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2007年全国电子设计大赛C题 数字存储示波器

题目任务:设计一简易数字存储示波器 1．总体框架图：

2．题目要求指标

(1) 信号频率范围： 10Hz~10MHz；要求输入电阻： Ri>100kΩ ； (2) 垂直点数：32级/div； 水平点数：20点/div；

(3) 垂直灵敏度：0.01V/div ，0.1V/div，1V/div，误差≤5% ； (4) 水平扫瞄速度： 0.2s/div，0.2ms/div，20μs/div，误差≤5%； (5) 触发功能要求：单次触发、扩展、内触发、上升沿、电平可调； (6) 显示波形无明显失真；

(7) 产生100kHz，0.3V的校准方波； 报告主要内容:

1．对赛题要求的分析

2．具体实现方案讨论及器件参数计算

3．模拟部分电路设计及数字控制部分软件编写 4．安装调试及所遇到的问题 5．测试结果分析 6．总结

1. 对赛题要求的分析

(1) 工作流程：A/D采集、双口RAM存储、D/A显示。 需要器件：A/D、单片机、D/A、FPGA等主要器件； (2) 内触发上升沿、触发电平可调；

扫描速度 0.2s/div，0.2ms/div，20 μ s/div； 垂直灵敏度0.1V/div， 1V/div，0.01V/div 移动扩展。

要具有控制功能:1.控制器 2. 人机接口

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2. 具体方案讨论

2.1 采样方式的选择

实时采样和等效时间采样：实时采样即按照AD的采样速率对波形进行满足奈奎斯特采样速率的采样；等效采样是在周期信号频率过高，AD速率无法满足奈奎斯特采样速率时，间隔整数倍周期T＋最小采样间隔时间对信号进行采样。具体示意图见下：

题中要求输入信号频率范围：10Hz~10MHz，样点直接恢复方式为至少20点/周期， A/D转换速率应小于1Ms/s。故对于高频信号（大于500KHz），应采用等效采样方式，低频信号采用实时采样方式。

2.2 控制器件的选择 1．对控制器件的要求

* AD采集速率：高达1000kHz(1 μ s)， 低至 20ms；（决定于扫描速度）

* 样点恢复速率：DA时钟为10MHz，绝对满足输出波形要求。

* 幅度档位调节：1V/div，0.1V/div，0.01V/div采用程控放大器实现。 * 水平档位调节：0.2s/div，0.2ms/div，20 μ s/div，由X轴（水平）扫 描速率决定。

2．三种方案

(1) VLSI：例如 FPGA。特点：可以实现较快的采样及处理速度，但仅用FPGA时程序烦琐，且实现良好的人机界面时难度较大。

(2) MCU：可以实现基本功能，但处理速度速度不能达到采样速率的要求。

(3) MCU+FPGA：MCU和FPGA可以适当分工，MCU控制人机接口以及与FPGA的通讯，FPGA实现具体器件的控制功能。

综上：第三种方案实现最为容易，且器材获得方便，成本较低，故选择第三种方案。 总体电路示意图：

2.3 技术指标初步分配（误差是定量指标） （1） 信号通道

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前向通道（采集、存储）≤2.5% 后向通道（恢复） ≤2% 2.5% + 2% = 4.5% ≤ 5% （2） 时基（时间基线、扫描速度）

控制信号（采样时钟）误差忽略不计 扫描电压及输出电路 ≤2% 3. 部分电路设计及模拟

将该简易DSO划分为3个部分：

Y 通道（前、后向通道）、X通道和控制器 3.1 前向通道 * 初步控制作用

S1 校零，S2校满度

* 内容：信号调理电路； 低通滤波器；电平移位；前向通道通道性能分析；触发电路。

（1）输入电路

* 要求: Ri’≥100kΩ，输入噪声电压影响； * 输入电阻（阻抗）对被测系统的影响： Z越高，影响越小。

* 输入电路

* 取R≥ 100kΩ * 运算放大器OP27 初步核算：

输入电阻：Ri’ =R// Ri ≈ R ≈ 100kΩ； 输入端噪声电压：3.6nV，

而最高灵敏度时的测量分辨力为 ：312μV， 3.6nV《 312μV （2） 信号调理电路

* 作用：使信号符合A/D输入的要求

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