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文献综述数字存储示波器的设计
毕业设计
文献综述
院(系)计算机科学与信息工程学院
专业年级2007级电子信息工程1班
学生姓名吕宽学号2007132104
指导教师陈明杰
日期2011年6月1日
数字存储示波器的设计
吕宽
(重庆工商大学计算机科学与信息工程学院电子信息工程2007级1班)
摘要随着科学技术的发展,作为常用的检测工具,示波器的面貌也焕然一新。
由于数字技术的采用,示波器成为集显示、测量、运算、分析、记录等各种功能于一体的智能化测量仪器。
数字存储示波器(DSO)将取代模拟示波器。
目前,国内具有自主知识产权的数字存储示波器产品还非常少,高昂的价格阻碍了数字存储示波器在生产和试验中广泛的应用。
在研究剖析数字存储示波器产品工作原理的基础上,本文利用NIOSII设计示波器,并详细论述了其设计和实现过程。
关键词数字存储示波器NIOSII
ABSTRACTWiththedevelopmentofscienceandtechnology,theoscilloscopes,ascommoninstruments,havemadegreatprogress.Withdigitaltechnology,theoscilloscopeshavebecomeakindofintelligentinstrumentwithfunctions:
waveformdisplay,parametermeasure,detecting,analyze,storage,andsoon.TheDigitalStorageOscilloscope(DSO)willreplaceAnalogOscilloscope.Atpresent,domesticDSOproduct'stype,whichhasourownindependentpropertyright,istoofew.TheDSOishinderedtoapplywildlyinourproductionandtestbyhighprice.OnthebasisoftheanalysisofDSO'sfundamentalprinciple,thedesignandimplementationofakindofportabledigitalstorageoscilloscopesystemwasdiscussedindetailedinthedissertation.
KEYWORDSDSONIOSII
1、绪论
1.1、示波器简介
人类在认识自然和改造自然的过程中,必定要进行测量活动。
电子测量,从广义上来说是利用电子技术进行的测量。
电子测量仪器则是采用电子技术测量电量或者非电量的测量仪器。
它是电子工业的基础和先行,近年来发展极为迅速,已成为一门独立的学科。
可以说,一个国家的电子测量技术水平,在一定程度上反映了该国的电子技术水平。
电子示波器能够将人眼无法直接看见的电子束运动状态与电信号的瞬变信号以曲线、图形、字符或数据域参数的形式清晰地展现在荧光屏或者其他显示器屏幕上,变成人眼能够直接观察到的光迹图像。
通过测量传感器,用示波器可以方便地观测和研究各种非电量的变化现象和过程。
示波器已成为一种直观、通用、精密的测量工具,广泛应用到物理学、化学、生物学、数学、医学等各种学科领域和电子工程、钢铁冶炼、仪器仪表、计算技术、雷达导航、自动控制、宇宙飞行等各种工程技术之中了,进行对电量和许多非电量的测试、分析、监视,示波器发展速度、销售额都远远超过其他电子测量仪器。
根据上世纪九十年代中期的一次统计,示波器年销售额大约占整个电子测量仪器总销售额的百分之十三左右。
示波器的发展先后经历了电子管示波器阶段,晶体管示波器阶段和集成化示波器阶段。
现在示波器正朝着数字化、智能化发向飞速发展,示波器面貌日新月异,新产品层出不穷。
随着科学技术的发展,示波器的种类、型号也是逐年更新。
通常,根据其用途和特点,示波器可划分为以下几种类型:
1)通用示波器:
它是利用单束示波管的示波器,运用了基本的显示原理,可对电信号进行定性、定量的测量。
