简易数字存储示波器
(2011年全国电子设计大赛)
设计任务及要求：
1、设计并制作一台用普通示波器显示被测波形的简易数字存储示波器，示意图如下：
2、基本要求
（1）要求仪器具有单次触发存储显示方式，即每按动一次“单次触发”键，仪器在满足触发条件时，能对被测周期信号或单次非周期信号进行一次采集与存储，然后连续显示。

（2）要求仪器的输入阻抗大于100kΩ，垂直分辨率为32级/div，水平分辨率为20点/div；设示波器显示屏水平刻度为10div，垂直刻度为8div。

（3）要求设置0.2s/div、0.2ms/div、20μs/div三档扫描速度，仪器的频率范围为DC～50kHz，误差≤5%。

（4）要求设置0.1V/div、1V/div二档垂直灵敏度，误差≤5%。

（5）仪器的触发电路用内触发，要求上升沿触发、触发电平可调。

（6）观测波形无明显失真。

3、发挥部分（1）增加连续触发存储显示方式，在这种方式下，仪器能连续对信号进行采集、存储并实时显示，且具有锁存（按“锁存”键即可存储当前波形）功能。

（2）增加双踪示波功能，能同时显示两路被测信号波形。

（3）增加水平移动扩展显示功能，要求存储深度增加一倍，并且能通过操作“移动”键显示被存储信号波形的任一部分。

（4）垂直灵敏度增加0.01V/div档，以提高仪器的垂直灵敏度，并尽力减小输入短路时的输出噪声电压。

方案选择及设计理念：
数字存储示波器系统由信号调理电路、采样保持电路、触发电路、A/D、D/A、X输出电路、Y输出电路、控制处理器等组成。

下图所示为数字存储示波器的原理框图。

每隔一端时间对输入的模拟信号进行采样然后经过A/D转换，把这些数字化后的信息按一定的顺序存入RAM中，当采样频率走高时，就可以实现信号的不失真存储。

当需要观察这些信息时，只要以合适的频率把这些信息从存储器RAM中按原顺序取出，经D/A转化和LPF滤波后送至示波器就可以观察到稳定的还原后的波形。

方案讨论：
采样方式的选择
本题要求的单次信号测量，需采用实时采样；要求最高信号频率为50KHZ,为使该频率下每个周期内有20个采样点，就要求最高采样速率为1MHZ，A/D转换速率1Ms/s，在目前市场条件下满足1MHZ采样速率的A／D无论技术条件还是价格都不是困难的。

因此选用实时采样方式，A/D转换速率1Ms/s。

控制器的选择
对控制器的要求：（1）采集速率：高达1000kHz(1 μ s)，低至20ms；（决定于扫描速度）。

（2）样点恢复速率：10kHz；
（3）程控增益：V/div，0.1V/div，0.01V/div。

（4）采用八位计数器来控制采样以及数据存储。

技术指标初步分配
（1）信号通道
前向通道（采集、存储）≤2.5%
后向通道（恢复）≤2%
2.5% + 2% = 4.5% ≤5%
（2）时基（时间基线、扫描速度）
控制信号（采样时钟）误差忽略不计
扫描电压及输出电路≤2%
部分电路设计
简易DSO划分为3个部分:
Y 通道（前、后向通道）、X通道和控制器前向通道作用：对被测信号进行调理、量化，并将量化结果写入存储器，以备显示之用，它是核心部分。

