微型虛擬示波器的設計與實現

　　接觸USB總線已經有5年左右的時間了，剛接觸USB時就采用了周立功代理的芯片——PDIUSBD12，該芯片為USB設備控制器，可以實現批量12Mbps的數據傳輸率。采用該芯片我設計了一些數據采集系統以及信號發生系統，主要應用于虛擬測試。這里我想總結一下我以前設計實現的微型虛擬示波器，并對示波器的關鍵技術作一下簡單總結。

　　實物展示

　　微型虛擬示波器一共設計了三版，下圖是一個穩定版本。總的來說體積還是相當小的，技術指標也還可以，能和一臺普通20MHz帶寬的模擬示波器相媲美。

　　上圖所示的板子為示波器的核心部分，還需要前向通道電路，實現阻抗匹配、信號衰減以及程控放大。上位機的測控軟件基于Labview平臺，軟件界面如下圖所示，Labview通過CLF接口訪問動態鏈接庫，從而操作硬件系統。

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　　虛擬示波器的硬件部分完成信號獲取，本質為一個數據采集系統。軟件部分完成信號處理，定義具體儀器的功能。如果只需要顯示時域波形，那么該儀器定義為示波器，如果需要定義成頻譜分析儀，那么加入頻譜分析的算法環節（FFT頻域變換）就可以了。

　　設計實現的微型虛擬示波器指標如下：

　　1、基于USB總線，無需外部電源，即插即測；

　　2、體積小，80mm×65mm，普通人手掌大小；

　　3、±5V(1:1示波器探頭)雙極性信號輸入；

　　4、×0.5、×5倍程控放大；

　　5、單/雙通道可選擇輸入模式；

　　6、實現單通道80MHz采樣率，雙通道40MHz采樣率；

　　7、單通道64K板載存儲器，雙通道32K板載存儲器，并且程控調節存儲容量

　　8、8位垂直數據分辨率；

　　9、外觸發、程序觸發等工作模式；

　　10、8級采樣頻率程控選擇；

　　11、WDM驅動程序，適用于WINDOWS98/2000/XP操作系統；

　　12、采用DLL動態連接庫與LabVIEW連接；

　　系統原理框圖

　　微型虛擬示波器的系統原理框圖如下所示：

　　輸入信號經過無源探頭進行阻抗匹配，設計的輸入阻抗為1MR/20PF。匹配之后的信號經過衰減網絡、前置放大通道，然后輸入至雙通道高速采樣模塊。雙通道采樣模塊將信號采樣、量化之后在CPLD的邏輯控制下直接輸入至緩存，當緩存中的數據累計到一定程度之后，數據通過USB接口批量傳輸至PC，測控軟件對信號進行處理、顯示。

　　關鍵技術分析

　　（一）高速采樣

　　雙通道高速采樣模塊是系統的設計核心。示波器中常用的數據采集主要有如下三種：

　　1、雙通道獨立采樣模式。在該模式中，雙通道ADC對各自的通道獨立采樣，采樣獲取的數據分別存入各自的緩存空間，PC軟件會顯示雙通道的獨立信號。在這種模式下，每通道的數據采樣率決定于ADC的實際能力。

　　2、雙通道并行采樣模式。在該模式下，雙通道的ADC聚合采樣同一通道的信號，兩個通道的采樣脈沖相位差180度，雙通道獲取的信號通過PC軟件進行交叉聚合，輸入一個通道的信號。采用并行采樣的方法可以在固定ADC的采樣能力的基礎上提高采樣率。

　　3、等效采樣模式。該模式只能對周期信號進行采樣，通過相移采樣脈沖，采樣多個周期下的信號波形，從而實現低采樣率下的高速信號獲取。

　　本設計實現了（1）、（2）兩種采樣模式，核心的采樣ADC選用了TI公司提供的TLC5540，該芯片為半閃速8位高速模數轉換器，最高采樣率能夠達到40Msps，輸入信號頻率帶寬75MHz，內置基準點壓源，在通常情況下，該芯片的功耗僅為75mW。在并行采樣模式下，系統實際采樣率能夠達到80Msps，但是需要提供一個相差180度的采樣時鐘信號，為了避免邏輯門電路帶來的延時，系統沒有采用非門實現采樣時鐘，而是通過JK觸發器產生兩路同頻反相的時鐘信號。

