2020年04月05日 | 微型虚拟示波器的设计与实现

　　接触USB总线已经有5年左右的时间了，刚接触USB时就采用了周立功代理的芯片——PDIUSBD12，该芯片为USB设备控制器，可以实现批量12Mbps的数据传输率。采用该芯片我设计了一些数据采集系统以及信号发生系统，主要应用于虚拟测试。这里我想总结一下我以前设计实现的微型虚拟示波器，并对示波器的关键技术作一下简单总结。

　　实物展示

　　微型虚拟示波器一共设计了三版，下图是一个稳定版本。总的来说体积还是相当小的，技术指标也还可以，能和一台普通20MHz带宽的模拟示波器相媲美。

　　上图所示的板子为示波器的核心部分，还需要前向通道电路，实现阻抗匹配、信号衰减以及程控放大。上位机的测控软件基于Labview平台，软件界面如下图所示，Labview通过CLF接口访问动态链接库，从而操作硬件系统。

　　虚拟示波器的硬件部分完成信号获取，本质为一个数据采集系统。软件部分完成信号处理，定义具体仪器的功能。如果只需要显示时域波形，那么该仪器定义为示波器，如果需要定义成频谱分析仪，那么加入频谱分析的算法环节（FFT频域变换）就可以了。

　　设计实现的微型虚拟示波器指标如下：

　　1、基于USB总线，无需外部电源，即插即测；

　　2、体积小，80mm×65mm，普通人手掌大小；

　　3、±5V(1:1示波器探头)双极性信号输入；

　　4、×0.5、×5倍程控放大；

　　5、单/双通道可选择输入模式；

　　6、实现单通道80MHz采样率，双通道40MHz采样率；

　　7、单通道64K板载存储器，双通道32K板载存储器，并且程控调节存储容量

　　8、8位垂直数据分辨率；

　　9、外触发、程序触发等工作模式；

　　10、8级采样频率程控选择；

　　11、WDM驱动程序，适用于WINDOWS98/2000/XP操作系统；

　　12、采用DLL动态连接库与LabVIEW连接；

　　系统原理框图

　　微型虚拟示波器的系统原理框图如下所示：

　　输入信号经过无源探头进行阻抗匹配，设计的输入阻抗为1MR/20PF。匹配之后的信号经过衰减网络、前置放大通道，然后输入至双通道高速采样模块。双通道采样模块将信号采样、量化之后在CPLD的逻辑控制下直接输入至缓存，当缓存中的数据累计到一定程度之后，数据通过USB接口批量传输至PC，测控软件对信号进行处理、显示。

　　关键技术分析

　　（一）高速采样

　　双通道高速采样模块是系统的设计核心。示波器中常用的数据采集主要有如下三种：

　　1、双通道独立采样模式。在该模式中，双通道ADC对各自的通道独立采样，采样获取的数据分别存入各自的缓存空间，PC软件会显示双通道的独立信号。在这种模式下，每通道的数据采样率决定于ADC的实际能力。

　　2、双通道并行采样模式。在该模式下，双通道的ADC聚合采样同一通道的信号，两个通道的采样脉冲相位差180度，双通道获取的信号通过PC软件进行交叉聚合，输入一个通道的信号。采用并行采样的方法可以在固定ADC的采样能力的基础上提高采样率。

　　3、等效采样模式。该模式只能对周期信号进行采样，通过相移采样脉冲，采样多个周期下的信号波形，从而实现低采样率下的高速信号获取。

　　本设计实现了（1）、（2）两种采样模式，核心的采样ADC选用了TI公司提供的TLC5540，该芯片为半闪速8位高速模数转换器，最高采样率能够达到40Msps，输入信号频率带宽75MHz，内置基准点压源，在通常情况下，该芯片的功耗仅为75mW。在并行采样模式下，系统实际采样率能够达到80Msps，但是需要提供一个相差180度的采样时钟信号，为了避免逻辑门电路带来的延时，系统没有采用非门实现采样时钟，而是通过JK触发器产生两路同频反相的时钟信号。