（初步构思）下图为前向通道的系统框图。

下图是前向通道中的前半部分电路几个部分分路，包括LF353、程控增益电路以及低通滤波器电路。

输入电路：
程控增益电路、低通滤波器：
前向通道：
若给该部分加一个正弦波信号的话，信号由输入端进入经LF353进入后，再进入程控增益电路。

电压跟随比较电路输入阻抗可高达500KΩ，可以减小输入信号的衰减。

程控放大电路实际就是一个反相器。

然后，信号再经低通滤波器后输出，得到的输入—输出波形如下图所示。

图为完整的前向通道，包括信号调理电路、程控增益电路、低通滤波器及电平移位电路、触发电路。

S1 校零，S2校满度
前向通道通道性能分析；双踪显示；触发电路。

输入电路
要求: R i’≥100kΩ，输入噪声电压影响；采用跟随器做输入电路。

输入电阻（阻抗）对被测系统的影响，Z越高，影响越小。

实际电路图及输入的正弦波形：
取R≥ 100kΩ，运算放大器LF353 。

初步核算：输入电阻R i’=R// R i ≈ R ≈ 100kΩ；输入端噪声电压3.6nV，而最高灵敏度时的测量分辨力为312μV，3.6nV，312μV。

信号调理电路
作用：使信号符合A/D输入的要求，即对大信号进行衰减，对小信号进行放大。

（预计A/D输入≤2V）
增益计算：输入幅度灵敏度×8div 8V，0.8V，0.08
增益0 . 25， 2 . 5，25（由程控实现）
程控开关Sn ：须是模拟开关，选择集成开关MAX4501；增益调节电阻Rnn：模拟开关的内阻计人其中；补偿电容：改善通道频响特性。

具体在软件中的实际电路及仿真波形如下：
低通滤波器
作用：消除掉有用信号之外的无用分量。

运算放大器构成有源低通滤波器，实际电路图及输入波形后的仿真如下图：
电平移位电路
为了适应A／D的要求，在进行模数转换之前必须将双极性信号通过电平移位为单极性的，设计中将其移位为正极性信号。

电路图及仿真图如下：
假设A/D要求+极性输入电压，而此前电路输出±极性电压。

前向通道性能分析
内容：频率特性的模拟、元器件参数的影响、环境温度的影响。

前向通道频率特性的模拟。

结果-3dB带宽80kHz〉50kHz 满足设计要求。

触发电路
作用：在满足触发条件时开始对采集的数据按规定的起点地址进行存储和显示。

要求：内触发、正沿、触发电平可以调节。

实际电路如下图所示：
后向通道电路：
后向通道电路是将存储的数字信号恢复为模拟信号并作用于普通示波器的Y输入端而且要向通用示波器提供相应扫速和幅度的扫描电压，使被测信号按原来的时间关系进行显示，并能实现水平移动扩展显示。

数据存储电路：
A/D对被测信号的量化结果为数字量，存储在数据存储器中，选用芯片62256，62256是32K的低功耗静态RAM存储器.
控制器的设计：
控制器的作用：控制、数据处理；控制器的组成：控制器自身、人机接口。

用一片A/D转换器、一片存储器和一片D/A转换器，以高速率切换模拟开关实现对两路模拟信号的采集。

存储时两路波形数据分别存放在存储器的奇、偶地址。

回放时把存储器内的波形数据按顺序读出，输出时同样以高速率切换模拟开关实现双踪显示。

AD/DA转换电路：
ADC 0808是CMOS器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。

利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中
应用十分广泛。

DA转换电路：
芯片的选择DAC0808
DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。

电路利用CMOS电流开关和控制逻辑来取得最少的电能损耗和最小的输出泄露电流误差。

特殊的电路也能提供TTL逻辑输入电压的水平兼容。

功能仿真：C1电压波形
数码管显示：
设计电路总图：
参考文献：
1.《基于PROTEUS的电路及单片机设计与仿真》周润景著北京航空航天大学出版社
2、《模拟电子技术》—童诗白华成英著高等教育出版社
3.《全国大学生电子设计训练精选》王振红著化学工业出版社
4.《实用电路300例》武义伟汪河编著电子工业出版社1983.9
5.《电子设计竞赛赛题解析》黄正瑾主编.—南京：东南大学出版社，2003.5
6.《电子线路设计实验》谢自美主编.—武汉：华中科技大学出版社（第二版）
7. 《全国大学生电子设计竞赛系统设计.北京航空航天大学出版社》.黄智伟.2006.12。