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1、毕业论文（设计）简易存储示波器的设计学生姓名： 学 号： 系 别： 专 业： 指导教师： 评阅教师： 论文答辩日期 答辩委员会主席 摘 要现代仪器正在向着智能化、便携式和虚拟化的方向发展。借助少许的采集硬件和通用PC平台，仪器正在由单一化向集成化、由物理仪器向虚拟仪器方向发展。虚拟仪器的发展必将推动现代仪器事业的发展。示波器是现代测试中必不可少的电子仪器。随着现代电子技术和通信技术的飞速进步，示波器的实现方式正在经历着深刻的变革。传统的模拟示波器由于结构和功能上存在的缺点，正在被功能强大、使用方便的数字示波器所取代。目前国产的测试用数字示波器在技术上还比较落后，高性能的数字示波器主要靠进口，进
2、口数字示波器虽然功能强大，但价格太高，难以普及；另外，主流的数字示波器大都面向高频信号，高频DSP和数据采集芯片成本都很高，用于低频信号测试精度又难以满足要求。本设计针对示波器开发以上的两个方面的问题，尝试开发了一种低频虚拟数字示波器。该示波器除了具有传统模拟CRT示波器对波形的采集、显示等一般功能，还可以实现对波形数据的存储，以及对波形参数的计算和显示。本设计要做的工作包括：分析了示波器的工作原理和虚拟示波器的结构，探讨了滤波器的实现技术，选择切比雪夫低通滤波器作为低通滤波模型，并运用Matlab软件设计了低通滤波器；选低成本单片机PIC16F877作为数据采集和处理单元，将采集到的脉冲转换
3、成数字信号，通过RS232串口传送到PC；通过对数字存储示波器功能和结构的分析，运用Proteus绘制了示波器各个模块的模拟和数字电路，对各电路的组成进行了说明。仿真结果证明：设计的示波器能够对20KHz以内低频信号的获取和显示，满足普通测试要求。具有结构简洁、操作方便、成本低廉的特点，且易于进行功能的扩展，拥有广阔的应用前景。关键词：PC，MCU，虚拟，示波器AbstractThe oscilloscope is an indispensable testing instrument. With rapid development in modern electronic and commu
4、nication technology, its actualization technology is also experiencing a profound revolution. Due to its structural and functional defects, the conventional analog oscilloscope is now being replaced by the convenient digital storage oscilloscope. However, the domestic produced digital oscilloscope f
5、or testing is still technically backward, and the high-power digital oscilloscopes are mostly foreign produced. The imported digital oscilloscope is powerful but also expensive on the other hand, can not put into popular use. This study was targeted at solving the two problems mentioned above.In the
6、 designed virtual oscilloscope a low-cost PIC16F877 is selected as the unit for data acquisition and processing, which converted the collected analog signal to digital information and then transferred it to PC through RS232 serial port for storage or display. The stored signal can then be displayed
