开题报告
电子信息科学与技术 简易等效采样数字示波器
一、选题的背景与意义
电子示波器兴起于上个世纪四十年代，由于电子设备的开发需要性能良好的波形观察工具，示波器成为电子产品开发者检测电子线路最有效的工具之一。后随着半导体和电子计算机的问世，尤其是电子系统的性能随着半导体集成度及功能的稳步提高,对示波器性能的要求越来越高，促进了示波器的发展。
在国外，早期主要是模拟示波器的开发，其带宽等性能都比较低。随着半导体和电子计算机的问世，促进电子示波器的带宽达到100MHz。六十年代美国开发出带宽 6GHz的取样示波器、带宽6GHz的多功能插件式示波器，标志着当时科学技术的高水平，为测试数字电路又增添逻辑示波器和数字波形记录器。从此模拟示波器发展缓慢，而数字示波器发展迅猛。由于竞争的激烈性，一些国家甚至退出示波器市场，目前美国在示波器方面的技术处于领先地位。
在国内，近几年厂商在数字示波器市场开发上取得了很好的成绩。但与国外大公司相比，国内企业仍有很大的差距，如产品主要针对中低端市场，无法满足高速测试需要，测试解决方案扩展低。在国内很多厂家、研究机构以及一些高校等都在加快示波器的更新换代。目前市场上出现的示波器不断向中高端产品发展，市场不断推出性能更加强大的多功能示波器以满足更高更准的测试要求。 示波器是显示被测量的电信号的瞬时值轨迹变化情况的仪器，分为模拟示波器和数字示波器。使用者通过使用示波器观察和测量线路电压电流波形来检测电子设备中线路工作异常情况，验证设备性能是否达标等，给使用者设计电子设备带来很大的帮助。示波器除观测电流电压的波形外，还可以测定频率、延时等信号特性。目前，示波器在各种科学研究、工程研究、工业生产及学校教育等众多领域有着极其广泛的应用。
传统的模拟示波器采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪），电子枪向屏幕发射电子，发射的电子经聚焦形成电子束,并打到屏幕上。屏幕的内表面涂有荧光物质,这样电子束打中的点就会发出光来。模拟示波器在早期的应用中很好的满足了当时的应用要求。模拟示波器可以清晰的获得信号波形，但是其带宽频率、存储能力、扩展性等受到限制，而且不能和计算机很好的融合使用。所以随着新型电子设备对信号检测的要求的逐步提高，数字示波器异军突起。数字示波器是数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器克服了模拟示波器的很
多缺点，它应用了采样技术，在信号记忆、存储和处理以及多种触发和超前触发能力上具有很大优势，加上可以在电脑上分析数据等优点，数字示波器迅速普及，有取代模拟示波器的趋势。 本次设计的简易数字示波器，采用实时采样和等效采样两种工作方式，具有校准信号输出、波形存储、回放显示和频率测量等一系列功能，突破了奈奎斯特采样定理的限制，具有较高的使用价值。
二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：
研究的基本内容：
本次设计研究的基本内容是采样原理技术的理解与应用并且制作一个简易等效采样数字示波器。本设计采用实时采样和等效采样两种工作方式，以C8051f020单片机和FPGA为核心制作一个更高的等效采样率、更宽的测量范围及更好的可靠性的简易数字采样示波器。
本次制作的简易数字采样示波器样机的主要性能要求如下：
(1)显示屏的刻度为8 div×10div，垂直分辨率为8bits，水平显示分辨率≥20点/ div，能测量1MHz以内的周期信号。
(2)垂直灵敏度要求含1V/div、0.1V/div、2mV/div三档。电压测量误差≤5%。
(3)实时采样速率≤1MSa/s，要求含有三档扫描速度，能完整观察示波器测量范围内波形，波形周期测量误差≤5%。
(4)仪器的触发电路采用内触发方式，要求上升沿触发，触发电平可调。 (5)显示部分采用液晶显示器。
(6)能提供频率为1kHz的方波校准信号，频率误差≤5%。 (7)其它功能模块。 拟解决的主要问题：
1. 等效采样原理的理解应用与功能实现 2. 系统硬件的整体设计 3. 芯片的选取 4. 触发功能的实现方式
5. 系统软件设计
三、研究的方法与技术路线：
1. 采样技术性能
采样技术是数字示波器制作一个重要技术点，也是此次设计的关键。采样技术大体分为两类：实时采样和等效采样两种。实时采样是示波器在一次触发后即能完成整个采集过程，常常受到采样速率和带宽等的限制。为了突破实时采样的固有限制，后来提出了等效采样。等效采样（Equivalent
Sampling）是指对多个信号周期连续样来复现一个信号波形，采样系统能以扩展的方式复现频率大大超过奈奎斯特极限频率的信号波形，在高速数据周期信号采集系统中有广泛的应用
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。与实时采
样不同，等效采样只能用于重复信号，但信号频率可以很高。在很多场合中，高频信号都是周期或者准周期的信号，所以我们在保证设计成本的同时利用等效采样就可以采集和复现高频信号。本次设计两种采样原理都采用，低频时使用实时采样，高频时使用等效采样。 2.等效采样原理
