摘要：設計制作了一臺便捷式數(shù)字示波器，能對小于20 MHz的任意周期的赫茲信號進行頻率、幅值測量，同時也能對信號波形實時顯示。該示波器以數(shù)字信號處理器TMS320VC33和可編程邏輯器件EPF10K50V為核心，以OP37進行信號預處理，再由A/D芯片AD7667完成信號采集，通過總線將信號傳輸給主處理器，采用LJD-ZN-3200K智能終端設備實現(xiàn)人機交互，具有對周期信號進行測量、連續(xù)和單次觸發(fā)及存儲等功能，并可對被測信號無失真顯示。系統(tǒng)測試結果表明，系統(tǒng)頻率測量誤差小于0.05%，信號幅值測量誤差小于1%。

0 引言

示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。電子技術的日新月異，使各類電信號越來越復雜，在工程應用中對信號實時采樣率和波形捕獲率也有較高的要求，數(shù)字示波器成了各個崗位的硬件開發(fā)和測試人員必不可少的工具。針對當前柔性工業(yè)測量系統(tǒng)的需要，本文給出DSP+CPLD的方案，實現(xiàn)了一種高精度、高集成的便捷式數(shù)字化存儲示波器的設計，系統(tǒng)盡可能地采用數(shù)字集成電路，結構簡單，測量結果可靠性高，具有友好的人機界面，同時具有高采樣率、高分辨率及低誤差等特點。

1 系統(tǒng)設計方案

該數(shù)字示波器主要由測量控制和顯示輸出兩部分組成。輸入信號在測量電路前端，經(jīng)由信號變換電路處理成各次級單元能處理的等效信號，主要是由比較電路處理輸出正方波和峰-峰值為2.5 V的等效運算放大輸出信號。方波信號作為記數(shù)脈沖，觸發(fā)可編程邏輯器件CPLD來實現(xiàn)頻率值的測量。同時，經(jīng)運算放大器輸出的信號輸入至采樣保持器，由主控制器DSP向其相關引腳發(fā)出鎖存信號來實現(xiàn)對待測信號的采樣和鎖存輸出的功能切換。

當控制端置“1”時為鎖存輸出，這時，輸出的信號可供A/D轉換器件進行數(shù)據(jù)采集；置“0”時實現(xiàn)對信號的采集。A/D采集回來的數(shù)據(jù)送給DSP，再由DSP先把外部數(shù)據(jù)存儲在外部存儲器中，然后進行分析，最后，把經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)通過RS 422標準接口以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給液晶顯示器顯示輸出。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 硬件設計

系統(tǒng)硬件部分由信號輸入變換電路、采樣保持電路、主控制電路、智能終端設備等部分組成。

2.1 信號輸入變換及采樣保持電路

信號輸入變換電路主要用于實現(xiàn)信號的等效變換。設計中采用高速的OP37進行信號變換、采樣保持，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要部件，對信號起隔離緩沖作用。如果要對變化速度高的模擬信號進行A/D轉化，轉換精度要求比較高，為了防止A/D轉換過程中信號發(fā)生變化，就必須采用S/H電路。S/H電路和A/D配合，可以消除A/D的輸出脈動，并通過MUX實現(xiàn)多路采樣控制。

在這里采用高性能單片采樣/保持器LF398，具有很高的直流精度、很快的采樣時間和很低的下降速度，器件的動態(tài)性能和保持性能可通過合適的外接保持電容達到最佳。信號調理電路如圖2所示。

2.2 測頻電路

示波器對信號的測頻是根據(jù)等精度頻率計的原理設計的。由可編程邏輯器件EPF10K50V完成，100 MHz的標準頻率信號直接進入EPF10K50 V。器件采用信號輸入變換電路輸出的方波脈沖作為計數(shù)器的時鐘輸入信號，用標準的100 MHz進行記數(shù)，最后算出輸入信號的頻率。

通過圖形法和VHDL語言對EPF10K50V編程，本設計中，CPLD完成對信號頻率的測量。頻率測量原理如下：在單位測量時間Tp中被測信號計數(shù)值為Nx，對標準信號的計數(shù)值為Ns，在已知標準頻率fs的基礎上，被測信號頻率值fx滿足：

2.3 幅度信號采集

為了滿足對高頻率信號的采集，選用ADI公司推出的AD7667來實現(xiàn)對被測信號的幅值測量。AD7667是16位A/D轉換芯片，內(nèi)部2.5 V參考電壓，工作范圍為0～2.5 V，LSB小于±2 b，轉換速率為800 Kb/s，轉換時間小于1μs，采用單+5 V電源供電。由信號變換電路把被測信號轉化成工作范圍內(nèi)的有效值，進行精確測量。

2.4 人機交互部分設計

示波器的顯示及指令輸入由智能終端設備LJD-ZN-3200K來實現(xiàn)。LJD-ZN-3200K是集輸入、輸出為一體的智能圖形化界面輸出設備分辨率為640×480，能滿足系統(tǒng)設計的要求。該設備終端通過串行接口與主控制器通信，完成數(shù)據(jù)傳輸。