7、on the screen of PC in wave form through a VC+ programmed software interface in Windows. The designed oscilloscope has not only the functional of the conventional CRT oscilloscope like data collection and displaying, but also storage and display of the waveform data, as well as calculates and displa
8、y the wave parameter.The methods adopted in this design and the conclusions are listed below: The working principle of oscilloscope and the structure of virtual oscilloscope are analyzed, and the actualization technology of filter is discussed. The Chebycov filter is selected as the low pass filter
9、model, and the filter was designed using Matlab. By constructing the oscilloscope in a novel way of combining PICs and PC, it not only met the testing demand but also reduced the cost to a minimum. Based on the structural and functional analysis of the digital oscilloscope, the analog and digital ci
10、rcuit of various modules of the oscilloscope is designed using Proteus, together with introduction of the circuits. Circuit simulation indicated the designing is satisfactory. Conclusion: The simulation of the designing was conducted by using a signal generator.imulation result indicated that the de
11、signed oscilloscope met the testing demand by successfully capturing and displaying the low frequency signal with 20Hz in wave form. The product has simple structure, easy manipulation and low building cost. The product has large potential in functional extension and good prospect in popularity.Keyw
12、ords：PC, MCU, virtual, oscilloscope目 录摘 要ABSTRACT1 绪论1.1研究的目的和意义11.1.1测量仪器的发展现状11.1.2示波器技术的发展31.1.3示波器软件开发工具41.2研究方法、内容与技术路线41.2.1研究方法及内容41.2.2技术路线52 示波器设计原理2.1示波器工作原理72.1.1模拟示波器工作原理72.1.2数字滤波器的工作原理82.1.3虚拟数字示波器82.2虚拟示波器设计要求92.3示波器中低通滤波原理和模型的选取92.3.1低通滤波原理92.3.2切比雪夫低通滤波模型的选取和设计102.4 本章小结113 示波器硬件设计3
