將設計好的圖形界面加載到智能終端存儲單元，然后按設定對坐標值進行識別，即可實現觸摸式控制輸入。示波器共有9個功能鍵，分別為：3個垂直區分度選擇按鈕，用于垂直靈敏度選擇；3個水平區分度選擇按鈕，用于水平掃描速度選擇；采樣方式切換按鈕，用于選擇實時采樣和等效采樣；波形存儲按鈕和波形調出按鈕，用于當前的波形采集存儲及調出；單次觸發按鈕，能對滿足觸發條件的信號進行單次采集與存儲。

3 信號采集及處理分析

3.1 信號采集原理

對不同的頻率信號進行測量時選取合理的采樣手段將直接影響系統的測量精度，在數字信號分析技術中，常用的信號采樣方法有兩種：實時采樣和等效采樣。

實時采樣(Real Sampling)通常是等時間間隔的，其最高采樣頻率是奈奎斯特極限頻率，特點是，取樣一個波形所得脈沖序列的持續時間等于輸入信號實際經歷的時間，所以取樣信號的頻譜比原信號還要寬。在本設計中采用A/D轉換器件頻率為400 kHz，根據采樣特性可計算出該數字示波器能對不大于50 MHz的輸入信號進行采樣輸出。

等效采樣(Equivalent Sampling)是指針對周期信號的時域重復的特點，在不同的時間段進行多次較低采樣率的采樣，然后將這些低采樣率的樣本復合成高采樣率的數據樣本，從而真實重構出原始信號波形的數據采集方法。它利用信號的周期性，以增加采集時間為代價，降低對高速采樣電路的壓力，通過重組恢復原始信號。

本文采用提取等效采樣時間采樣，它是用信號的重復頻率fi與采樣率fs的特殊關系，使等效的采樣率增加D倍。

首先，適當選取輸入信號的重復頻率fi，采樣D個周期的信號波形，然后把記錄的數據通過一個簡單的算法重新排列組合，以獲得一個完整的輸入信號波形，這樣等效采樣率是實際采樣率的D倍。

實際實現時，D的選取取決于所需要的等效采樣率fe，使得fe=Dfs即可。而L是單個周期實際采樣點的個數，L=int(M/D)，M是記錄的采樣數據的總和。輸出信號的重復頻率為：

提取等效時間采樣的方法可以提高采樣率，但要求輸入信號的重復頻率fi要受到精確度的控制，而等效采樣率為Dfs，與輸入信號無關，當輸入信號的重復頻率偏離式(2)中所給的值，等效采樣度變最大時間偏差為：

等效于展寬了頻帶，此時頻帶的寬度與A/D轉換的速度和微處理器的速度幾乎無關，用這種方法結合設計的數字示波器，較容易地測量高頻信號的頻率和幅值。

最后，把采樣得到的數據進行存儲，然后進行統一的分析，復現出信號的函數曲線，可計算得到幅值。

由于在設計過程當中對電壓信號采樣分析采用的是等效方式，采集到的是以時間為自變量的離散序列，這些采樣數據反映了被測參數的變化過程，但帶有一定程度的誤差，勢必會引起采集數據失真的現象。為了避免非誤差允許范圍內的值對測量結果造成干擾，采用軟件對測量結果進行曲線擬合的方式對數據進行修正，以保證測量結果的相對精度。

3.2 顯示分辨率計算

設計的波形顯示窗口一共有354x446像元素，能滿足設計要求，統一分析采集的數據，采用正弦內插算法進行處理，形成相應的輸出，復現被測信號波形。

4 系統軟件設計

編程邏輯器件CPLD采用硬件描述語言VHDL為底層支撐，用原理圖輸入的方式來實現系統軟件部分的設計。DSP軟件編程采用C語言與匯編語言混合編程，程序主體用C語言編寫，對于占用處理器時間較多的算法程序和I/O接口操作則采用匯編語言編程，匯編代碼可以用C語言可調用的函數或內聯代碼的形式出現，把C語言和匯編語言的優點有機結合起來。系統軟件完成數據收集分析，把采集到的曲線坐標經處理后由RS 422標準接口傳輸給智能終端，同時也能接收到智能終端的輸入信息，執行相應的功能，系統程序流程圖如圖3所示。

5 測試結果

(1)系統能對10 Hz～20 MHz的任意周期信號進行測量，對大于20 MHz的信號，由于輸入信號調理電路器件帶寬的限制，導致用于測量輸入信號頻率的方波失真，致使示波器的測量信號頻率精度降低。對相同頻率的信號，等效采樣方式的波形比實時采樣方式的波形要好，其原因是同一個信號周期內前者的采樣點比后者的采樣點多。
　　(2)示波器的顯示屏刻度垂直方向有354個像元，水平方向有446個像元，顯示分辨率較高。
　　(3)示波器的垂直靈敏度分辨率包含1 V/div，0.1 V/div及2 mV/div三檔，對比專用數字示波器測試結果，信號在顯示屏上顯示明顯，波形失真小。
　　(4)示波器實時采樣速率為400 kHz，等效采樣速率可達200 MHz。
　　(5)系統在掃描速度包含了20 ms/div，2 μs/div及100 ns/div三檔。
　　(6)系統具有存儲和調出顯示信號波形的功能。

用所設計的示波器，分別對多種信號的不同頻率、幅值進行測試，同時對比高精度數字示波器測量結果，具體測試數據如表所示。

6 結語