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微型USB接口虚拟示波器的设计与实现

接触USB总线已经有5年左右的时间了,刚接触USB时就采用了周立功代理的芯片——PDIUSBD12,该芯片为USB设备控制器,可以实现批量12Mbps的数据传输率。采用该芯片我设计了一些数据采集系统以及信号发生系统,主要应用于虚拟测试。这里我想总结一下我以前设计实现的微型虚拟示波器,并对示波器的关键技术作一下简单总结。


实物展示
微型虚拟 示波器一共设计了三版,下图是一个稳定版本。总的来说体积还是相当小的,技术指标也还可以,能和一台普通20MHz带宽的模拟示波器相媲美。

上图所示的板子为示波器的核心部分,还需要前向通道电路,实现阻抗匹配、信号衰减以及程控放大。上位机的测控软件基于Labview平台,软件界面如下图所示,Labview通过CLF接口访问动态链接库,从而操作硬件系统。


虚拟示波器的硬件部分完成信号获取,本质为一个数据采集系统。软件部分完成信号处理,定义具体仪器的功能。如果只需要显示时域波形,那么该仪器定义为示波器,如果需要定义成频谱分析仪,那么加入频谱分析的算法环节(FFT频域变换)就可以了。

设计实现的微型虚拟示波器指标如下:

<!--[if !supportLists]-->1、基于USB总线,无需外部电源,即插即测;

<!--[if !supportLists]-->2、体积小,80mm×65mm,普通人手掌大小;

<!--[if !supportLists]-->3、<!--[endif]-->±5V(1:1示波器探头)双极性信号输入;

<!--[if !supportLists]-->4、 <!--[endif]-->×0.5、×5倍程控放大;

<!--[if !supportLists]-->5、 <!--[endif]-->单/双通道可选择输入模式;

<!--[if !supportLists]-->6、 <!--[endif]-->实现单通道80MHz采样率,双通道40MHz采样率;

<!--[if !supportLists]-->7、单通道64K板载存储器,双通道32K板载存储器,并且程控调节存储容量

<!--[if !supportLists]-->8、8位垂直数据分辨率;

<!--[if !supportLists]-->9、外触发、程序触发等工作模式;

<!--[if !supportLists]-->10、 <!--[endif]-->8级采样频率程控选择;

<!--[if !supportLists]-->11、WDM驱动程序,适用于WINDOWS98/2000/XP操作系统;

<!--[if !supportLists]-->12、采用DLL动态连接库与LabVIEW连接;

系统原理框图
微型虚拟示波器的系统原理框图如下所示:

输入信号经过无源探头进行阻抗匹配,设计的输入阻抗为1MR/20PF。匹配之后的信号经过衰减网络、前置放大通道,然后输入至双通道高速采样模块。双通道采样模块将信号采样、量化之后在CPLD的逻辑控制下直接输入至缓存,当缓存中的数据累计到一定程度之后,数据通过USB接口批量传输至PC,测控软件对信号进行处理、显示。

关键技术分析
(一)高速采样

双通道高速采样模块是系统的设计核心。示波器中常用的数据采集主要有如下三种:

<!--[if !supportLists]-->1、 <!--[endif]-->双通道独立采样模式。在该模式中,双通道ADC对各自的通道独立采样,采样获取的数据分别存入各自的缓存空间,PC软件会显示双通道的独立信号。在这种模式下,每通道的数据采样率决定于ADC的实际能力。

<!--[if !supportLists]-->2、 <!--[endif]-->双通道并行采样模式。在该模式下,双通道的ADC聚合采样同一通道的信号,两个通道的采样脉冲相位差180度,双通道获取的信号通过PC软件进行交叉聚合,输入一个通道的信号。采用并行采样的方法可以在固定ADC的采样能力的基础上提高采样率。

<!--[if !supportLists]-->3、 <!--[endif]-->等效采样模式。该模式只能对周期信号进行采样,通过相移采样脉冲,采样多个周期下的信号波形,从而实现低采样率下的高速信号获取。

  本设计实现了(1)、(2)两种采样模式,核心的采样ADC选用了TI公司提供的TLC5540,该芯片为半闪速8位高速模数转换器,最高采样率能够达到40Msps,输入信号频率带宽75MHz,内置基准点压源,在通常情况下,该芯片的功耗仅为75mW。在并行采样模式下,系统实际采样率能够达到80Msps,但是需要提供一个相差180度的采样时钟信号,为了避免逻辑门电路带来的延时,系统没有采用非门实现采样时钟,而是通过JK触发器产生两路同频反相的时钟信号。