　　（二）無源衰減網絡

　　示波器的一大特點在于信號的動態范圍寬，頻譜范圍寬。為了保證數據采集系統能夠正常工作，需要對大信號進行衰減，為了使得在寬頻的信號范圍下，信號不產生畸變，一般采用無源阻容分壓器。阻容分壓器考慮輸入信號的頻率特性，在低頻情況下直接為電阻分壓比，在高頻情況下，為電抗分壓比。無源衰減網絡本質上為一個平衡電橋，在一般的無源示波器探頭中都存在一個調諧電容，調整該電容可以使得平衡電橋達到最佳補償狀態，在該狀態下，信號衰減率就與頻率無關了，所以能夠在一個較寬的頻帶范圍內，實現固定的信號衰減。

　　（三）程控放大

　　無源衰減網絡輸出信號輸入至程控放大器，程控放大器選用美國德州儀器公司生產的FET輸入寬頻運算放大器OPA655和日本東芝公司最新推出的微型固態繼電器AQY210實現。通過DC-DC變換模塊將+5V電源轉換成-5V電源，作為OPA655供電電源。OPA655是美國德州儀器公司(TI)生產的FET輸入高阻寬帶運放，常用作寬頻光電檢測放大器，測試測量儀器前置放大器。

　　（四）存儲系統

　　在示波器技術中，存儲技術起到了關鍵作用，往往也是系統的瓶頸所在，所以目前商用示波器系統中存儲芯片往往都要示波器廠商自己設計。由于本設計的采樣頻率不是很高，所以可以采用IS61C256靜態RAM作為存儲介質，另外通過CPLD中的邏輯電路完成存儲的時序接口。

　　（五）USB通信接口

　　USB通信接口采用了D12+AT89S52的設計方案，該方案可以實現12Mbps的批量數據傳輸。批量傳輸的數據包最大能夠達到64字節。Usb通信接口的設計需要設計固件程序、驅動程序以及應用程序所需的DLL動態鏈接庫。對于虛擬示波器，USB1.1標準的接口性能偏低，目前可以考慮USB2.0標準的接口，通信速率能夠達到480Mbps。（USB設計資料：Tiloog’s blog for technology提供了USB固件源碼，另外，computer00也提供了很多關于usb的設計案例及資料）

　　示波器設計心得

　　該微型虛擬示波器已經設計多年了，設計之初考慮較多的是通信接口、數據采集以及前向通道。特別是通信接口是設計的重點，因為當時USB通信設計還是特別熱門的事情，不容易將USB通信搞通。數據采集也有一定的挑戰性，因為采樣率需要達到80Msps，另一個有難度的就是前向通道，但是，設計之初沒有對前向通道投入足夠的時間，只是做了簡單設計，所以，從嚴格意義上講，該系統還不能稱之為“示波器”。

　　從我目前的認識來講，示波器設計的核心在于前向通道、模數轉換這兩塊，對于單臺儀器來講通信接口問題不是很大（集成系統的通信接口另當別論）。前向通道的信號放大、衰減電路都非常重要，特別是當今的示波器通道帶寬已經達到10GHz以上的水平，所以，前向通道面臨著大動態范圍、寬頻的挑戰，這是示波器設計的核心。模數采集也十分重要，隨著頻率的提升，對模數轉換提出了更高的采樣率需求，當輸入信號在10GHz量級時，采樣率需要達到20GHz以上，所以模數轉換器是示波器的核心器件，另外，高速采樣必然需要大容量高速存儲，所以對存儲器的訪問延遲、訪問帶寬提出了更高的要求。硬件都不是理想的，多多少少都會存在失真，都會存在非線性，所以示波器通常需要各種各樣的補償，在示波器技術中，目前應用最多的是采用DSP技術進行頻域、時域的補償。通過補償，可以拓寬前向通道的帶寬，通過校正可以濾除寬帶引入的隨機噪聲。所以，DSP技術在示波器領域得到了非常廣泛的應用，給示波器帶來了實實在在的實惠。

　　五年前，當我聽說某位老先生為示波器的研制投入了一輩子，我會扼腕痛惜：為什么這樣的東西還需要投入一輩子的精力去搞，這有什么搞頭？后來我才明白，示波器技術博大精深，不投入一輩子的時間是搞不定的，她本質上就是一門通用信號提取的科學，這就是我對示波器的理解。