13、.1系统硬件结构123.1.1系统硬件的选择123.1.2数据采集硬件介绍133.2系统功能模块设计143.3采样方式的选择153.4系统模拟电路163.4.1电压增益电路163.4.2系统电源电路173.5系统数字电路173.6存储工作模式下的通信过程183.7本章小结194 示波器软件设计4.1软件设计思路204.1.1虚拟仪器的软件设计方法204.1.2软件的多线程实现214.1.3组件技术在虚拟示波器开发中的应用224.2系统软件网络结构234.3虚拟示波器系统模块设计234.3.1虚拟示波器的系统软件功能模块234.3.2数据采集模块的设计244.3.3 A/D转换的设计244.3.
14、4数据存储模块的设计254.3.5波形显示窗口的设计254.3.6用户控制界面的设计264.4本章小结265 示波器仿真和测试5.1测试流程285.2结果与分析295.2.1波形显示界面295.2.2波形显示工具栏305.2.3波形显示特点315.3示波器开发成本的计算326 结论与展望336.1结论336.2展望33致谢35参考文献36附 录391 绪论1.1研究的目的和意义1.1.1测量仪器的发展现状随着微电子学和计算机技术的发展，测控仪器行业也同样经历着一场翻天覆地的变革。现代测试系统越来越复杂，需要测试的数据量也越来越大，对测试的速度、精度、实时性、数据可信度、完整性以及测试系统的可靠
15、性、智能化、开放性等要求也越来越高1。一方面，传统的测控仪器越来越满足不了测控技术的发展需求，其主要表现在：现代测控技术要求仪器不仅仅能单独测量数据，更希望仪器之间能够互相通信，实现信息共享，从而完成对被测系统的综合分析、评估、得出准确判断。传统仪器缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集与数据处理就十分困难；在传统测量控制方式中，对每一个测量控制点必须配备一套相应的组合仪表，即采用组合仪表实物，每个单元自成一体，连接线路复杂，故障较多。对于复杂的被测系统，为了正确使用各个厂家的不同测试设备，用户需要的知识很多，仪器使用频率和利用率低，而且硬件存在冗余。采用智能测量方式，虽然它所采用的智能化仪表
16、是应用集成电路设计的，能减小体积及接线，并能降低故障率，但仍不能完全摆脱一对一的控制方式。另一方面，计算机技术的进步为新型测控仪器的产生提供了技术基础2，主要表现在：微处理器（MCU）和数字信号处理（DSP）技术大大改变了传统电子行业的设计思想和观念，原来许多由硬件完成的功能可以依靠软件来实现；面向对象技术和可视化程序设计语言为开发使用更方便、功能更强的应用软件提供了方便。网络技术的发展为数据的存储和远距离传输提供了条件，使得远程采集信息和移动操作成为现实。鉴于以上两个方面的原因，基于计算机的测试仪器逐渐成为现实。随着电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在仪器技术和测量技术上
17、的应用，仪表结构己经冲破传统仪器的概念，在功能和作用上已经发生了质的变化，产生了许多新的测试仪器、测试理论、测试方法、测试领域。在这种背景下，“虚拟仪器”就应运而生了。虚拟仪器的核心思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大程度地降低系统的成本，增强系统的灵活性3。虚拟仪器技术发展很快。从20世纪80年代NI公司提出虚拟仪器的概念至今只有短短的二十余年时间，但虚拟仪器产品已经占有了仪器市场很大的份额。虚拟仪器在很多发达国家应用十分广泛，如电子测量、过程控制、电信、医学等领域。国外的著名示波器厂家如泰克、安捷伦等公司都已经对虚拟仪器投入大量开发精力，并且已经有了相关产品。
18、从事仪器仪表研究的科学家和工程师清楚的认识到虚拟仪器不仅勿庸置疑地是21世纪仪器发展的主要方向，而且必将逐步取代传统的硬件化电子仪器，使成千上万种传统仪器都融入计算机体系中。虚拟仪器的发展取决于三个重要因素：计算机是载体；软件是核心；高质量的A/D采集卡及调理放大器是关键。大致来说，虚拟仪器在国外的发展可以分为三个阶段4。（1）利用计算机增强传统仪器的功能这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线进行的。由于GPIB总线标准的确立，计算机和外界通讯成为可能统的性能价格比不断上升，因而用户可以通过计算机控制仪器。而随着计算机系，用计算机控制仪器成为一种趋势。经过近十年的发展，这些用户得到越来越多的有关计算
