第一章 前言
1.1 数字存储示波器概述
传统模拟示波器基本结构框图如图1.2所示，其由水平系统（X轴信号通道）、垂直系统（Y轴信号通道）、示波管、电源等组成[2]。工作时将模拟信号存储在示波管的存储栅网上用于显示。相较于模拟示波器，数字存储示波器在功能上发生重大变革。数字存储示波器能够实现长期存储模拟信号，同时可利用机内微处理器进一步处理存储信号，例如测量波形的幅值、频率、平均值、前后沿时间、FFT运算。从未来发展的趋势来看，数字存储示波器最终必将取代传统模拟示波器。。数字存储示波器最常用的两种显示方式是滚动显示和存储显示。将存储的所有的瞬变信号稳定不闪烁地显示出来即称之为存储显示，存储显示还可以将显示的波形作扩展移动。在屏幕上按照左边进入右边移出的顺序连续不断的显示波形即称之为滚动显示，滚动显示的好处是可以观察到波形的全貌。
1.2 国内外数字存储示波器的发展概况
同时支持Partridge 打印机、 U 盘存储。因为目前的示波器一般都包含了微处理器，软件系统属于嵌入式系统。 故对于数据的分析与运算可以更加快速方便。从最初只能完成简单的加减法运算，到如今示波器已经能够完成数字滤波、傅里叶变换等更加高级的数学功能，这些高级功能使得用户对数据的分析处理更加方便。随着近些年来电子技术突飞猛进的发展，全球数字存储示波器的市场进一步扩大。 而作为在世界经济发展中至关重要的中国，快速发展的电子产业使得数字示波器的需求市场更加庞大。如此庞大的市场需求，吸引了中国本土和世界各大示波器制造商的目光，一方面各厂商增强了进军中国市场的力度，另一方面也紧跟市场调研用户的实际使用需求，加强产品的性能的创新与提高来使用户的需求得到最大限度的满足。未来示波器市场的竞争愈发激烈，对测试的要求也会越来越高，谁想赢得市场谁就得不断满足用户不断变化的测试要求[3]。
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第二章 系统硬件设计
2.1 程控衰减与放大
本示波器可测信号的电压范围为5mV~160V，而 AD转换器的输入电压范围为1.5V~3.5V，为了使AD正常工作故需将输入信号做衰减或放大处理，且衰减或放大的倍率由程序控制实现。如图2.2所示，信号先进入阻容衰减电路，通过继电器的闭合或关断来实现相应的衰减比，然后又被送到放大电路，放大部分使用了压控可变增益放大器和高精度DAC的结构，即放大倍数由DAC的输出电压控制，而DAC的输出电压由单片机的控制数据决定，这种结构使得控制方便灵活，且可以用软件对放大倍数进行补偿。本设计中缓冲器由高速运放OPA354和外围器件组成，如图2.5所示。OPA354 单位增益带宽高达 250MHz ，输入阻抗高达 100MHz 压摆率高达 150 。OPA354 是电压反馈型、CMOS开环、高速系列运放，专门应用于视频和需要高带宽的运放电路。并且OPA354具有稳定的单位增益、较大的驱动电流，功耗低，静态电流仅为4.9mA。
2.2 整形电路
整形电路是将555定时器接成多谐振荡器，将待测的非方波信号调整为同频率的方波信号，然后送至MCU1以便测量频率。多谐振荡器为一种自激振荡器。通电后多谐振荡器可自动产生矩形脉冲，无需外加启动信号。555定时器是模拟——数字集成电路，具有多种用途，用少量的外围器件就可以组成多谐振荡器。将555的2、6脚连在一起，当555的比较器C1与C2间的参考电压不相同时，将会引起555中的 RS 触发器将会根据输入信号IV 的不同电平置0或置1，因而输出电压OV 也会随着IV 的电平而变化，这就构成了施密特触发特性。实现将非方波信号整形为同频率的方波信号的要求。
第三章 系统软件设计 ................................. 25
3.1 控制软件设计................................................ 26
3.1.1 灵敏度和采样率的控制 .................................... 26
3.1.2 DDS 时钟的控制 ...................................... 28
第四章 实验结果 ..................................... 42
第五章 总结 ......................................... 48
第四章 实验结果
本示波器可实现信号的采样与波形显示、频率和峰值参数的测量以及 FFT频谱分析等功能，其外观如图 4.1 所示。由于时间关系未能完成本示波器的按键控制功能，所以本示波器被用来测信号之前，预先在其源程序中设置好采样率和垂直分辨率，然后再将源程序代码下载到微控制器，测试过程中示波器将自动完成信号的采集、波形显示和 FFT 频谱分析。实验中使用了优利德科技有限公司生产的一款型号为 UTD2050 的示波器，如图 4.2 所示。该示波器自带一个函数信号发生器，其输出端位于图 4.2 中UTD2050 示波器的右下角。该函数信号发生器可输出三种信号：正弦波、三角波、方波，输出信号的频率最高可达 15MHz。本实验中 UTD2050 示波器主要起到了两方面作用，一方面是作为信号源，另一方面是以其测量结果为标准来比较分析本示波器的测量结果。用本示波器测量上述正弦信号，在采样频率为 150KHz 和垂直分辨率为 100mV/div 的条件下，本示波器对正弦信号的测量结果如图 4.4 所示。测得信号的频率为 10.001KHz，峰值为 635mV，与图 4.3 比较，本示波器测得正弦信号的频率误差为万分之一，峰值误差为 4.8%。
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第五章 总结
本文的创新之处主要有以下几点，首先以艾特梅尔公司的 AVR 单片机为控制核心，AVR 是 8 位的 RISC 微控制器，它在指令和数据吞吐能力方面比传统的 CISC 结构要快很多倍。在采样电路中采用 BB 公司生产的型号为 ADS830E的转换器，ADS830E 的最高工作频率可达 60MHz，远高于微控制器的工作频率。一般情况下示波器 CPU 的工作频率不会低于 AD 转换器的工作频率，为了与 AD 转化器的工作速度同步，本文在 AD 转换器之后加入了高速 FIFO 缓冲存储器，用其与高速 AD 同步工作并存储 AD 的转换数据。控制器可以随时从 FIFO中读取采样数据，而不用受工作速度的限制。本文的第二点创新在于采用 DDS电路提供给 AD 转换器采样时钟信号，DDS 即直接数字式频率合成器，由程序控制其输出频率和相位，无需外接元件易于调节，功耗低。而传统示波器一般采用多级门电路对主时钟振荡器进行分频得到所需采样时钟，电路不仅结构复杂而且功耗大，两相比较，DDS 具有很大的优势。本文的第三点创新是在放大电路中采用了增益可变运算放大器和高精度 DAC 结构，即放大倍数由 DAC 的输出电压控制，而 DAC 的输出电压由单片机的控制数据决定。这种结构不仅可降低电路功耗而且可以用软件对放大倍数进行调整使得控制更加方便。
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参考文献（略）