20120422群课笔记

1万 · 2012-4-22 21:35

本帖最后由王紫豪于 2012-4-22 22:21 编辑

占一楼，老王传PDF，二楼文字直播
我补上 PDF 版本：

iBoard电子学堂第五次群课.pdf (596.41 KB)

王紫豪修改！

1万 · 2012-4-22 21:55

王紫豪-XiaomaGee(15959622)  20:32:41
我首先对这次群课做一个简介，本次群课以《iboard 电子学堂》为参考，我来跟大家说一下，数字存储示波器的硬件原理。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  20:33:42
数字存储示波器，即 Digital Storage Oscilloscope，简称 DSO，是当今最常用的测试测量仪器之一。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  20:34:50
可以说，电子工程师研发、测试、维修等工作中，离不开这个仪器。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  20:36:19
《iBoard 电子学堂》从基础原理出发，通过一套简洁而不简单的数字存储示波器硬件，实现了简易的DSO。虽然简单，但麻雀虽小，五脏俱全。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  20:36:45
这个图是《iBoard 电子学堂》整机图

XiaomaGee(15959622) 20:37:20
通过4.3寸的液晶，我们实现了如下的示波器界面

XiaomaGee(15959622)  20:37:59
现在进入主题，请大家把刚才下载的原理图翻到最后一页。也就是整机框图页面。
XiaomaGee(15959622)  20:39:05
最后一页是整个《iboard 电子学堂》的原理框图
，我们今天仅仅讲授数字存储示波器部分，也就是右下角的一部分。
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XiaomaGee(15959622)  20:40:22
大家可能注意到了，右下角其实包含了两部分，一部分是数字存储示波器，一部分是任意波发生器。任意波发生器部分上次课已经讲解完毕。
XiaomaGee(15959622)  20:41:35
我们先从框图看起，从右至左，框图分别为：BNC端子输入 -> ACDC -> ATT -> VGA ->ADC和 TRIG，然后信号就进入FPGA了
XiaomaGee(15959622)  20:42:47
测试测量仪器中，很多部分都使用了 BNC 接头，这种接头屏蔽性较好，也很实用，我们这里也是使用它。图片如下：

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信号通过BNC 连接器输入后，我们进入了AC/DC选择部分；AC /DC 的含义为：交流/直流
耦合选择的意思。

XiaomaGee(15959622)
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为啥要做 AC/DC 耦合选择呢，其实主要是为了不同的测试对象来说的。

XiaomaGee(15959622)
20:45:01
通过关注实物不同的属性，忽略次要因素，才能达到我们测试的目的。

XiaomaGee(15959622)
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例如我们要测试一个开关电源输出的纹波，我们则需要用 AC 耦合。

XiaomaGee(15959622)
20:45:51
不然的话，纹波会被较大的直流电平淹没，根本表现不出来。

XiaomaGee(15959622)
20:46:14
AC/DC 选择后，进入了 ATT 阶段，也就是“衰减器”阶段。

好好学习(272729928)
20:46:55
ATT是什么缩写

XiaomaGee(15959622)
20:47:12
attenuation
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20:47:14
大家都知道，示波器的 ADC位数一般都比较低，为了达到较好的测试效果，示波器均配有不同的量程。

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20:47:55
我们的设计效果，就是通过衰减器配合后级的放大器，组合出不同的电压量程。

XiaomaGee(15959622)
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ATT输出后，进入 VGA 阶段。大家注意了，这个VGA 不是我们显示器接口 VGA 的意思，而是可变增益放大器的意思。

XiaomaGee(15959622)
20:49:07
具体的电路，一会讲解，我们先把原理通一下。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  20:50:19
VGA 输出后，我们已经把信号“调理”到一个合适的电压范围之内，这时候，我们该进入AD转换了，ADC 对模拟电压的采样，然后通过液晶显示器显示出来；这样，一个示波器通道就形成了。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  20:50:56
这里还的说了一下，为了达到良好的触发效果，我们这里使用了一个比较器作为触发源。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  20:51:41
触发效果是评价一个示波器的很重要的因素，特别是数字存储示波器。它的重要性甚至超过了存储深度等大家关心的指标。

1万 · 2012-4-22 22:14

本帖最后由 xyz549040622 于 2012-4-23 08:30 编辑

王紫豪-XiaomaGee(15959622) 20:52:00

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触发电路的框图如上。
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框图我们说完了，下面我们看下具体的电路实现。

王紫豪-XiaomaGee(15959622)
20:53:55
请大家把原理图PDF 翻到第十页。

王紫豪-XiaomaGee(15959622)
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这一页，就是我刚才说的框图的具体电路的实现。

王紫豪-XiaomaGee(15959622)
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我们首先从左上角看起，J14就是我们刚才说的信号输入的BNC端子。

王紫豪-XiaomaGee(15959622)
20:56:09
信号从 BNC 输入后，经过一个单刀双掷的继电器进行 AC/DC选择
王紫豪-XiaomaGee(15959622)
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电路图很容易看明白，当继电器触点打到 1 脚时， c115耦合电容被短路，所以是直流耦合

