100MHz双踪数字存储虚拟示波器

第一阶段 2008-11

项目进行中...

软件界面（开发环境：C++BUILDER 6.0，开发进行中。。。）

               PCB(开发环境：Altium Designer Summer 08)

                           第一次样板(2009-02)

设计参数:

设计特点：

    传统的示波器虽然功能齐全，但是体积大、重量重、成本高、等一系列问题使应用受到了限制。有鉴于此,基于PC的虚拟示波器就应运而生，它成本低，使用灵活，功能丰富，下面介绍本仪器主要的设计特点。

信号调理通道：

    信号调理是整个设计的难点，原因是频率太高，不小心就会自激，通道自身噪声不能太大，不能有漂移，而且要考滤交流，直流的信号，还有增益控制，普通的运放根本用不了，为了使电压信号满足A/D转换器的输入电压（-0.5V到+0.5V）范围要求，以便得到最好的精度，我们每通道采用6只继电器组成11档增益放大器，11档的好处是可以细分电压为1、2、5步进，用继电器的好处是内阻低（毫欧级），因为信号频率比较高，整个通道的内阻都比较小，如果采用电子开关很难有这么高的带宽，每通道由 三只AD公司高带宽运放组成跟随器和放大器，我发现高带宽（1GHz）运放一般是电流反馈型的，耗电都比较大（每颗15mA），6颗就是90mA。 开始考滤用ICL7660来产生负压供电，后来发现ICL7660只能提供10mA左右的电流，无法满足，现在找到CAT661可以达到100mA,不过还未有样品测试。

A/D采样及存储：

    采用两颗100MHz A/D芯片，由于数据速率非常高，我们采用FPGA做为采样的时序控制器，并在FPGA内构造两个4K双口RAM做为数据缓存，并通过32位处理器与PC通信。100MHz采样速度，基本上最高可以观察20MHz的信号，如果要观察20MHz以上信号，需要做等效采样处理，这样对硬件要求比较高，需要做硬件外部触发，由于产品定位在普及型和专业型之间，所以简化这部分设计，而采用内部数字触发，所以不做等效采样。不过我们在试验自创的一种新的等效采样方法，也许不需增加硬件便可以实现等效采样。

触发：

    采用内部数字触发，在FPGA内部构造比较器，A/D结果和预存的触发电平做比较后产触发信号，这种方式和传统模拟信号比较产生触电平的优势是电路简单，很灵活地构成各种触发方式。

预采样：

    所谓预采样功能就是可以显示触发前的信号波形，而不是传统触发方式只能看到触发以后的波形，为了达到这个功能，示波器只要工作就一直处于采样状态，当触发信号到来以后，继续采样2K的数据，并结速，发给电脑显示。这一切均在FPGA内部完成。

0点电压垂直平移:

    硬件实现,D/A输出电压，通过运放与被测信号加/减来实现，方便观测直流电压上叠加的信号，通过平移以后，可使想观看的信号落在A/D的范围内，双通道独立可调。最初我们也想通过后期软件来处理达到这一步，但最终发现无法达到预期的效果，原因是：A/D的量程范围是-0.5V 到+0.5V，当一个信号直流份量是0.7V, 叠加0.2Vpp方波,通过A/D以后，是看不到0.2Vpp的，因为超出A/D量程，后期也就无法处理，所以必须通过硬件使输入信号减掉一部分直流份量，使0.2Vpp方波落在A/D的量程范围-0.5V 到+0.5V内，就OK了，这也是专业示波器的做法，最终我们也采用这种方法。

触发点水平平移

    方便观察触发点前后的波形.

测频率：

    在FPGA内部构造了测频模块，绕过A/D直接对输入信号测频，由此可以测达100MHz以上的频率。

测电压：

    绕过高速A/D，因为它只有8位分辩率，改由处理器的 10 A/D对信号采样，精度更高，专用于测试直流信号。

电源设计：

    产品上有6颗高带宽电流反馈型运放，+5V共耗电90mA,-5V也是90mA,12只继电器最大共耗电200mA，还有32位处理器、FPGA、高速A/D，最终耗电将达500mA以上，很多电脑的USB可能无法提供500mA的电流，虽然USB规范中要求是500mA，但实际并非如此，所以我们预外接电源口。

总结：

     为了达到专业的指标，不惜成本，整个仪器用了19颗IC，12只继电器，70颗电容，99%为贴片元件，高成本的元器件包括FPGA、100MHz A/D、高速运放、32位处理器 等，品质更可靠，仪器的性能更上一层楼，最终的售价将比同类产品低，以体现我们仪器的性价比，普通的价格，专业的享受。