2)多束示波器:
它是采用多束示波管的示波器。
屏幕上的每个波形均由独立的电子束产生,能同时观察和比较多个波形。
3)取样示波器:
通常采用取样技术把高频信号转换为低频信号,再运用通用示波器的基本原理观测信号。
一般用于观测频率高、速度快的脉冲信号。
4)记忆、存储示波器:
是具有存储信息功能的示波器。
虽然两种示波器的存储元件不同,但它们都能对单次瞬变过程、非周期现象、低重复频率的信号进行观测。
5)特征示波器:
指满足特殊用途或有特殊装置的示波器,如电视示波器、矢量示波器等。
1.2课题背景及主要工作
目前国内还大量使用模拟示波器,特别是在学校,一般仍大量使用20M左右的模拟示波器。
数字存储示波器的研究开发在国内尚属起步阶段,数字示波器的市场几乎全部被国外厂家占领。
在人均国民生产总值仍比较低的中国,价格高昂的国外产品也很难普及。
这严重阻碍了我国电子以及相关行业的发展。
因此,对于要提高国产数字示波器的水平来说,本课题是一次非常有意义的尝试。
本课题目的是通过设计数字存储示波器,进一步加深对利用现代EDA工具设计数字芯片和数字系统的方法。
能采集正弦波、方波等,并进行存储和显示。
本文设计的数字存储示波器的技术指标如下:
(1)数字示波器的时间档可以变化,具体分为以下13个档:
5us,10us,20us,50us,100us,200us,500us,1ms,2ms,5ms,10ms,20ms,50ms;
(2)触发电平分为15级:
0x10,0x20,0x30,0x40,0x50,0x60,0x70,0x80,0x90,0xa0,0xb0,0xc0,0xd0和0xe0;
(3)增加一个RUN和STOP功能。
对于时间档和触发电平的调节可以用按键模块的4个键来控制,即时间增、时间减、触发电平增和触发电平减等。
为了达到这一目标,本课题重点在以下几个方面展开工作:
(1)初期阅读了相关的书籍,深入了解了数字存储示波器的基本原理,技术特点,显示技术等等,在此基础上提出了系统的解决方案,并解决了其中的关键技术难题。
(2)硬件电路设计:
用SOPCBuilder生成各种IP核,利用QuartusII软件画出实验硬件电路,分配引脚,编译,调试,通过并下载到FPGA中。
(3)软件程序设计:
在NIOSIIIDE中编写主程序、液晶显示程序、LCD显示子程序,画图程序,编译并运行,在LCD上显示波形。
2、硬件设计
本设计的数字存储示波器将高速ADC模块与LCD模块很好的结合在一起,结构框图如下:
图3-2数字存储示波器的结构框图
从图中可以看出,输入的信号经过高速ADC后,便由ADC对其进行模数转换,并存储到相应的缓冲区,CPU只要不断的读取缓冲区的数据送至液晶屏显示,便可以完成基本的波形显示功能。
人机交互主要是完成一些控制功能,如改变时间档(水平分辨率)、改变电压档(垂直分辨率),或者控制示波器是否进行数据采集等功能。
3、软件设计
数字存储示波器的软件开发环境为NIOSII8.0,将Oscilloscope.sof文件下载到SOPC实验箱后,运行NIOSIIIDE软件,打开的软件里新建示波器工程文件,然后新建主程序文件、LCD液晶显示子程序文件及画图子程序文件。
输入程序保存后开始编译,运行通过后在LCD显示波形,然后控制相关开关,观察波形的变化。
软件设计流程图如下图所示:
4、现阶段国内外发展情况
从第一台商品示波器的出现到今天,已经有六十多年的历史了,其间的发展大致分为以下几个阶段:
20世纪30~50年代是电子管示波器阶段。
到1958年示波器带宽达到100MHz后便长期停滞不前。
20世纪60年代是晶体管示波器阶段。
由于采用晶体管器件,示波器带宽在驻足9年之后突破100MHz达到150MHz。
20世纪70年代是集成化示波器阶段。
集成电路技术为示波器的小型化和向高性能、高可靠发展创造条件。
1972年,第一台数字存储示波器诞生,它对示波器的发展产生了重大的影响[1]。
80年代以来,数字存储示波器异军突起,成果累累,大有全面取代模拟示波器之势。
现代示波器具有数字存储、数据处理、光标(游标)测量和CRT读出等多种功能,借助于总线能与主控电子计算机联网。
