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基于單片機(jī)的等效采樣示波器設(shè)計(jì)
摘要：介紹了基于單片機(jī)系統(tǒng)的精密時(shí)鐘發(fā)生電路對(duì)高頻信號(hào)（1MHz～80MHz）進(jìn)行等效采樣的方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)模擬帶寬為1Hz～80MHz的簡(jiǎn)易數(shù)字示波器。關(guān)鍵詞：單片機(jī) 等效采樣 數(shù)字示波器
在數(shù)字示波器技術(shù)中，常用的采樣方法有兩種：實(shí)時(shí)采樣和等效采樣。實(shí)時(shí)采樣通常是等時(shí)間間隔的，它的最高采樣頻率是奈奎斯特極限頻率。等效采樣（Equivalent Sampling）是指對(duì)多個(gè)信號(hào)周期連續(xù)樣來(lái)復(fù)現(xiàn)一個(gè)信號(hào)波形，采樣系統(tǒng)能以擴(kuò)展的方式復(fù)現(xiàn)頻率大大超過(guò)奈奎斯特極限頻率的信號(hào)波形。
1 總體設(shè)計(jì)
由于所設(shè)計(jì)的示波器輸入頻率范圍較寬，本系統(tǒng)采用了等效和實(shí)時(shí)兩種采樣方式。若輸入頻率小于1.25MHz，選用實(shí)時(shí)采樣；反之，選用等效采樣。根據(jù)輸入頻率確定時(shí)鐘芯片的輸出及分頻數(shù)。當(dāng)輸入頻率高于1kHz時(shí)，利用可編程頻率合成芯片SY89429V產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)鐘；當(dāng)輸入頻率小于1kHz時(shí)，由單片機(jī)提供40kHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘。然后根據(jù)輸入頻率的大小對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘使用不同的分頻數(shù)，從而產(chǎn)生采樣時(shí)鐘。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)在硬件上可分為五部分：控制器、測(cè)頻及鍵盤(pán)控制、波形采樣、程控時(shí)鐘和液晶模塊。系統(tǒng)功能如圖1所示。
（1）控制器
控制器部分任務(wù)較重，通過(guò)兩片89C52（MCU1和MCU2）來(lái)完成。其中，MCU1負(fù)責(zé)采樣、數(shù)據(jù)處理以及程序時(shí)鐘和液晶的控制工作；MCU2完成測(cè)頻、DAC輸出和鍵盤(pán)接口處理功能。兩單片機(jī)通過(guò)串口通信。
(2)測(cè)頻模塊
本系統(tǒng)輸入信號(hào)的頻率范圍較寬（1Hz～80MHz），隔度范圍較大（0.1V～2.2V），整形電路采用高速比較器TL3016實(shí)現(xiàn)，其參考電壓由MCU1對(duì)輸入信號(hào)采樣獲得。整形后的信號(hào)經(jīng)程控分頻器送至MCU2測(cè)頻，精度可達(dá)四位有效數(shù)字。
（3）波形采樣模塊
該模塊由40MSPS的模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC5540、靜態(tài)存儲(chǔ)器CY7C128A-20和可編程邏輯器件ispLSI1016E-80組成。
在程控時(shí)鐘和程控分頻器的控制下，CLPD產(chǎn)生存儲(chǔ)器地址，將高速ADC的采樣數(shù)據(jù)以程控頻率寫(xiě)入靜態(tài)RAM。寫(xiě)滿256個(gè)點(diǎn)后，將靜態(tài)RAM的控制權(quán)通過(guò)數(shù)據(jù)選擇器轉(zhuǎn)交給MCU1，由MCU1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并送液晶顯示。
（4）程控時(shí)鐘電路
程控時(shí)鐘電路是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等效采樣的關(guān)鍵，其核心是可編程頻率合成芯片SY89429V。SY89429V的輸出時(shí)鐘范圍是25MHz～400MHz，步進(jìn)值0.125MHz～1MHz。它內(nèi)部采用高頻鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，對(duì)干擾很敏感，在硬件上采取了一定的抗干擾措施保證其穩(wěn)定工作。
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