雙通道高速采樣模塊是系統(tǒng)的設(shè)計核心。示波器中常用的數(shù)據(jù)采集主要有如下三種：

　　1、雙通道獨立采樣模式。在該模式中，雙通道ADC對各自的通道獨立采樣，采樣獲取的數(shù)據(jù)分別存入各自的緩存空間，PC軟件會顯示雙通道的獨立信號。在這種模式下，每通道的數(shù)據(jù)采樣率決定于ADC的實際能力。

　　2、雙通道并行采樣模式。在該模式下，雙通道的ADC聚合采樣同一通道的信號，兩個通道的采樣脈沖相位差180度，雙通道獲取的信號通過PC軟件進行交叉聚合，輸入一個通道的信號。采用并行采樣的方法可以在固定ADC的采樣能力的基礎(chǔ)上提高采樣率。

　　3、等效采樣模式。該模式只能對周期信號進行采樣，通過相移采樣脈沖，采樣多個周期下的信號波形，從而實現(xiàn)低采樣率下的高速信號獲取。

　　本設(shè)計實現(xiàn)了（1）、（2）兩種采樣模式，核心的采樣ADC選用了TI公司提供的TLC5540，該芯片為半閃速8位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高采樣率能夠達到40Msps，輸入信號頻率帶寬75MHz，內(nèi)置基準點壓源，在通常情況下，該芯片的功耗僅為75mW。在并行采樣模式下，系統(tǒng)實際采樣率能夠達到80Msps，但是需要提供一個相差180度的采樣時鐘信號，為了避免邏輯門電路帶來的延時，系統(tǒng)沒有采用非門實現(xiàn)采樣時鐘，而是通過JK觸發(fā)器產(chǎn)生兩路同頻反相的時鐘信號。

　　（二）無源衰減網(wǎng)絡(luò)

　　示波器的一大特點在于信號的動態(tài)范圍寬，頻譜范圍寬。為了保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠正常工作，需要對大信號進行衰減，為了使得在寬頻的信號范圍下，信號不產(chǎn)生畸變，一般采用無源阻容分壓器。阻容分壓器考慮輸入信號的頻率特性，在低頻情況下直接為電阻分壓比，在高頻情況下，為電抗分壓比。無源衰減網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上為一個平衡電橋，在一般的無源示波器探頭中都存在一個調(diào)諧電容，調(diào)整該電容可以使得平衡電橋達到最佳補償狀態(tài)，在該狀態(tài)下，信號衰減率就與頻率無關(guān)了，所以能夠在一個較寬的頻帶范圍內(nèi)，實現(xiàn)固定的信號衰減。

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　　無源衰減網(wǎng)絡(luò)輸出信號輸入至程控放大器，程控放大器選用美國德州儀器公司生產(chǎn)的FET輸入寬頻運算放大器OPA655和日本東芝公司最新推出的微型固態(tài)繼電器AQY210實現(xiàn)。通過DC-DC變換模塊將+5V電源轉(zhuǎn)換成-5V電源，作為OPA655供電電源。OPA655是美國德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的FET輸入高阻寬帶運放，常用作寬頻光電檢測放大器，測試測量儀器前置放大器。

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　　在示波器技術(shù)中，存儲技術(shù)起到了關(guān)鍵作用，往往也是系統(tǒng)的瓶頸所在，所以目前商用示波器系統(tǒng)中存儲芯片往往都要示波器廠商自己設(shè)計。由于本設(shè)計的采樣頻率不是很高，所以可以采用IS61C256靜態(tài)RAM作為存儲介質(zhì)，另外通過CPLD中的邏輯電路完成存儲的時序接口。

　　（五）USB通信接口

　　USB通信接口采用了D12+AT89S52的設(shè)計方案，該方案可以實現(xiàn)12Mbps的批量數(shù)據(jù)傳輸。批量傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包最大能夠達到64字節(jié)。Usb通信接口的設(shè)計需要設(shè)計固件程序、驅(qū)動程序以及應用程序所需的DLL動態(tài)鏈接庫。對于虛擬示波器，USB1.1標準的接口性能偏低，目前可以考慮USB2.0標準的接口，通信速率能夠達到480Mbps。（USB設(shè)計資料：Tiloog’s blog for technology提供了USB固件源碼，另外，computer00也提供了很多關(guān)于usb的設(shè)計案例及資料）

　　示波器設(shè)計心得

　　該微型虛擬示波器已經(jīng)設(shè)計多年了，設(shè)計之初考慮較多的是通信接口、數(shù)據(jù)采集以及前向通道。特別是通信接口是設(shè)計的重點，因為當時USB通信設(shè)計還是特別熱門的事情，不容易將USB通信搞通。數(shù)據(jù)采集也有一定的挑戰(zhàn)性，因為采樣率需要達到80Msps，另一個有難度的就是前向通道，但是，設(shè)計之初沒有對前向通道投入足夠的時間，只是做了簡單設(shè)計，所以，從嚴格意義上講，該系統(tǒng)還不能稱之為“示波器”。

　　從我目前的認識來講，示波器設(shè)計的核心在于前向通道、模數(shù)轉(zhuǎn)換這兩塊，對于單臺儀器來講通信接口問題不是很大（集成系統(tǒng)的通信接口另當別論）。前向通道的信號放大、衰減電路都非常重要，特別是當今的示波器通道帶寬已經(jīng)達到10GHz以上的水平，所以，前向通道面臨著大動態(tài)范圍、寬頻的挑戰(zhàn)，這是示波器設(shè)計的核心。模數(shù)采集也十分重要，隨著頻率的提升，對模數(shù)轉(zhuǎn)換提出了更高的采樣率需求，當輸入信號在10GHz量級時，采樣率需要達到20GHz以上，所以模數(shù)轉(zhuǎn)換器是示波器的核心器件，另外，高速采樣必然需要大容量高速存儲，所以對存儲器的訪問延遲、訪問帶寬提出了更高的要求。硬件都不是理想的，多多少少都會存在失真，都會存在非線性，所以示波器通常需要各種各樣的補償，在示波器技術(shù)中，目前應用最多的是采用DSP技術(shù)進行頻域、時域的補償。通過補償，可以拓寬前向通道的帶寬，通過校正可以濾除寬帶引入的隨機噪聲。所以，DSP技術(shù)在示波器領(lǐng)域得到了非常廣泛的應用，給示波器帶來了實實在在的實惠。

　　五年前，當我聽說某位老先生為示波器的研制投入了一輩子，我會扼腕痛惜：為什么這樣的東西還需要投入一輩子的精力去搞，這有什么搞頭？后來我才明白，示波器技術(shù)博大精深，不投入一輩子的時間是搞不定的，她本質(zhì)上就是一門通用信號提取的科學，這就是我對示波器的理解。

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