数字示波器

1 前言

目前示波器的种类繁多，其频带由0．1 Hz到几十MHz，甚至上百MHz，还具有存储显示和打印功能。而频带越宽，A/D和D/A转换器的速度越高，价格也越贵，所以现在的示波器价格昂贵，功能单一。这里提出的数字示波器输入频率范围为10 Hz～10 MHz，幅度范围为16 mV～8 V；而垂直灵敏度有3档，水平灵敏度有8档；且信号幅度和周期测量误差都小于1％；能对波形上下，左右移动，拉宽和缩窄；并能掉电存储波形和显示两通道的相位差。该数字示波器的价格低廉，功能强大，精度较高，应用于多种场合，产品携带方便。

2 方案设计

2．1 采样方案

由于系统需要以小于1 MHz的实时采样率来采样频率为10 Hz～10 MHz的信号，且一个周期至少采集20个样本点，因此对于频率小于50 kHz的信号进行实时采样，而对于频率高于此的信号则需等效采样，最高等效采样率为200 MHz。

2．2 触发方案

由于该系统要求采用内部触发方式，即以输入信号本身为系统提供触发。因此采用数字电路触发方案，在FPGA内设触发电平，用A/D转换器实时采集输入信号，当采集到的电压等于触发电平时，产生触发。但由于A／D转换器的采样率和位数有限，不可能每次都采集到等于触发电平的点。若将触发电平设置为一段合适的电压范围，这样可以保证输出信号波形稳定。

3 系统整体设计

信号经过阻抗变换网络和程控放大环节，幅度被调理到一定的范围内。调理后的信号输入到比较整形模块，将输出的等频率的方波信号送进FPGA内的测频模块进行频率测量；同时，调理后的信号经采样保持电路送入采样模块，用MAX118对频率小于和大于50 kHz的信号分别进行实时采样和等效采样。采集的信号存储在FPGA内部的双端口RAM中，并能在通用示波器中显示信号波形，并具有单次触发和连续触发、存储波形、波形水平移动、垂直移动、产生100 kHz校准信号等功能。系统整体框图如图1所示。

3．1 采样保持电路

采样保持电路如图2所示。当模拟开关导通时，输入信号Vin经过模拟开关对电容C1充电，充电结束后，Vc1=Vin。当模拟开关断开时，电容C1上的电压在一段时间内保持不变，电容的漏电越小，运放的输入阻抗越大，Vcl保持的时间越长。选择合适的保持时间。可保证采样时的A／D转换输入端信号稳定。

采用MAX309作为模拟开关，引脚A0和A1控制通道选择。使用模拟开关的NO1通道输出，将引脚A1接地，通过控制引脚A0的电平可控制信号是否能传输到后级LM6171的输入端。C1采用低漏独石电容，取100 pF；MAX309的导通电阻RON为60 Ω，RON与C1构成了一个一阶低通滤波器，截止频率，10MHz的信号输入到采样保持电路，幅度不变。

前级的MAX477和后级LM6171接成高输入阻抗的射级跟随器，实现信号隔离。

3．2 比较整形电路

采用TI公司的TL3116，典型传输延迟时间为10 ns。将其接为滞回模式，可以抑制噪声引起的误翻转。在比较器输入前级接一级增益为20的放大器。图3为该系统的比较整形电路。