19、机控制仪器的软件，而且这些软件易学易用。最新的软件包括仪器驱动库、数据分析函数库、图形接口函数库等。用户可以利用这些强有力的软件来增强自己仪器系统的功能，使之能够分析和处理特定数据，并且可以显示结果，而不限于传统仪器的固定功能之上。实际上，只要将传统仪器通过GPIB或RS-232同计算机连接起来，这些新增功能就可以运转良好。因而用户可以将大量的独立仪器和计算机连接形成用户自己设计的虚拟仪器。（2）开放式的仪器构成为满足仪器市场不断增长的需求，这时在仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计算机单片机(plug-in PC DAQ)；二是VXI仪器总线标准的确立。这些新技术使仪器的构成得以开放，
20、消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。仪器设计者和用户一样，企图尽可能提高效率和重复使用很多技术。仪器生产商建立了他们自己设计的内在标准，使他们的微处理器、存储器、数据采集、分析、显示软件等产品有利可图。许多在仪器上通用的元器件就是计算机里的标准件，这样使得计算机成为构建虚拟仪器的理想平台。许多特殊功能件如D/A、数字I/0等都是模块化的功能块，可以直接插在仪器上与仪器内部的处理器总线连接，所以用户可以将这些模块化的插卡直接插在计算机的扩展槽内。另外，多个虚拟仪器可以共存于一台计算机上。而且，像传统仪器一样，某个特定的仪器在一段时间内可以独享计算机的显示和控制部分，但是很多
21、虚拟仪器能够共享显示。正是由于第二阶段虚拟仪器在软硬件上的这些进步，使得它的构建具备了开放性和更大的灵活性，得到了广泛的应用5。第三阶段：虚拟仪器的框架得到了广泛的认同和采用软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器所需要的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域已经产生，常用的虚拟仪器平台开始逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这一阶段，人们也认识到虚拟仪器软件框是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键，NI（美国国家仪器公司）总结了这些观点并提出一句口号“软件就是仪器”。他们的软件产品也创造了整体的虚拟仪器框架，他们把离硬件较近的接口程序和高级应用程序以及专门仪器的驱动程序组合起来。用
22、户可以使用其标准硬件接口程序包去控制四种数据采集产品中的一种或全部，这个接口程序包中包括用户设计程序的函数库。NI-DAQ是设计插入式单片机的标准接口，NI-488.2是设计GPIB的工业标准，NI-VXI是VXI的标准接口。接口软件包中的所有程序都可以运行于多种计算机和操作系统6。我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的要求更加强劲。虚拟仪器赖以生存的计算机近几年以迅猛的势头席卷全国，为虚拟仪器的发展奠定了基础。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大。一方面，目前我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求很高，生产突
23、破有困难。另一方面，用户可以将一些先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器的设计，提供传统仪器不具备的功能，而且完全可以通过软件配置实现多功能集成的仪器设计。国内虚拟仪器研究的起步较晚，最早的研究也是从引进消化N I的产品开始。但经过多年研究，我国已经在虚拟仪器开发方面形成了自己的特色。国家自然科学基金委员会已将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一，并被列为“十五”期间优先资助领域。我国国民经济的持续快速发展，加快了企业的技术升级步伐，先进仪器设备的需求更加强劲；虚拟仪器赖以生存的个人计算机最近几年以极高的速度在中国发展，这些都为虚拟仪器在我国的普及奠定了良好的基础。因此，我国的虚拟仪器存