　　（二）无源衰减网络

　　示波器的一大特点在于信号的动态范围宽，频谱范围宽。为了保证数据采集系统能够正常工作，需要对大信号进行衰减，为了使得在宽频的信号范围下，信号不产生畸变，一般采用无源阻容分压器。阻容分压器考虑输入信号的频率特性，在低频情况下直接为电阻分压比，在高频情况下，为电抗分压比。无源衰减网络本质上为一个平衡电桥，在一般的无源示波器探头中都存在一个调谐电容，调整该电容可以使得平衡电桥达到最佳补偿状态，在该状态下，信号衰减率就与频率无关了，所以能够在一个较宽的频带范围内，实现固定的信号衰减。

　　（三）程控放大

　　无源衰减网络输出信号输入至程控放大器，程控放大器选用美国德州仪器公司生产的FET输入宽频运算放大器OPA655和日本东芝公司最新推出的微型固态继电器AQY210实现。通过DC-DC变换模块将+5V电源转换成-5V电源，作为OPA655供电电源。OPA655是美国德州仪器公司(TI)生产的FET输入高阻宽带运放，常用作宽频光电检测放大器，测试测量仪器前置放大器。

　　（四）存储系统

　　在示波器技术中，存储技术起到了关键作用，往往也是系统的瓶颈所在，所以目前商用示波器系统中存储芯片往往都要示波器厂商自己设计。由于本设计的采样频率不是很高，所以可以采用IS61C256静态RAM作为存储介质，另外通过CPLD中的逻辑电路完成存储的时序接口。

　　（五）USB通信接口

　　USB通信接口采用了D12+AT89S52的设计方案，该方案可以实现12Mbps的批量数据传输。批量传输的数据包最大能够达到64字节。Usb通信接口的设计需要设计固件程序、驱动程序以及应用程序所需的DLL动态链接库。对于虚拟示波器，USB1.1标准的接口性能偏低，目前可以考虑USB2.0标准的接口，通信速率能够达到480Mbps。（USB设计资料：Tiloog’s blog for technology提供了USB固件源码，另外，computer00也提供了很多关于usb的设计案例及资料）

　　示波器设计心得

　　该微型虚拟示波器已经设计多年了，设计之初考虑较多的是通信接口、数据采集以及前向通道。特别是通信接口是设计的重点，因为当时USB通信设计还是特别热门的事情，不容易将USB通信搞通。数据采集也有一定的挑战性，因为采样率需要达到80Msps，另一个有难度的就是前向通道，但是，设计之初没有对前向通道投入足够的时间，只是做了简单设计，所以，从严格意义上讲，该系统还不能称之为“示波器”。

　　从我目前的认识来讲，示波器设计的核心在于前向通道、模数转换这两块，对于单台仪器来讲通信接口问题不是很大（集成系统的通信接口另当别论）。前向通道的信号放大、衰减电路都非常重要，特别是当今的示波器通道带宽已经达到10GHz以上的水平，所以，前向通道面临着大动态范围、宽频的挑战，这是示波器设计的核心。模数采集也十分重要，随着频率的提升，对模数转换提出了更高的采样率需求，当输入信号在10GHz量级时，采样率需要达到20GHz以上，所以模数转换器是示波器的核心器件，另外，高速采样必然需要大容量高速存储，所以对存储器的访问延迟、访问带宽提出了更高的要求。硬件都不是理想的，多多少少都会存在失真，都会存在非线性，所以示波器通常需要各种各样的补偿，在示波器技术中，目前应用最多的是采用DSP技术进行频域、时域的补偿。通过补偿，可以拓宽前向通道的带宽，通过校正可以滤除宽带引入的随机噪声。所以，DSP技术在示波器领域得到了非常广泛的应用，给示波器带来了实实在在的实惠。

　　五年前，当我听说某位老先生为示波器的研制投入了一辈子，我会扼腕痛惜：为什么这样的东西还需要投入一辈子的精力去搞，这有什么搞头？后来我才明白，示波器技术博大精深，不投入一辈子的时间是搞不定的，她本质上就是一门通用信号提取的科学，这就是我对示波器的理解。