到36V范围内的任何值。
该器件的典型动态阻抗为0.2Ω,在很多应用中可以用它代替齐纳二极管,例如,数字电压表,运放电路、可调压电源,开关电源等等。
TL431是一种并联稳压集成电路。
因其性能好、价格低,因此广泛应用在各种电源电路中,在很多应用中可以用它代替齐纳二极管,例如,数字电压表,运放电路、可调压电源,开关电源等等。
2.2.2AD采样电路:
图3AD采样电路
该电路中涉及到的芯片有:
(1)AD9280:
AT9280是单芯片、单电源、8bit、32MSPS模数转换器;内部集成了采样保持放大器和电源基准源。
AT9280使用多级差分流水线架构保证了32MSPS数据转换数率下全温度范围内无失码。
2.2.3时钟与高速存储电路
图4AD采样电路
该电路中涉及到的芯片有:
(1)DS1085:
DS1085是双输出频率合成器,无需外部定时元件。
它可以作为独立振荡器,或作为一个由处理器控制的、可动态编程的外设部件来使用。
内部主振荡器可以在66MHz至133MHz的范围内进行编程,有三个分辨率选择,分别为10kHz、25kHz与50kHz。
一个可编程的3位预定标器(1、2、4或8分频)从主振荡器生成一个基准振荡器输出(OUT0),范围是8.2MHz至133MHz。
另一个独立的预定标器和一个1至1025分频器产生主输出(OUT1),范围是8.1kHz至133MHz。
两路输出尽管都与主振荡器同步,但可独立编程。
可编程主振荡器、预标定器以及分频器组合起来可以生成数千个用户规定的频率。
主振荡器、预标定器以及分频器的设置都保存在NV(EEPROM)存储器中,在上电时提供默认值,因此可以将其作为独立振荡器使用。
通过2线串行接口可以对主振荡器、预标定器(P0与P1)、分频器(N)进行在线动态编程。
如果需要,可以进行动态频率调节,或者,对于固定频率应用,DS1085可以采用工厂或用户编程的固定数值。
(2)SN74F574DW:
这8位触发器功能3态输出专为驱动高容性或相对低阻抗负载。
它特别适合于实施缓冲寄存器,I/O端口,双向总线驱动程序和工作寄存器。
八触发器的SN74F574的是边沿触发的D型触发器。
在时钟(CLK)输入的正跳变时,Q输出将被设置为分别设置在数据(D)输入的逻辑电平。
一个缓冲输出使能(OE)输入可用于放置八个输出在任何一个正常的逻辑状态(高或低逻辑电平)或高阻抗状态。
在高阻抗状态,输出负载也没有显著驱动总线线。
高阻抗状态,增加驱动器提供驱动总线线无接口或拉组件的能力。
输出使能(OE)不影响触发器的内部操作。
旧数据可以保留或新的数据可以输入而输出是在高阻抗状态。
(3)IDT7204:
能够实现高速存储功能
2.2.4DA电路
图5DA电路
该电路中涉及到的芯片有:
(1)AD5320:
(2)MC74VHC4051D
2.2.4电源电路
图6电源电路
该电路中涉及到的芯片有:
(1)A0512S:
输入5V双输出±12V模块
(2)7805:
7805三端稳压集成电路,电子产品中,常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。
顾名思义,三端IC是指这种稳压用的集成电路,只有三条引脚输出,分别是输入端、接地端和输出端。
它的样子象是普通的三极管,TO-220的标准封装,也有9013样子的TO-92封装。
用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜。
该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压,如7806表示输出电压为正6V,7909表示输出电压为负9V。
因为三端固定集成稳压电路的使用方便,电子制作中经常采用。
2.3数字示波器的性能参数设计:
数字存储示波器的指标很多,包括采样率、带宽、灵敏度、通道数、存储容量、扫描时间和最大输入电压等。
其中关键的技术指标主要有采样率、垂直灵敏度(分辨率)、水平扫描速度(分辨率)。
这几项指标直接与所选A/D、FIFO和高速运放器件的性能,以及电路设计有关。
下面根据所选器件的性能参数,合理地分析和确定示波器的采样率和分辨率。
2.3.1.y通道参数计算
(1)输入阻抗
对于低速数据采集,由于信号反射对信号的传输过程影响微乎其微,所以低速数据采集系统良好的高阻抗性能,对提高系统的测量精确度有很大的意义。
本设计中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4所示,其输入阻抗为1MΩ。
图4输入阻抗电路图
(2)灵敏度
垂直灵敏度有两档指标要求:
1V/div、0.1V/div,为此,我们必须在前端设计一个有两种增益的放大电路。
A/D转换器的基准电压为2V,D/A转换器的基准电压为2.5V,此外,该DAC的输出还具有两倍的增益,因此,其满幅输出为5V。
示波器显示屏垂直方向有8格,对应为5V,即0.625/div,而信号经过D/A和A/D后又被放大了2.5倍,由此计算三档垂直灵敏度对应的放大倍数如表2.1所示。
表1垂直灵敏度与放大倍数的关系
垂直灵敏度
1V/div
0.1V/div
放大倍数
0.25
2.5
2.3.2扫描速度