24、在巨大的发展潜力。对虚拟仪器的研究，我国从90年代中期开始，至今已有很多新的进展。在国内,西安交通大学等采用面向对象技术研究了可组态生成不同虚拟仪器的可视化虚拟仪器软件开发平台,重庆大学秦树人等提出了虚拟仪器产品的网络化开发方法。重庆大学测试中心成功解决了文件难以有序交换的制约，把多种测试仪器的功能、技术参数和精度指标集成在功能软件库中，用户只需把装有程序的软盘和一个手掌大的硬卡分别插入软驱和计算机总线，就能在计算机中实现被集成仪器的各项功能。东方振动和噪声技术研究所研制出可实现单机多功能、多用途的INV系列虚拟仪器，实现了“把实验室拎着走”。还有浙江大学、哈尔滨工业大学、中科泛华电子科技公司
25、、陕西海泰电子公司等一批高校和高科技公司在虚拟仪器的研究和开发中都做了大量有益的工作，取得了一定成果7-10。1.1.2示波器技术的发展示波器技术和仪器技术的总体发展是同步的。现代示波器在电子和通信技术的带动下，主要向这一下两个方向发展：（1）智能化方向软件技术将成为示波器智能化的关键。目前市场上流行的科学仪器软件开发平台Lab VIEW、VEE、Lab Windows/CVI以及各种编程软件等将进一步发展完善,而示波器的软面板、测量仪器的控件、信号处理与分析、虚拟测量平台、智能虚拟示波器驱动器、工业自动化等专用软件将不断涌现,丰富了科学仪器研制与开发的软件库。通过数字信号处理（DSP）技术来
26、增强仪器的检测能力，而仪器的智能化将通过智能软件技术（如故障自动定位、自修复、自适应于测试环境等）来实现11。（2）轻巧便携式方向大规模集成电路的发展和基于芯片的仪器设计将使包括示波器在内的仪器趋向小型化、专门化,操作简单化。整个发展趋势可表示为：实验室仪器移动式便携式手持式芯片实验室(lab on chip)。集成电路将促成仪器的轻巧化，而虚拟技术和通讯技术的加入将使数据的采集和处理突破空间和时间的限制，真正实现仪器虚拟智能化。国外著名示波器生产厂商Tec等的产品都已经实现了手持式，国内厂家的示波器产品也在向着这一方向发展12。1.1.3示波器软件开发工具目前国内数字示波器的开发主要依靠数字
27、信号处理（DSP）芯片或者告诉数据采集卡，DSP虽然具有快速信号处理能力，但往往需要掌握熟练的编程语言（如汇编语言），它的另一个缺点在于开发成本较高；数据采集卡硬件资源有限，常常需要和其它控制单元配合使用。在虚拟仪器开发软件方面，美国微软公司的VC+和美国NI公司的Labview都是虚拟仪器开发的强大工具，Labview对开发者程序编写的能力没有过高要求，采用图形界面，使用十分方便；VC+库文件丰富，在Windows中有更好的移植性。总之，各种处理硬件和开发软件都具有各自的长处，因根据设计的规模、结构和目的选用最合适的开发工具。1.2研究方法、内容与技术路线1.2.1研究方法及内容本课题研究的
28、虚拟示波器针对低频信号的采集和显示，示波器采用以单片机和FPGA为核心，对采样方式的选择和等效采样技术的实现进行了重点设计，使作品不仅具有实时采样方式，而且采用随机等效采样技术实现了利用实时采样速率为1Hz的ADC进行最大20KHz的等效采样。同时系统还具有可测2mV小信号、波形存储回放、测频、触发沿选择、校准信号输出等功能。系统组成结构及工作原理系统的硬件部分为一块高速的数据采集电路板。它能够实现双通道数据输入，每路采样频率可达到60Mbit/s。从功能上可以将硬件系统分为：信号前端放大及调理模块。高速模数转换模块。FPGA逻辑控制模块。单片机控制模块。USB数据传输模块。液晶显示和键盘控制
29、等几部分。整个系统是以FPGA为核心，包括前端模拟信号处理模块、单片机模块、显示模块和键盘输入模块，而信号的前级处理模块又包括射级跟随器、程控放大电路、整形电路。A、B通道的信号经前级处理变为O4 V，AD9220对其采样，波形存储控制模块将其采样数据写入FPGA内部RAM，再由波形显示控制模块进行显示。FPGA通过编程设置实现测频、键盘扫描、显示驱动、波形存储控制等功能。单片机AT89S52控制整个系统键盘和点阵液晶模块实现人机交互,通过面板按键可方便调整波形显示方式。本文的主要内容如下：（1）文献综述，分析当前国内外仪器的发展趋势以及实现技术，确定示波器设计方案；（2）数字存储示波器理论分
