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开发过程:100MHz双踪数字存储虚拟示波器

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apple|  楼主 | 2010-11-27 09:40 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
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:
通道数
双通道
最高采样频率100MHz
时基15档
输入电压-5V - +5V(1:1探头)  -50V - +50V (10:1)
程控增益11档,从 2.00mV/div  到 5.00V/div
触发信号源CH1  或 CH2
触发沿上升沿或下降沿
触发电压可调,软触发
触发模式单次触发、连续触发、自动、自由
输入阻抗1 MΩ,10 pF
耦合DC、AC、GND
A/D分辨率每通道 8 位
采样深度每通道4K
接口USB2.0
预采样
  

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。

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沙发
apple|  楼主 | 2010-11-27 09:41 | 只看该作者
100MHz双踪数字存储虚拟示波器
第二阶段(2009-02)

                         测量1KHz方波信号
1KHz方波信号的快速富利叶变换,可以看到方波信号的奇次谐波(3次,5次......)份量比较大
PAL制式复合视频信号,可以看到行周期为64uS,与资料一致。
  
PAL制式复合视频信号,可以看到行同步头宽度为4.7uS,后面跟着色副载波,与资料一致。

[参考资料]
[参考实物]

[问题与改进]
第一阶段存在的问题主要在信号调理通道:
1、没有考虑到信号调理通道的耗电问题,ICL7660供电不足。
2、前级电压跟随器阻抗太低,影响前级衰减网络。
3、用继电器做增益调节,无法对增益进行微调,导致增益误差比较大。
4、没有在模拟信号上做平移,原先的设计思路是在后期显示时再做平移,这是一个错误的想法。
针对以上问题,第二阶段我们做了如下改进:
1、采用电流更大的负压发生器。
2、参照DS3102B专业示波器,重新设计电压跟随器。
3、采用压控增益控制器,这样可以对每个电压档位进行校准。`
4、在A/D前做电平平移,带来的好处有两方面,一是方便观察信号的不同部分,专业级的示波器都这样做的;二是同时用于调0,由前端通道会产生0点漂移,正好在这一级进行调0。
5、增加AT24C04做参数存储,包括每通道、每个电压档的调0参数,增益参数。
[第二版的硬件框图]
[关于电平平移]
有两种方式,第一种是后期通过软件平移,F-210 XP采用正是这种方式,优点是硬件成本低,但存在严重的问题,如下图所示:
第二种是通过硬件实现电平移动,缺点是成本高,需要增加一级运放,增加D/A产平移电压,但是优点是显示而易见的,DS3102B采用是这种方式,我们也采该方式。
[第二版PCB图]
                   (2009-02-11)
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
时间: 2009-03-18
                         第二版样机
    第二版样机已经出来一段时间了,这段时间一直忙于调试,软件和硬件同时进行,总体效果令人满意,各方面达到了预期的目标,软件大部分功能已经实现,信号平移,增益控制,零点调整都已实现,出于保密等原因,其它功能不一一罗列,总之我们会考虑用户的使用习惯,设计非常易用直观的操作方法,同时功能也非常丰富,充分考虑各种应用场合,增加一些普通示波器没有的却又实用的功能,因为作者本身也是多年从事各种各样的电子产品开发,从自身经验出发,我们会尽力做好各种功能,推出完美的产品,满足用户的各种需求.
    经过第二版的调试,我们又积累了一些改进意见,信号调理通道还需要改进,主要是小量程测大信号失真的问题,已经有很好的解决办法,另外还有一些功能需要加进去,所以下来将进行第三版的设计,之后,产品就基本定型批量生产.

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板凳
apple|  楼主 | 2010-11-27 09:42 | 只看该作者
100MHz双踪数字存储虚拟示波器
第三阶段(2009年4月)
第三版PCB图(4月3日),正在制板中,在这一版中硬件线路已经定形,已经去掉所有调试接口。

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地板
ayb_ice| | 2010-11-27 09:45 | 只看该作者
NI是这方面的高手

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5
apple|  楼主 | 2010-11-27 09:50 | 只看该作者
大公司做大众市场,小公司做小众市场.