本系统显示屏的水平刻度为10格,水平显示分辨率n为20点/div,则水平共显示20点/div×10div=200个点。
假设扫描速度为s,采样频率为fs,则fs=n/s,由此得到设计要求的两档扫描速度所对应的采样频率如表2.2所示。
表2扫描速度与采样频率的关系
扫描速度s
20ms/div
2μs/div
采样频率
1Khz
10Mhz
当扫描速度在20ms/div和2μs/div档时采用实时采样方式进行采样。
由表2可见,当扫描速度为2μs/div时,采样频率fs超过了题目规定的最高实时采样速率1MSa/s的要求。
为解决这个问题,我们仍采用1MHz的采样频率,而在最后显示被测波形时将读RAM的速率变为锯齿波扫描速率的10倍,这就相当于将采样频率扩大了10倍,而实际的采样速率并没有超过题目的规定。
这样便满足了实时采样速率≤1MSa/s和等效采样速率≥200MSa/s的要求。
2.4STM32简介:
(1)STM32F10:
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。
按性能分成两个不同的系列:
STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。
增强型系列时钟频率达到72MHz,是同类产品中性能最高的产品;基本型时钟频率为36MHz,以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能,是16位产品用户的最佳选择。
两个系列都内置32K到128K的闪存,不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。
时钟频率72MHz时,从闪存执行代码,STM32功耗36mA,是32位市场上功耗最低的产品,相当于0.5mA/MHz。
STM32型号的说明:
以STM32F103RBT6这个型号的芯片为例,该型号的组成为7个部分,其命名规则如下:
(1)STM32:
STM32代表ARMCortex-M3内核的32位微控制器。
(2)F:
F代表芯片子系列。
(3)103:
103代表增强型系列。
(4)R:
R这一项代表引脚数,其中T代表36脚,C代表48脚,R代表64脚,V代表100脚,Z代表144脚。
(5)B:
B这一项代表内嵌Flash容量,其中6代表32K字节Flash,8代表64K字节Flash,B代表128K字节Flash,C代表256K字节Flash,D代表384K字节Flash,E代表512K字节Flash。
(6)T:
T这一项代表封装,其中H代表BGA封装,T代表LQFP封装,U代表VFQFPN封装。
(7)6:
6这一项代表工作温度范围,其中6代表-40——85℃,7代表-40——105℃。
103性能
(1)特点
内核:
ARM32位Cortex-M3CPU,最高工作频率72MHz,1.25DMIPS/MHz。
单周期乘法和硬件除法。
存储器:
片上集成32-512KB的Flash存储器。
6-64KB的SRAM存储器。
时钟、复位和电源管理:
2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。
POR、PDR和可编程的电压探测器(PVD)。
4-16MHz的晶振。
内嵌出厂前调校的8MHzRC振荡电路。
内部40kHz的RC振荡电路。
用于CPU时钟的PLL。
带校准用于RTC的32kHz的晶振。
低功耗:
3种低功耗模式:
休眠,停止,待机模式。
为RTC和备份寄存器供电的VBAT。
调试模式:
串行调试(SWD)和JTAG接口。
DMA:
12通道DMA控制器。
支持的外设:
定时器,ADC,DAC,SPI,IIC和UART。
2个12位的us级的A/D转换器(16通道):
A/D测量范围:
0-3.6V。
双采样和保持能力。
片上集成一个温度传感器。
2通道12位D/A转换器:
STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE独有。
最多高达112个的快速I/O端口:
根据型号的不同,有26,37,51,80,和112的I/O端口,所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。
除了模拟输入,所有的都可以接受5V以内的输入。
最多多达11个定时器:
4个16位定时器,每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。
2个16位的6通道高级控制定时器:
最多6个通道可用于PWM输出。
2个看门狗定时器(独立看门狗和窗口看门狗)。
Systick定时器:
24位倒计数器。
2个16位基本定时器用于驱动DAC。
最多多达13个通信接口:
2个IIC接口(SMBus/PMBus)。
5个USART接口(ISO7816接口,LIN,IrDA兼容,调试控制)。
3个SPI接口(18Mbit/s),两个和IIS复用。
CAN接口(2.0B)。
USB2.0全速接口。
SDIO接口。
ECOPACK封装:
STM32F103xx系列微控制器采用ECOPACK封装形式。
第三章系统的软件设计
3.1软件流程图:
3.软件程序: