接觸USB總線已經(jīng)有5年左右的時間了,，剛接觸USB時就采用了周立功代理的芯片——PDIUSBD12,，該芯片為USB設(shè)備控制器，可以實現(xiàn)批量12Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率,。采用該芯片我設(shè)計了一些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及信號發(fā)生系統(tǒng),，主要應(yīng)用于虛擬測試。這里我想總結(jié)一下我以前設(shè)計實現(xiàn)的微型虛擬示波器,，并對示波器的關(guān)鍵技術(shù)作一下簡單總結(jié),。
實物展示
微型虛擬示波器一共設(shè)計了三版，下圖是一個穩(wěn)定版本,?？偟膩碚f體積還是相當(dāng)小的，技術(shù)指標(biāo)也還可以,，能和一臺普通20MHz帶寬的模擬示波器相媲美,。
上圖所示的板子為示波器的核心部分，還需要前向通道電路,，實現(xiàn)阻抗匹配,、信號衰減以及程控放大。上位機的測控軟件基于Labview平臺,，軟件界面如下圖所示,，Labview通過CLF接口訪問動態(tài)鏈接庫，從而操作硬件系統(tǒng),。
虛擬示波器的硬件部分完成信號獲取,，本質(zhì)為一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。軟件部分完成信號處理,，定義具體儀器的功能,。如果只需要顯示時域波形，那么該儀器定義為示波器,，如果需要定義成頻譜分析儀,，那么加入頻譜分析的算法環(huán)節(jié)（FFT頻域變換）就可以了。
設(shè)計實現(xiàn)的微型虛擬示波器指標(biāo)如下：
1、基于USB總線,，無需外部電源,，即插即測；
2,、體積小,，80mm×65mm，普通人手掌大??；
3、±5V(1:1示波器探頭)雙極性信號輸入,；
4,、×0.5,、×5倍程控放大,；
5、單/雙通道可選擇輸入模式,；
6,、實現(xiàn)單通道80MHz采樣率，雙通道40MHz采樣率,；
7,、單通道64K板載存儲器，雙通道32K板載存儲器,，并且程控調(diào)節(jié)存儲容量
8,、8位垂直數(shù)據(jù)分辨率；
9,、外觸發(fā),、程序觸發(fā)等工作模式；
10,、8級采樣頻率程控選擇,；
11、WDM驅(qū)動程序,，適用于WINDOWS98/2000/XP操作系統(tǒng),；
12、采用DLL動態(tài)連接庫與LabVIEW連接,；
系統(tǒng)原理框圖
微型虛擬示波器的系統(tǒng)原理框圖如下所示：
輸入信號經(jīng)過無源探頭進行阻抗匹配,，設(shè)計的輸入阻抗為1MR/20PF。匹配之后的信號經(jīng)過衰減網(wǎng)絡(luò),、前置放大通道,，然后輸入至雙通道高速采樣模塊。雙通道采樣模塊將信號采樣、量化之后在CPLD的邏輯控制下直接輸入至緩存,，當(dāng)緩存中的數(shù)據(jù)累計到一定程度之后,，數(shù)據(jù)通過USB接口批量傳輸至PC，測控軟件對信號進行處理,、顯示,。
關(guān)鍵技術(shù)分析
（一）高速采樣
雙通道高速采樣模塊是系統(tǒng)的設(shè)計核心,。示波器中常用的數(shù)據(jù)采集主要有如下三種：
1,、雙通道獨立采樣模式。在該模式中,，雙通道ADC對各自的通道獨立采樣,，采樣獲取的數(shù)據(jù)分別存入各自的緩存空間，PC軟件會顯示雙通道的獨立信號,。在這種模式下,，每通道的數(shù)據(jù)采樣率決定于ADC的實際能力。
2,、雙通道并行采樣模式,。在該模式下，雙通道的ADC聚合采樣同一通道的信號,，兩個通道的采樣脈沖相位差180度,，雙通道獲取的信號通過PC軟件進行交叉聚合，輸入一個通道的信號,。采用并行采樣的方法可以在固定ADC的采樣能力的基礎(chǔ)上提高采樣率,。
3、等效采樣模式,。該模式只能對周期信號進行采樣,，通過相移采樣脈沖，采樣多個周期下的信號波形,，從而實現(xiàn)低采樣率下的高速信號獲取,。
本設(shè)計實現(xiàn)了（1）、（2）兩種采樣模式,，核心的采樣ADC選用了TI公司提供的TLC5540,，該芯片為半閃速8位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高采樣率能夠達到40Msps,，輸入信號頻率帶寬75MHz,，內(nèi)置基準(zhǔn)點壓源，在通常情況下,，該芯片的功耗僅為75mW,。在并行采樣模式下，系統(tǒng)實際采樣率能夠達到80Msps，但是需要提供一個相差180度的采樣時鐘信號,，為了避免邏輯門電路帶來的延時,，系統(tǒng)沒有采用非門實現(xiàn)采樣時鐘，而是通過JK觸發(fā)器產(chǎn)生兩路同頻反相的時鐘信號,。
（二）無源衰減網(wǎng)絡(luò)
示波器的一大特點在于信號的動態(tài)范圍寬,，頻譜范圍寬。為了保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠正常工作,，需要對大信號進行衰減,，為了使得在寬頻的信號范圍下，信號不產(chǎn)生畸變,，一般采用無源阻容分壓器,。阻容分壓器考慮輸入信號的頻率特性，在低頻情況下直接為電阻分壓比,，在高頻情況下,，為電抗分壓比。無源衰減網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上為一個平衡電橋,，在一般的無源示波器探頭中都存在一個調(diào)諧電容,，調(diào)整該電容可以使得平衡電橋達到最佳補償狀態(tài)，在該狀態(tài)下,，信號衰減率就與頻率無關(guān)了，所以能夠在一個較寬的頻帶范圍內(nèi),，實現(xiàn)固定的信號衰減,。
（三）程控放大
無源衰減網(wǎng)絡(luò)輸出信號輸入至程控放大器,，程控放大器選用美國德州儀器公司生產(chǎn)的FET輸入寬頻運算放大器OPA655和日本東芝公司最新推出的微型固態(tài)繼電器AQY210實現(xiàn),。通過DC-DC變換模塊將+5V電源轉(zhuǎn)換成-5V電源，作為OPA655供電電源,。OPA655是美國德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的FET輸入高阻寬帶運放,，常用作寬頻光電檢測放大器，測試測量儀器前置放大器,。
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在示波器技術(shù)中，存儲技術(shù)起到了關(guān)鍵作用,，往往也是系統(tǒng)的瓶頸所在,，所以目前商用示波器系統(tǒng)中存儲芯片往往都要示波器廠商自己設(shè)計。由于本設(shè)計的采樣頻率不是很高,，所以可以采用IS61C256靜態(tài)RAM作為存儲介質(zhì),，另外通過CPLD中的邏輯電路完成存儲的時序接口。
（五）USB通信接口
USB通信接口采用了D12+AT89S52的設(shè)計方案,，該方案可以實現(xiàn)12Mbps的批量數(shù)據(jù)傳輸,。批量傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包最大能夠達到64字節(jié)。Usb通信接口的設(shè)計需要設(shè)計固件程序,、驅(qū)動程序以及應(yīng)用程序所需的DLL動態(tài)鏈接庫,。對于虛擬示波器，USB1.1標(biāo)準(zhǔn)的接口性能偏低,，目前可以考慮USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的接口,，通信速率能夠達到480Mbps。（USB設(shè)計資料：Tiloog’s blog for technology提供了USB固件源碼,，另外,，computer00也提供了很多關(guān)于usb的設(shè)計案例及資料）
示波器設(shè)計心得
該微型虛擬示波器已經(jīng)設(shè)計多年了，設(shè)計之初考慮較多的是通信接口,、數(shù)據(jù)采集以及前向通道,。特別是通信接口是設(shè)計的重點，因為當(dāng)時USB通信設(shè)計還是特別熱門的事情,，不容易將USB通信搞通,。數(shù)據(jù)采集也有一定的挑戰(zhàn)性，因為采樣率需要達到80Msps,，另一個有難度的就是前向通道,，但是，設(shè)計之初沒有對前向通道投入足夠的時間,，只是做了簡單設(shè)計,，所以，從嚴(yán)格意義上講,，該系統(tǒng)還不能稱之為“示波器”,。
從我目前的認(rèn)識來講，示波器設(shè)計的核心在于前向通道,、模數(shù)轉(zhuǎn)換這兩塊,，對于單臺儀器來講通信接口問題不是很大（集成系統(tǒng)的通信接口另當(dāng)別論）。前向通道的信號放大,、衰減電路都非常重要,，特別是當(dāng)今的示波器通道帶寬已經(jīng)達到10GHz以上的水平，所以,，前向通道面臨著大動態(tài)范圍,、寬頻的挑戰(zhàn)，這是示波器設(shè)計的核心,。模數(shù)采集也十分重要,，隨著頻率的提升,，對模數(shù)轉(zhuǎn)換提出了更高的采樣率需求，當(dāng)輸入信號在10GHz量級時,，采樣率需要達到20GHz以上,，所以模數(shù)轉(zhuǎn)換器是示波器的核心器件，另外,，高速采樣必然需要大容量高速存儲,，所以對存儲器的訪問延遲、訪問帶寬提出了更高的要求,。硬件都不是理想的,，多多少少都會存在失真，都會存在非線性,，所以示波器通常需要各種各樣的補償,，在示波器技術(shù)中，目前應(yīng)用最多的是采用DSP技術(shù)進行頻域,、時域的補償,。通過補償，可以拓寬前向通道的帶寬,，通過校正可以濾除寬帶引入的隨機噪聲,。所以，DSP技術(shù)在示波器領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用,，給示波器帶來了實實在在的實惠,。
五年前，當(dāng)我聽說某位老先生為示波器的研制投入了一輩子,，我會扼腕痛惜：為什么這樣的東西還需要投入一輩子的精力去搞,，這有什么搞頭？后來我才明白,，示波器技術(shù)博大精深，不投入一輩子的時間是搞不定的,，她本質(zhì)上就是一門通用信號提取的科學(xué),，這就是我對示波器的理解。