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6
apple|  楼主 | 2010-11-27 09:58 | 只看该作者
最终界面

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7
928315| | 2010-11-27 10:08 | 只看该作者
这个比较有技术含量

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8
apple|  楼主 | 2010-11-27 19:16 | 只看该作者
看来这里真正能搞技术的人不多了

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9
pa2792| | 2010-11-27 20:14 | 只看该作者
哈哈,你这示波器精度是多少啊?看了板子,精度绝对有问题,我知道你技术很行,不行也玩不出这示波器。
8楼: 看来这里真正能搞技术的人不多了
但这只能拿去忽悠学生吧?反正我再没钱我也得买一个上万的泰克示波器,也不敢拿你的玩意去做测试,玩玩我相信网站上有相当大的一部分人可以做出来。

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10
pa2792| | 2010-11-27 20:25 | 只看该作者
但也不能自己就点水平,就目中无人了,牛叉的很啊。

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11
mohanwei| | 2010-11-27 20:30 | 只看该作者
隔离是一定要加的……

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12
pa2792| | 2010-11-27 20:36 | 只看该作者
看来这里真正能搞技术的人不多了
apple 发表于 2010-11-27 19:16

我看到的是这句话。是没有人顶他的好,就说这样的话。

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13
apple|  楼主 | 2010-11-27 20:57 | 只看该作者
我做得好与不好不重要,但我一直要求自己在技术上下功夫,争取拿得出一点东西出来,再说山外有山,泰克示波器也不见得是最好的,任何东西都是过度的,我相信pa2792买得起好的示波器,但不代表我们每个做电子的都买得起,或者划不划算,在这里是希望与大家分享我的东西,如果我不分享这些东西,而直接请教你一些问题,不见得你用好示波器就回答得了.

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14
apple|  楼主 | 2010-11-27 21:19 | 只看该作者
做这个还是有点难度, 比如前端电路, FPGA采样,其它都不算太难,如果有经验那只是工作量的问题,前端电路的成败关系到整个产品的成败,前端电路我调了几个月,设计了很多电路形式,换了10几款运算,这不是一般的摸拟前端,而是要保证0到几十MHz频率信号都能通过的. FPGA是现学现用,以前没有搞过VHDL,只是有数字电路的基础,还好示波器的采样控制不算复杂,没有什么算法,其它PC软件,ARM还是有一定基础的,还好深圳电子市场比较发达,要用到什么偏门的元器件都能买到,外壳也很容易定做,否则可能半年内还搞不出来

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15
apple|  楼主 | 2010-11-27 21:32 | 只看该作者
王工在坛子里是久闻大名,你说的隔离是非常重要的,这款示波器现在是没有隔离的,我们有一个用户拿到我们示波就去测220V市电,结果全部烧黑,这是很多刚入门的工程师容易范的错误,我们现在有在探头地线上接了自恢复保险电阻,以减少错误用法引起的问题。
     当然我也考虑过做隔离电路,但感觉有一定难度,如果在前端做,隔离电路的带宽可能做不高,需要保证整个通道的性线,供电功率,电路也变得比较复杂,所以现在没有考虑这样做。

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16
apple|  楼主 | 2010-11-27 21:39 | 只看该作者
另外一种方法是在USB这边来做,这里的信号相对来说比较单一,不过频率也很高,但有一定的可行性,了解了一下,市面上USB隔离器600元/个,不知道为什么成本这么高,有时间再研究这种方法看是否可行。
    还有就是干脆做成无线转输,比如2。4G,蓝牙,自然就是隔离的了。
    不知道王工有什么高见。

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17
pa2792| | 2010-11-27 21:39 | 只看该作者
楼上的王工才是我崇拜的,平易近人,乐于助人。

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18
pa2792| | 2010-11-27 21:43 | 只看该作者
应该在USB通讯端做隔离比较好吧?前端探头做隔离,保护是否会大大影响精度?地线串保险,有没有相当于接地不良,测试数据受到影响的问题?

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19
pa2792| | 2010-11-27 21:49 | 只看该作者
本帖最后由 pa2792 于 2010-11-27 21:51 编辑

通讯不做隔离,客户省了小钱,花大钱。我刚刚进公司初,有一款产品为了精度,没有使用电压互感器隔离,而是电阻分压采样,用电脑下程序时,仪表必须使用隔离变压器供电,但维修员为了省事,直接市电供电下程序,电源开关一开,电脑马上炸机。

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apple|  楼主 | 2010-11-27 22:01 | 只看该作者
估计王工有高招,当然可能你也花了很多心血,我也一直在想前端隔带宽,性线,精度问题,是不是用光耦隔离?

  或者再加一个MCU传门负责与PC通信,然后再用232与示波器通信, 232就可以用光耦隔离了,可能通信速率就不能太高了。  

   保险电阻的电阻很小的,差不多为0,对于输入阻抗1M欧的示波器不会影响测试,只是当使用不当时有大电流通过时,电阻迅速增大。

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