这使得示波器在当今人类探索物理、化学、生物与生命现象等内在奥秘的科学研究、试验以及现场监控等领域里,不仅起着显示波形的作用,还能同时测得被测量的数值大小。
比起数字频率计、数字电压表等数字化电子仪器,示波器还具备测量、显示波形、存储、比较、光标数字读出、计算、程控、接口连接等许多重要功能。
现在,每个科学技术人员的试验台上几乎都必备一台测量示波器[2]。
国际上,示波器行业主要有美国的泰克、力科、安捷伦、HP公司,日本的岩崎、日立、建伍,台湾地区的固维等几十家制造商,其产品占据了国际示波器市场的大部分份额。
这些制造商的产品,基本上反映了国外示波器技术的发展历程、现状和趋势。
其中,1947年成立的美国泰克公司,目前已有九大系列产品,100多个品种,几乎各个门类示波器的最高指标均由它所占据,己成为示波器领域公认的权威。
力科公司一直都是数字存储示波器专门提供商,在高档产品方面以赶超泰克产品为目标,并发挥自己的高能物理测量特长。
安捷伦公司是测量仪器产品最全面的供应商,示波器只是多种品牌产品之一,近几年来数字存储示波器的发展速度放慢,由于基础雄厚,仍然有高档产品推出。
因此,在高档数字存储示波器市场是泰克、力科、安捷伦三家最具竞争力。
尽管在国际上数字示波器己经有了较为成熟的发展,我国目前在数字示波器生产领域内基本上处于起步阶段。
国内示波器主要生产厂家有上海无线电二十一厂、西安红华无线电厂、辽宁无线电二厂、江苏绿扬集团、北京普源精电科技有限公司等。
江苏绿扬电子仪器集团有限公司是我国电子仪器行业的骨干企业,1998年以来,电子测量仪器的产销总量连续居全国同行第一,约占中国大陆市场销售量的1/3。
但是他们的产品主要是模拟示波器类型的产品。
北京普源精电科技有限公司是目前国内惟一以自主知识产权生产数字存储示波器的企业,主要产品是台式数字存储示波器和虚拟仪器系列。
2004年2月18日,该公司宣布他们自主开发的DS5000系列数字存储示波器,打破了国外产品一统天下的局面,推动了国产仪器的数字化发展。
近十年来,国内数字示波器技术研究以及发展也取得了相当的成果。
但是我国示波器行业总体水平还是比较落后的,国产示波器的智能化、数字化、集成化还是很低的。
5.数字存储示波器的将来
随着FPGA技术的高速发展,SOPC片上系统的集成度将更高,数字存储示波器的功能将更完善,示波器测频范围更大,测量精度越来越高,所以以后将更加模拟化,所以数字存储示波器的应用将更加广泛。
6.结语
通过这个设计,使我对NiosII的设计有了一个全面的了解,增强了我们对NiosII软核CPU的信心,加深了对SOPC的认识。
首先,SOPC是片上系统,我们可以根据需要灵活的定制所需要的外设,对于用到的大多数外设都提供了相应的驱动程序,这是我们在开发的过程中降低了硬件设计的难度,缩短了开发周期,增加了设计的可靠性,还使得对IPCore开发不熟悉人也可以进行系统平台的集成,并且通过网络,我们还可以取得很多的资源,这大大扩展了我们所能设计的开发领域与开发深度,体现了嵌入式开发灵活全面的特点,开发效率高,并且使开发成本大大降低。
其次,采用NiosII嵌入式内核就免去了许多应用软件的重复开发,使得软件的开发周期缩短,减轻了软件在开发中的难度,成本也随之降低。
嵌入到系统中的、先进的调试工具也给我们留下了深刻印象,并给我们提供了很大的帮助。
Quartus8.0的功能模块化,强大的设计调试工具,使设计工作更加便利。
对于用户而言,NiosII最大的改进就是引入了集成开发环境IDE,为我们编写代码,调试,下载运行提供了统一的可视化界面,我们不必再去记忆那些繁琐的编译,链接,下载指令。
虽然最后得到了预期的结果,顺利的完成了简易示波器的各项测试,波形的频率及幅度可以很直观的读取,但是由于本人能力有限,这次的开发仍然后很多不足之处,如程序的编写还有待优化,示波器的测频范围还有待提高。
由于所有的硬件都集成在SOPC片上系统上,是可编程逻辑器件,所以以后可以通过编程调试来改进数字示波器,提高各项指标,同时还能开发更多其他的系统。
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