30、析和基本工作原理，确定示波器整体框架和实现方式；（3）确定硬件框架，选择数据处理芯片，进行各个模块模拟和数字电路的设计和仿真，以及系统分析论证；（4）结合示波器模型和硬件结构，利用VC+进行程序开发，编写包括A/D转换，数据存储和显示控制界面的程序，主要内容是实现波形的多通道显示和控制调整；（5）利用Matlab等工具进行软件仿真调试，测试代码的可执行性以及设计的合理性；（6）总结设计过程过程，展望未来发展方向。1.2.2技术路线采样速率的理论计算：以实时采样速率为1MHz的ADC实现最大200MHz的等效采样，是本题的最大难点，也是设计的重点之一。其中，最大的采样速率计算如下： （1-1）式
31、中N 每格的取样数， t/div扫描时间因数，扫描一格所占用的时间。亦称扫描速度。 （1-2）此外，较宽的信号带宽（10Hz10MHz）和较大的幅度动态范围（1mV8V）也给前级的信号调理电路提出了很高的要求。对此，我们考虑了以下几种方案：（1）核心处理器选择：方案一：纯单片机方式。即完全由单片机来实现前级信号程控调理、采样保持电路及A/D转换器的控制、数据的处理及存储、波形显示和控制电路等功能。方案二：单片机与FPGA结合的方式。即由单片机来完成信号调理和人机界面等顶层控制功能，而由FPGA来完成采集和信号处理等底层的核心计算。方案三：单片机与DSP结合的方式，单片机来控制实现对A/D和D/
32、A转换的控制，DSP对A/D转换后的数字进行高速处理，加快了数据处理的速度，然后将数据传送给D/A转换器进行D/A转换。方案一的最大特点是只用单片机，系统规模可以做得很小，成本较低。但是，单片机在处理高速信号时略显吃力。而且在时序控制方面也显得精度不足。方案三使用了高性能的DSP数据处理芯片，但是不能很好的体现高的性价比，相比之下，方案二则更加合理和可靠。FPGA的应用已经相当的普遍和成熟。用其进行采样时钟控制和信号处理，是提高系统性能和指标最有效的方法。因此，我们选择单片机与FPGA的结合来作为系统的核心处理器。（2）前级信号调理方案设计：方案一：一路调理。即所有信号，都通过同一路信号调理电
33、路，经过相应的衰减或放大设计，将信号幅度控制在合适的范围内，以便后级的数据采样。方案二：多路调理。即将不同频率范围或不同幅度范围的信号经过各自的电路进行调理。示波器选择不同的档位，则选择了不同的信号通路。2 示波器设计原理本章主要介绍示波器设计理论，主要内容包括示波器的分类，各类示波器的工作原理，通过对CRT、DSO、DPO等常用示波器实现结构的比较，以及低通滤波器的结构和实现方法的研究，为后续设计奠定理论基础。2.1示波器工作原理电子示波器是一种综合性的电信号测试仪器，它能把眼睛看不见的电信号转换成能直接观察的波形显示于荧光屏上，利用波形幅度的大小和变化来反映加在示波器Y偏转极板上的电压的相
34、对大小和变化，从而反映出电磁感应中所产生的交变电动势大小。借助示波器可以研究感应电动势与其产生条件的关系，这在现代测试中尤其重要，很多电量和非电量的测量都是借助传感器和示波器的帮助实现的。物理示波器按其结构原理，一般可以分为模拟示波器和数字示波器，而虚拟数字示波器是用软件实现了一般数字示波器对数据的存储分析和后期处理等功能13。2.1.1模拟示波器工作原理传统的模拟示波器把需观测的两个电信号加至示波管的X、Y通道以控制电子束的偏移，从而获得荧光屏上关于这两个电信号关系的显示波形。单踪模拟示波器一般由示波管、Y轴放大器、X轴放大器扫描发生器、电源和测试探头等几大部分组成。示波器图2-1所示为CR
35、T示波器的结构框图。它由垂直系统、水平系统、Z轴电路、中央处理单元（CPU）及电源等几部分组成14-16。图2-1 CRT示波器结构框图模拟示波器具有操作简单、垂直分辨率高、数据更新快以及实时带宽和实时显示等特点，而且不容易出现混淆波形。2.1.2数字滤波器的工作原理常规的数字示波器是数字存储示波器（Digital Signal Oscilloscope）。现代数字存储示波器首先对模拟信号进行高速采样获得相应的数字数据并存储。用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算，从而获得所需的各种信号参数，根据得到的信号参数绘制波形，并可对被测信号进行实时的、瞬态的分析17。数字存储示波器