(二)无源衰减网络

示波器的一大特点在于信号的动态范围宽,频谱范围宽。为了保证数据采集系统能够正常工作,需要对大信号进行衰减,为了使得在宽频的信号范围下,信号不产生畸变,一般采用无源阻容分压器。阻容分压器考虑输入信号的频率特性,在低频情况下直接为电阻分压比,在高频情况下,为电抗分压比。无源衰减网络本质上为一个平衡电桥,在一般的无源示波器探头中都存在一个调谐电容,调整该电容可以使得平衡电桥达到最佳补偿状态,在该状态下,信号衰减率就与频率无关了,所以能够在一个较宽的频带范围内,实现固定的信号衰减。

(三)程控放大

无源衰减网络输出信号输入至程控放大器,程控放大器选用美国德州仪器公司生产的FET输入宽频运算放大器OPA655和日本东芝公司最新推出的微型固态继电器AQY210实现。通过DC-DC变换模块将+5V电源转换成-5V电源,作为OPA655供电电源。OPA655是美国德州仪器公司(TI)生产的FET输入高阻宽带运放,常用作宽频光电检测放大器,测试测量仪器前置放大器。

(四)存储系统

在示波器技术中,存储技术起到了关键作用,往往也是系统的瓶颈所在,所以目前商用示波器系统中存储芯片往往都要示波器厂商自己设计。由于本设计的采样频率不是很高,所以可以采用IS61C256静态RAM作为存储介质,另外通过CPLD中的逻辑电路完成存储的时序接口。

(五)USB通信接口

USB通信接口采用了D12+AT89S52的设计方案,该方案可以实现12Mbps的批量数据传输。批量传输的数据包最大能够达到64字节。Usb通信接口的设计需要设计固件程序、驱动程序以及应用程序所需的DLL动态链接库。对于虚拟示波器,USB1.1标准的接口性能偏低,目前可以考虑USB2.0标准的接口,通信速率能够达到480Mbps。(USB设计资料:Tiloog’s blog for technology提供了USB固件源码,另外,computer00也提供了很多关于usb的设计案例及资料)

示波器设计心得

该微型虚拟示波器已经设计多年了,设计之初考虑较多的是通信接口、数据采集以及前向通道。特别是通信接口是设计的重点,因为当时USB通信设计还是特别热门的事情,不容易将USB通信搞通。数据采集也有一定的挑战性,因为采样率需要达到80Msps,另一个有难度的就是前向通道,但是,设计之初没有对前向通道投入足够的时间,只是做了简单设计,所以,从严格意义上讲,该系统还不能称之为“示波器”。

从我目前的认识来讲,示波器设计的核心在于前向通道、模数转换这两块,对于单台仪器来讲通信接口问题不是很大(集成系统的通信接口另当别论)。前向通道的信号放大、衰减电路都非常重要,特别是当今的示波器通道带宽已经达到10GHz以上的水平,所以,前向通道面临着大动态范围、宽频的挑战,这是示波器设计的核心。模数采集也十分重要,随着频率的提升,对模数转换提出了更高的采样率需求,当输入信号在10GHz量级时,采样率需要达到20GHz以上,所以模数转换器是示波器的核心器件,另外,高速采样必然需要大容量高速存储,所以对存储器的访问延迟、访问带宽提出了更高的要求。硬件都不是理想的,多多少少都会存在失真,都会存在非线性,所以示波器通常需要各种各样的补偿,在示波器技术中,目前应用最多的是采用DSP技术进行频域、时域的补偿。通过补偿,可以拓宽前向通道的带宽,通过校正可以滤除宽带引入的随机噪声。所以,DSP技术在示波器领域得到了非常广泛的应用,给示波器带来了实实在在的实惠。

五年前,当我听说某位老先生为示波器的研制投入了一辈子,我会扼腕痛惜:为什么这样的东西还需要投入一辈子的精力去搞,这有什么搞头?后来我才明白,示波器技术博大精深,不投入一辈子的时间是搞不定的,她本质上就是一门通用信号提取的科学,这就是我对示波器的理解。

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