等效采样分为顺序和随机等效采样两种方法。等效采样又可分为顺序等效时间采样和随机等效时间采样，两者的区别在于，其采样不仅仅局限于在触发点后，还能在触发点之前。顺序采样是按照一个固定的次序进行采集，每到来一个新的触发事件就采集一个点 ，经过若干个信号周期后就可以将被测信号的各个部分采样一遍，从而复现波形。这种采样方法没有预触发的信息。随机等效采样就可提供预触发和触发信息以及触发后的信息。在随机等效采样示波器中，每一组采样点是在随机的时刻采集的，而与触发事件无关。这些采样点之间的时间间隔为一已知的时问，由采样时钟来确定。当示波器在等待触发事件到来时，其内部就在连续的进行采集并将采集数据存储起来。当触发事件到时我们测出触发事件到下一个采样点的时间，由于采样间隔时间是固定的，因此就可以从该测量时间推算出所有采样点相对触发的时间。经过多次的重复以上过程，就可以复现一个完整的随机采样的波形。
对比上述两种采样方式，随机等效采样算法比较复杂，需要开辟大量数据空间进行波形重建。其次，随机等效采样的采样序列在波形中的位置是随机的，需要遍历时间窗内的所有采样序列才能重建出一个完整的波形，对采样的控制要求较高。而顺序采样以采样时间为顺序，在系统组成结构上相对简单。故本设计采用顺序采样方式来实现。图1-1即为顺序等效采样时显示波形的构成情况。
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图1-1 顺序等效采样时显示波形的构成情况
3.系统硬件设计
本设计以C8051f020单片机和FPGA为核心来实现本数字示波器系统的主要功能。系统总体结构框图如图2-1所示。
A/D信信信信信信/信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信FIFO信信FPGA信信信信信信D/A信信
图2-1 系统总体结构框图
FPGA完成时基产生和采集时序控制功能。信号的调理是将输入的信号经放大、量程转换、保护、滤波、线性化等操作，使其变成一个能够被A/D正常转换的信号[8]。本设计中，信号调理电路分电压跟随、电压放大、加法电路及比较选择电路四部分。由于常见的集成采样保持器(如LF398)的性能不符合本系统的要求，所以本设计将采用分立元件按照采样保持器结构图搭建一个采样保持电路。A/D转换电路设计采用LTC1196。LTC1196是一款采样率可达1MHz的8位串行A/D，它能工作在3V或5V的电压下，典型环境下消耗功率仅为50mW。 4.系统软件设计
本数字示波器采用以C8051F020为控制核心，完成人机交互、数据提取、数据处理和波形显示等功能，相关软件采用C语言在Keil集成开发环境中编写、调试和下载。
主程序负责数据的读取、处理、更新，以及人机交互方面的处理，其流程图如图3-1所示。
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图3-1 主程序流程图
四、研究的总体安排与进度：
1、2010.10.20-2010.11.20；确定课题，熟悉课题的研究内容； 2、2010.11.21-2010.12.23；完成开题报告并且参加开题答辩；
3、2010.12.23-2011.3.10；按照课题内容或自定内容，完成实习，并完成实习报告； 4、2011.3.10-2011.3.20；完成文献综述和文献翻译；
5、2011.3.20-2011.4.5；完成示波器的样机，做好各种调试工作。 6、2011.4.5-2011.5.20；完成毕业论文的撰写工作，并准备答辩。
五、主要参考文献：
[1] 赖树明等，数字存储示波器等效采样的研究[J]，计算机测量与控制，2010.18（5） [2] 朱英时，数字示波器原理与测试分析[J]，测试技术，2007(Z1)
[3] 贾春霞、张洪艳，数字存储示波器现状初探[J]，仪器仪表用户，2005(1) [4] 侯伯亨等，现代数字系统设计[M]，西安电子科技大学出版社，2004.1 [5] 陈尚松等，电子测量与仪器[M]，电子工业出版社, 2005,1:56-67 [6] 田良等，综合电子设计与实践[M]，东南大学出版社，2002 [7] 韩峰, 单片机等效采样示波器的设计[J], 鸡西大学学报，2006(12)
[7] 马忠梅．单片机的C语言应用程序设计[M]．北京航空航天大学出版社，2007 [8] 王瑛等，等效采样技术中的采样率误差分析[J]，国外电子测量技术，2003（4） [9]
Fast data acquisition system based on digital oscilloscopes for fluctuation
measurements in a long pulse JT-60U tokamak plasma[M],Fusion Engineering and Design 82 (2007) 207–213.
[10] Improvement in the gamma-ray timing measurements using a fast digital
oscilloscope[J],Radiation Physics and Chemistry 68 (2003) 431–434
[11] Integrating a sampling oscilloscope card and spectroscopy ADCs in a data acquisition
system[J],Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 465 (2001) 571–576
开题报告-简易等效采样数字示波器