36、（DSO）便于捕获和显示那些可能只发生一次的事件，通常称为瞬态现象。它可以将波形信息以二进制序列存储起来，方便进行分析、存档、打印和其他的处理。数字存储示波器一般由取样存储、读出显示和系统控制等3大部分组成，他们之间通过数据总线、地址总线和控制总线相互联系和交换信息，以完成各种测试功能。图2-2为一个典型数字示波器的界面18。图2-2典型数字示波器显然，数字存储示波器与传统的模拟示波器相比具有下列的突出优点：（1）可以根据被测信号的特点自动确定和调整测试条件，实现自动、离手测试；（2）能够较容易地实现对高速、瞬态信号的实时捕获；（3）在波形存储与运算方面有着明显的优势。2.1.3虚拟数字示波器
37、与传统示波器不同，虚拟示波器以透明的方式把计算机资源（如微处理器、内存、显示器等）和仪器硬件（如All），D/A、数字UO、定时器、信号调理板等)的测量、控制能力结合在一起。在这种仪器系统中，不仅仪器的操控和测量结果的显示是借助于计算机显示器以虚拟面板的形式来实现的，而且数据的传送、分析、处理、存储是由计算机软件来完成的，这就大大突破了传统仪器仪表在这些方面的限制，方便了用户对仪器的使用、维护、扩展和升级等19。图2-3显示了虚拟示波器的结构组成和各部分功能，它包括了DSO示波器数据采集和处理以及存储显示的部分，还可以通过软件吸纳一些附加的功能。经过采集的信号（数据）经过模数（A/D）转换之后
38、进行数据处理，然后可以通过两个通道传给计算机。其中之一是以二进制编码的方式直接传输，另外一条需要经过数模（D/A）转换以模拟波形的形式存储在计算机中作为显示和后期处理之用20。图2-3虚拟示波器功能模块2.2虚拟示波器设计要求基于对测试信号和应用领域的分析，对要设计的虚拟示波器提出一下要求：（1）能够采集、存储和显示20KHz以内的低频信号，分辨率应该不小于1/256，要能对信号参数进行简单的显示和分析；（2）为了使得A/D在合适的模拟输入信号幅度下进行转换，应该根据垂直灵敏度的要求选择信号调理电路相应的增益；（3）能够同时进行4通道的采集和显示；并且可以对信号参数进行调整；（4）开发应该控制
39、成本，软件开发应该保证程序的可移植性。2.3示波器中低通滤波原理和模型的选取2.3.1低通滤波原理数字滤波器是数字信号处理中使用的最广泛的一种线性系统环节，也是示波器数据采集系统中一个必不可少的环节。它的输入输出均为数字信号，通过一定运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分，从而达到对期望信号的选取。这里我们设x(n)是系统的输入，X(ejw)是其傅立叶变换；设y(n)是系统的输出，Y(ejw)是其傅立叶变换21。则有： （2-1）由式2-1可以看出，输入序列的频谱经过滤波器（其系统性能用H(ejw)表示）后变成X(ejw)H(ejw)。选取H(ejw)，使滤波器输出X(
40、ejw)H(ejw)符合我们的要求，这就是数字滤波器的工作原理。2.3.2切比雪夫低通滤波模型的选取和设计通常采用的低通滤波器模型包括巴特沃斯和切比雪夫滤波器。巴特沃斯滤波器设计中为了某一性能达到标准，往往迫使滤波器阶数过高，过渡带过宽；切比雪夫滤波器能够将误差均匀地分布在通带或阻带内，可使滤波器的阶数大为减低，另外它能在通带产生最佳的衰减，即具有最快的滚降。这里结合第一张中提出的示波器的设计指标，通过分析，选择切比雪夫滤波器作为低通模型。切比雪夫滤波器的传递函数表达式如2-4所示22-25： （2-2）其中，在通带波动的称为切比雪夫I型滤波器，在阻带波动的称为切比雪夫II型滤波器，这里我们采
41、用I型。低通滤波器的可以在很多软件环境下进行自动设计，输入滤波器参数，选定滤波器模型就可以设计出滤波器的框架和基本电路。这里选用Matlab中的滤波器设计工具FDAtool进行示波器数据采集系统中低通滤波器环节的设计。设置滤波器的通带截止频率fp=20000Hz；阻带截止频率fs=40000Hz；最大衰减为60.fp=20000;fs=40000;rp=1;rs=60;wp=2*pi*fp;ws=2*pi*fs;N,wo=cheb1ord(wp,ws,rp,rs,s);%求阶数和截频)B,A=cheby1(N,rp,wo,s);%滤波器参数,多了rp.H,w=freqs(B,A);plot(w