王紫豪-XiaomaGee(15959622)
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当触点打到 6 脚时，信号智能通过 c115耦合电容耦合进去，所以为交流耦合（电容有隔直流通交流的效果）

王紫豪-XiaomaGee(15959622)
20:58:29
这个继电器，就是我们板子上蓝色的那俩其中的一个，我截个图给大家看看
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王紫豪-XiaomaGee(15959622)  20:59:25
那两个
白色的bnc头，其中一个就是示波器信号输入端子。
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经过AC 或者DC耦合后，信号进入衰减电路。
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这个衰减电路的阻抗，也就是我们示波器的输入阻抗。
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市面上商业化的示波器一般都是 1M的输入阻抗；我们这里为了减小噪声（没有屏蔽的条件），我们选用了 100K欧姆作为输入阻抗。
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当然，喜欢 diy的朋友也可以换成 1M的阻抗，电路结构是一样的，无非换几个电阻而已。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:03:07
根据图纸我们可以看出，这个衰减网络我们实现了 1:2 和 1:20的衰减功能。
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然后经过继电器 U32来实现切换。
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经过衰减网络后，我们加了一级跟随器；用的运算放大器型号为 AD8065
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关于这个跟随器的选型，主要有两个要点：①要输入阻抗尽量大，AD8065为 fet结构，阻抗达 G欧姆
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②带宽足够宽。我们示波器的带宽受到每一部分电路的限制。
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AD8065 的单位增益带宽达 145MHz

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当然，价格较便宜也是我们考虑的一部分；一直接触数字电路的朋友们可能不知道；这个小小的运放，很可能就比一个dsp或者fpga贵很多。
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跟随器输出后，信号进入了 VGA 器件 AD603
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AD603是一个很强大的ic，他能通过模拟电平，控制输出信号对输入信号的增益。
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并且模拟带宽最高可以做到 90MHz
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.使用这些模拟器件，我们只需要按照他的datasheet做一个典型应用即可。
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喜欢问问题的朋友，不如首先把官方的文档吃透后在问别人；官方才是最值得信赖的，也是最有保证的。
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上图截图于AD603的datasheet
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通过此种连接方法，我们实现了 -10dB到 30dB的增益。和 90M的带宽。
XiaomaGee(15959622)  21:13:21
大家可能对dB有点不熟悉，30dB相当于对输入信号进行了 31.6倍的放大。
XiaomaGee(15959622)  21:15:08
这里说一下，为了达到良好的效果，我们使用了两个直流电平控制 AD603的增益；电路图上分别为 DSO_VGAP和 DSO_VGAN
XiaomaGee(15959622)  21:16:02
这两个电平都是通过 STM32的 DAC 扩展出来的。
XiaomaGee(15959622)  21:16:38
pcb layout的时候，让他们两个紧贴着走；使得抗噪声能力很强。

王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:17:09
因为我们需要的是 DSO_VGAP-DSO_VGAN,，噪声被抵消了
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:17:30
接着往下说。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:18:01
信号经过
程控增益放大器后，进入了 DC 调节环节，
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:18:19
这里，我们使用了一个相对便宜的运放，LMH6643，双运放。

1万 · 2012-4-22 22:16

本帖最后由 xyz549040622 于 2012-4-23 08:33 编辑

王紫豪-XiaomaGee(15959622) 21:18:50

王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:19:20
从图中，我们可以清楚地看到，我们实现了放大2倍的同相放大器。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:19:54
而且叠加了直流电平
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:20:15
网络标号为 DSO_OFFSET
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:20:37
这个直流电平是双极性的，可以是正，也可以是负。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:20:56
这就实现了我们常见的示波器上，零点上下调节的功能。

王紫豪-XiaomaGee(15959622)
21:24:22
也是为了观看被测信号的范围。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)
21:29:10
这样说吧，如果我们的输入信号，是一个带有直流偏置的信号，偏差的很远，我们就需要直接调整 dc值，才能达到良好观测的目的
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:35:02
LMH6643 是一个双运放，我们使用它其中的一路，进行了直流电平叠加；
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:35:25
这个运放也很牛的，单位增益带宽为 130MHz
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:35:43
大家可能注意到了，我为啥老说“单位增益带宽“呢
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:36:08
其实对于电压反馈的运放来说，他的带宽跟放大倍数几乎是成反比的。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:36:24
也就是放大倍数越大，则带宽越低。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:36:40
细节部分不深究，大家可以去看书吧；继续讲。。。。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:37:23
LM6643的另外一路运放，我们用作了一个跟随器，用于比较器的输入前端。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:37:38

