数字存储示波器设计制作报告

哈尔滨工业大学 2003 年本科生科技创新活动获奖作品选编数字存储示波器设计制作报告孙吉吉 孙士友 周洪亮（控制科学系 0004101）指导教师：蔡惟铮1．立项依据1.1.1 课题研究的目的、意义：（1）课题研究的目的：① 通过课题的研究进一步巩固所学的知识，同时学习课程以外的知识，培养综合应用知识的能力。② 锻炼动手能力与实际工作能力，将所学的理论与实践结合起来。③ 培养团队精神，加强协作能力，增进同学间的友谊。④ 尽力研究出预期成果，如有可能的话申报相关的知识产权，并使成果产业化。（2）课题研究的意义：① 研究过程本身可以使参与者得到极大的锻炼，为将来参加实际工作做好准备。② 研究的预期成果可以弥补现有示波器的不足，如能实现产业化，将在低档型方面有较大市场。1.1.2 现状分析：示波器在电子、电气、控制等领域应用十分广泛。随着计算机技术的发展，数字示波器已经实现与计算机互联、共享数据，但市场现有的示波器也有诸多不足，如价格昂贵、体积重量偏大、携带不方便等，而齐全的功能在很多的场合并不一定能够得到充分的应用。本课题所研究的可存储虚拟示波器定位为低档型，即在性能上只需满足大多场合的基本应用，努力实现小型化，价格尽可能低廉，这样在财力有限的小用户（电子爱好者、小型企业）中能够普及，在大用户的使用中发挥便携性强的优势，与高档示波器配合使用，互相取长补短。85数字存储示波器设计制作报告2．课题研究的主要内容及实施方案2.1.1 课题研究的主要内容：本课题研究的主要内容是如何建立一套可存储虚拟示波器系统，其具体组成为：① 硬件系统：硬件系统由计算机硬件系统和外部硬件系统组成。这里主要研究外部硬件系统，其主要目标是实现数据采集、AD 转换、数据缓冲及压缩、数据存储、向计算机系统传输。② 软件系统：软件系统的主要任务是通过计算机硬件系统读取由外部硬件设备传输来的数据，进行解压、变换、排除干扰信号、将波形显示在显示器上，并进行波形的存储打印与分析。在实现以上基本功能的前提下，还可以进行进一步的扩展国，如硬件系统性能的担高、成本的降低、体积重量的减小、接口的扩展；软件系统功能的完善、用户界面的改进、数据的格式化、网络化，最终目标是产业化。2.1.2 实施方案：本系统实施方案如下页图一所示：2.1.3 工作条件：信号源、单片机编程器、普通数字示波器、带 RS－232 串口的计算机系统。随着工作的进展对实验条件的要求可能会有所变化。86模 数转换数 据处理计算机系统 波形显示、存储、后期处理模 数转换 输入信号直接传输方式存储方式图一：实施方案示意图哈尔滨工业大学 2003 年本科生科技创新活动获奖作品选编3．问题的分析与几种主要实施方案的讨论3.1.1 问题的分析本课题的主要问题在于模拟信号向数字信号的转换。为了测试高频模拟信号，必须采用高速的模数转换技术。采样定理指出，要不失真地复现输入信号，采样频率必须大于等于输入信号频率上限的二倍，但在实际工作中，要得到较理想的输入信号的波形，在输入信号的每个周期必须采十个以上的数据点。这样绘制出的波形图才能比较准确地反映输入信号的特征。因此，高速采样及模数转换技术成为本课题的主要重难点。3.1.2 几种方案的讨论在本课题的研究过程中，我们提出了以下的方案以解决该问题。（1） 直接 AD 采样该方案采用市售高速 AD 转换芯片，直接对输入信号进行采样、转换，然后存储在单片机或 RAM 中。该方案的主要优点是软硬件设计简单，且有很多现成的资料可以参考。缺点在于速度与价格难以兼顾，市售高速 AD 转换芯片的价格与速度基本成指数关系，而且有很多高速 AD 转换芯片难于购买。因此，以较低的价格只能得到较低的性能。另一方面，从科技创新本身来说，本方案的技术已经相当成熟，真正创新的内容不多。（2）取样示波器方案所谓取样示波器，就是在一个周期信号的不同周期采样，从而获得周期信号的信息。如图二所示：对于输入信号，设其周期为 T，如果能够准确地得到其 T/n 的时间，那么就可以每隔时间采样一次，采 n 个数据点，实际上与在一个周期内采 n 个数据点...