42、/(2*pi),20*log(abs(H)/log(10);Matlab集成了一套功能强大的滤波器设计工具FDATool，可以完成各种滤波器的设计分析和性能评估。通过FDA tool，可以完成对滤波器的包括幅频响应、相频响应、幅频和相频特性比较比较、冲击相应、阶跃响应、零极点图等特性的分析，列出滤波器系数，还可以进行量化噪声分析。通过对以上参数的分析，可以修改FIR滤波器模型。2.4 本章小结本章简要介绍了各种示波器的结构和原理，阐述了示波器设计中的一些指标和术语，重点介绍了示波器通用结构中滤波器的结构原理，通过理论上的分析，得出如下结论：（1）虚拟数字示波器是现代示波器技术的发展方向，随着现
43、代电子通信技术的发展虚拟示波器的功能将会越来越强大，结合相关的虚拟软件平台，个人PC就将成为一个多功能的测试平台；（2）滤波器在示波器信号选取中发挥着重要作用，应该根据所设计示波器的类型和测试目的选取合适的数字滤波器类型。本文中作者结合设计目的，通过比较滤波器模型和实现方法，最后确定采用切比雪夫滤波器软件实现低通滤波；（3）提出了示波器的设计要求和技术指标。3 示波器硬件设计本章主要是对示波器硬件部分的设计，其中包括数据采集硬件的选取以及结构分析，主要模块模拟电路和数字电路的设计，以及理论分析与参数计算。数据芯片选为PIC16F877，电路设计工具是Proteus，设计电路包括输入电压增益，A
44、/D转换和功率电路；通信协议部分包括实时工作方式和存储工作模式。3.1系统硬件结构本系统采用单片机和FPGA作为数据处理和控制核心，将设计任务划分为输入电路、触发信号产生、数据处理与存储、波形显示、控制面板等功能模块。 图3-1 系统总体框图3.1.1系统硬件的选择虚拟示波器一般都是由主机和从机组成，主机为微型计算机，从机为数据采集子系统。从机采集输入电压信号，主机完成虚拟示波器软面板的功能，实现对单/多双通道电压的波形及数据显示26-30。本设计的目的是设计、组建和测试一个基于PC的低成本的数字实时存储示波器。数据处理硬件的选取上应该在满足对低频信号测试要求的前提下，尽可能选取编程方便，价格
45、便宜的芯片。PC和单片机（PICs）组成了虚拟示波器的硬件平台，单片机构成了虚拟示波器的数据采集和控制单元，其性能指标直接决定着虚拟示波器的采样速率、精度等主要指标。CPU的速度及计算机的内存影响着示波器处理数据的速度；计算机的硬盘决定着它的存储数据的容量。这里通过对各种MCU的分析和比较，设计者选择了Microchip公司的PIC16F877Flash单片机作为数据采集硬件。PIC16F877是新一代8位数字信号处理单片机，采用Harvard双总线结构，运行速度快，工作电压低，全静态设计，带有EPROM体积小。另外，PICs具有高速数据采样、A/D转换、多种触发方式，能够自动对设定的通道进行
46、检测等功能，己经广泛地应用于军事、航空、通信、无线电、雷达、高能物理中，具有较高的性价比。所以本文采用PIC16F877作为信号采集和处理硬件，通过RS232串口和PC相连31-32。3.1.2数据采集硬件介绍PIC16F877是一个高性能的闪存微控制器单元（Micro Control Unit），可以提供给设计者尽可能大的灵活性。除了拥有819214个字节的闪存程序存储器，256个字节的数据存储单元，368个字节的用户RAM，还有一个8通道的10位A/D转换器。外设包括2个8-bit计数器，一个16-bit计数器，一个看门狗计数器，它的40个管脚分部如图3-1所示。尤其重要的是，PIC16F877还有强大的编程功能，用户可以使用C+语言对PIC16F877进行编程，并可以通过PCI总线将数据高速传递到内存区域。它支持低电压自动编程，用户可以在设备工作电压下对设备编程，电路内调试功能允许用户在没有电路内置仿真器的情况下对PIC16F877进行仿真33。图3-2 PIC16F877管脚分部PIC16F877拥有一个能够和8个输入引脚相连接的ADC。图3-2是PIC16F877的内置10-bitADC的电路简图，20从该图中可以看出输入模拟通道AN4.0和端口A相接，而通道AN7.5和端口E相连。一旦ADC系统复位，所有管脚都被设置成接受