王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:38:38
比较器这里，是这个数字存储示波器的重点电路；
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:38:56
从另一个角度来说，我们什么时候开始采样，大部分取决于这个比较器。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:39:30
数字存储示波器一般都是
【触发】--【采样】--【显示】这样周而复始的运行的。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:40:16
比较器我们这里使用 LMV7235M5 这个器件，好像是 70ns左右的比较器。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:40:47
如果需要更高速的，我也用过很多，例如 LT1016，AD8561，LT1394，lt1715等等。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:41:06
回到电路上。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:41:34
大家可以看一下，比较器的两个输入我们分别加载了示波器波形和直流电平。

王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:41:57
这个直流电平的网络表为：TRIG_DC
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:42:30
他也可以正负调节；示波器上触发电平的调节，就是通过这个电路来实现的。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:43:27

这个图中，红色的箭头，就是触发电平。如果触发电平偏离了波形，则示波器的波形看着不稳定
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:44:23
手上的截图素材有限，就不贴图了。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:44:51
下面我说一下一个关键部分
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:45:04

王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:45:27
大家有没有注意到，我们这里通过
电阻 R165 做了一个正反馈。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:45:48
大家都知道，在运算放大器中，正反馈是不稳定的。为啥这里这样用呢？
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:46:34
其实，我们通过使用正反馈，来达到一个迟滞效果；在比较电平中实现了一个迟滞电压。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:47:17
如果没有这个电路，我们用示波器测量低频信号（如 10Hz）的正弦波时，会有触发抖动。

王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:47:36
速度越快的比较器，抖动的越厉害。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:48:01
这个跟数字电路中的施密特触发器原理类似。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:48:39
算下就知道了，很简单的公式
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:49:15
下面说下 ADC部分。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:49:51
我们这里选用了 AD9280 这个ADC，他的官方最大采样率为 32M
wei(34103820)  21:49:50
能否说下那个简单的公式
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:50:07
就是电阻比例值
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:50:40
这样的电路，一般都需要调试才能达到良好的效果。
王紫豪-XiaomaGee(15959622)  21:50:51

具体设置多大的回差，是算不出来的。

1万 · 2012-4-22 22:16

本帖最后由 xyz549040622 于 2012-4-23 08:36 编辑

王紫豪-XiaomaGee(15959622) 21:51:21

XiaomaGee(15959622)  21:52:57
通常意义的示波器，几乎都是采用 8bit adc的，所以，示波器不具备精确测量效果。
XiaomaGee(15959622)  21:53:23
不管谁家的
示波器，你让他去精密测量电压，那就是大才小用了。
XiaomaGee(15959622)  21:53:58
群里有个网友说得好；示波器主要的功能是“示波”的，如何示好波，才是他的关键。
XiaomaGee(15959622)  21:54:18
所以，我们这里也选用了一个 8bit adc
XiaomaGee(15959622)  21:54:54
对于《iboard 电子学堂》来说，指标不是关键，就像刚才的电路，我们把 adc换成一个采样率搞的，就能轻松达到 200M采样率，
XiaomaGee(15959622)  21:55:12
我的目的，是通过这个电路，去传递思想和设计思路。
XiaomaGee(15959622)  21:55:52
而不是追求指标；追求指标，就是拿钱烧出来的；毕竟学生们都不能自给自足的。
XiaomaGee(15959622)  21:58:12
再 ADC 前端有个保护，这里大家也要注意一下
毕竟示波器的调节和输入是不确定的。
XiaomaGee(15959622)  21:58:29

XiaomaGee(15959622) 21:59:35
bat54s的压降非常小；所以保护效果好。
XiaomaGee(15959622) 22:00:17
这个是 AD9280的框图，对于这些芯片，我们会用就行了，没必要研究内部结构。其实，内部结构远远比框图复杂得多。

XiaomaGee(15959622)  22:01:30
至此，一个数字存储示波器的模拟通道我就说完了，
XiaomaGee(15959622)  22:01:45
下面，我们再把原理图翻到最后一页。
XiaomaGee(15959622)  22:02:01
继续看一下框图。
XiaomaGee(15959622)  22:02:11

XiaomaGee(15959622) 22:02:44
通过刚才的讲解，现在看起来，就相当好理解了。

XiaomaGee(15959622)
22:03:08

下面还有一点时间，我说说我们的数据，ADC输出后的走向。
XiaomaGee(15959622)
22:04:15

我们的示波器通道，一共输入到fpga有两路信号；①触发信号
②ADC转换值。
XiaomaGee(15959622)
22:05:09
触发信号有两个作用：
①通知fpga何时进行采样；这里可以实现上升沿或者下降沿触发
②频率测量
XiaomaGee(15959622)
22:06:05
fpga 通过内建的 FIFO，触发信号来后，进行采样；当fifo满后，cpu（这里是stm32）读取fifo中的数据并显示。
XiaomaGee(15959622)
22:06:51
然后快速地、周而复始地执行这个过程；最终就达到了示波器测量波形的效果。
XiaomaGee(15959622)
22:07:49
好了，今天的课就讲到这里。关于 DSO的软件部分，以后的课程在讲解。
XiaomaGee(15959622)
22:07:54
谢谢大家。