基于单片机的等效采样示波器设计

文章摘要：等效采样的输入频率是1.25MHz～80MHz。为了使复现的波形尽量精确，系统设计在1.25MHz～40MHz信号范围内每周期采一样一个点，在40MHz～80MHz信号范围内每个周期采一个点来复现波形。即采样频率范围要在1MHz～40MHz之间，并有可控的小步进值。SY89429V的输出频率为25MHz～400MHz，需要外加分频电路将低低频部分扩展。同时，本系统选用的ADC为TLC5540，其转换速率是5MSPS～40MSPS，低端采样率会受到限制，可以采用控制RAM写入速度的方式来控制采样速率。综合考虑，采用CPLD器件，将SY89429V芯片TEST输出的FOUT频率经过程控二分频器，一

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等效采样的输入频率是1.25MHz～80MHz。为了使复现的波形尽量精确，系统设计在1.25MHz～40MHz信号范围内每周期采一样一个点，在40MHz～80MHz信号范围内每个周期采一个点来复现波形。即采样频率范围要在1MHz～40MHz之间，并有可控的小步进值。

SY89429V的输出频率为25MHz～400MHz，需要外加分频电路将低低频部分扩展。同时，本系统选用的ADC为TLC5540，其转换速率是5MSPS～40MSPS，低端采样率会受到限制，可以采用控制RAM写入速度的方式来控制采样速率。综合考虑，采用CPLD器件，将SY89429V芯片TEST输出的FOUT频率经过程控二分频器，一方面提供给ADC作为CLK工作频率，另一方面再经过程控二五十进制分频器控制RAM写入速度，作为低端信号的采样频率。

3 软件设计

3.1 总体软件流程

总体软件流程如图3所示。MCU1接收MCU2的测频结果，并将幅值信息传递给MCU2，由MCU1根据输入频率确定采样方式，并控制精密时钟发生电路为ADC提供采样时钟。一次采样完成后，由MCU1处理采样数据并送LCD显示。

3.2 实时采样的实现

实时采样中，为了使采样得到的波形尽量精确，系统将1.25MHz以下的信号分为三个频率范围，在每个频率范围内由程控时钟电器产生某一固定的基准时钟，结合相应的分频数进行采样。具体设置如睛：输入频率为1Hz～1kHz，由单片机提供40kHz采样时钟；输入频率为1kHz～1MHz，由芯片SY89429V提供40MHz采样时钟；输入频率为1MHz～1.25MHz，由芯片SY89429V提供50MHz采样时钟。

3.3 等效采样的实现

由于可编程频率合成芯片SY89429V在本系统所使用的25MHz～50MHz频率范围内，步进值始终为0.125MHz。为便于数据处理，软件设计过程中可以将所有的实际频率转换成以0.125MHz为单位的代值，即除以0.125MHz。

系统中所采用的模数转换器TLC5540的转换速率为5MHz～40MHz，当输入频率小于40MHz时，采用每个信号周期采一点的方法；当输入频率超过40MHz时，采用两个信号周期一点的方法。

下面以输入频率在1.25MHz～40MHz之间的情况为例，输入频率大于40MHz的情况可以类推得到。

将输入频率fin转换后的代值（以后简称代值）记为dfin，根据输入频率设定芯片SY89429V的频率字SY（只取整数，用于控制输出信号的频率），经过n分频后产生采样频率。根据等效采样的原理，采样频率与输入频率相近（对于输入频率为40MHz～80MHz的情况，采样频率与输入频率的二分频接近），二者频率代值的差值记做da，则SY可以表示为：

SY=(dfin-da) ×n （1）

这时复现一个波形所需的采样点数为：

d=(dfin-da)/da （2）

本系统选用的液晶为160×160点阵，将x轴上40个点所表示的时间定义为一格时基，记作A，则液晶屏幕上显示的周期个数为：

N=160×da/(dfin-da) (3)

由此，时基可以表示为：

A=N/(4×fin)=40×da/[fin×(dfin-da)] （4）

一个波形的采样点数也可以用时基和输入频率来表示：

d=40/(A×fin) （5）

笔者利用本文介绍的算法，实现了等效采样，能够地1MHz～80MHz的周期信号进行波形复现，效果令人满意。这种简易示波器在人机界面上为用户提供手动和自动两种工作模式，性价比高，有广阔的市场空间。

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