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基于TMS320F28033的20MHz手持式双踪袖珍示波器.rar

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    编号:20180825165428727    类型:共享资源    大小:6.94MB    格式:RAR    上传时间:2018-08-25
      
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    基于 TMS320F28033 20 MHz 手持 式双踪 袖珍 示波器
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    2011-2012 德州仪器 C2000 及 MCU 创新设计大赛项目报告题 目: 基于 TMS320F28033 的 20MHz 手持式双踪袖珍示波器 学校: 西安交通大学&&西安电子科技大学 指导教师: 耿莉 组别: 专业组 应用类别: 仪器仪表类 平台: C2000 参赛队成员名单(含每人的邮箱地址,用于建立人才库):陈雷铖,硕士研究生,leicheng.chen@stu.xjtu.edu.cn朱灵, 硕士研究生,zhuling@stu.xidian.edu.cn视频文件观看地址(若未拍摄,请注明): http://v.youku.com/v_show/id_XMzU4NzIxMzEy.html邮寄地址和收件人联系方式(快递发送,请不要使用邮政信箱地址)陕西省西安市咸宁西路 28 号,西 6-313 舍题 目:_基于 TMS320F28033 的 20MHz 手持式双踪袖珍示波器 摘要(中英文) 项目实现的是一个手持式双踪袖珍示波器,以 TMS320F28033 为核心,由信号放大电路、信号采集电路、数据存储与处理模块、系统控制与显示模块等部分组成。信号放大电路先对输入信号进行程控增益放大。信号采集电路使用高速 ADC 对信号进行模数转换,数据送入以 FPGA 为核心的数据存储与处理模块。TMS320F28033 控制液晶显示和触摸输入。系统具体积小、输入阻抗小、功耗小等特点。In this paper, we propose a hand-held dual trace pocket oscilloscope, which is based on TMS320F28033. The system mainly consists of the signal amplifying circuit, the signal acquisition circuit, the data storage and processing module.It uses high speed ADC to sample the input signal, and FPGA to storage the data, while using TMS320F28027 to control the TFT LCD and the input of touch screen. Its features include low power consumption, low input impedance, friendly human -machine interface and compact size.1. 引言手机等手持设备的大发展为测量仪器开辟新的一片天空——手持式便携仪器。示波器作为电子工程师必备仪器,若能像手机一样便携,将是众多工程师们的福音。大部分市场上现有示波器体积较大,不仅占据了大量的宝贵的工作台空间,需要移动的时候也很不方便。另外在部分工作现场,空间有限,传统示波器无用武之地。市场上已经出现的便携式示波器或性能差强人意,或实际上不那么便携,或价格居高不下,拒大部分工程师于门外。基于性能够用、体积够小的原则,本项目设计的示波器解决了以下几个问题:1) 利用新颖的设计取代了传统示波器中必需的继电器,而同样实现DC/AC耦合的电切换,体积很小。2) 实现了很高的输入阻抗和很小的输入电容。 3) 主控采用了功能强大,外设丰富,功耗低的 TMS320F28033,简化了系统设计,减小了体积,有助于设计最终实现了真正的袖珍与便携。2. 系统方案 系统整体设计见图 2.1 。主控 TMS320F28033 负责控制液晶和触摸输入,即“人机界面”。使用 GPIO 模拟 8080 总线控制液晶,使用具有输入输出功能的 AIO 以及内部 ADC 实现触摸输入。通过 SPI 与 FPGA 交换数据,并对数据进行处理和显示。系统的数字校准也是在其中完成的。同时还有检测电源电压的功能。 FPGA 把高速 ADC 输出的数据流存储在内部 SRAM 中,通过 PWM控制输出占空比,滤波后以其直流电平控制压控增益放大器的增益,同过 IO 控制模拟开关的通断实现 DC/AC 耦合的切换。FPGA 内部逻辑实现了信号的触发控制,通过 SPI 把数据传送到 TMS320 F28033.。信号进入系统,先后经过跟随保持、直流/交流耦合、程控增益放大、带宽限制滤波器,再进入高速 ADC——ADS62P22 。为了防止频谱混叠,对输入高速 ADC 的信号使用阻容网络进行了粗略的带宽限制。低通阻容网络的输入带宽是 20MHz。按 键F P G AL C DF I L T E RA M PA D CT M S 3 2 0F 2 8 0 3 3V G AT O U C H电 源电 压检 测S P I图 2.1 系统整体设计3. 系统硬件设计模拟信号处理模块见图 3.1 。 信号输入后经过阻容分压网络,再通过由OPA2300 构成的一级跟随器,再经过 TS5A4594 和陶瓷电容、电阻构成的耦合模块,又通过一级 OPA2300 跟随,送入程控增益放大器 THS7530,进过 ADC驱动器 THS4505,抬升共模电平,最后进入高速模数转换器 ADS62P22。阻 容分 压网 络A M P电 压跟 随耦 合方 式切 换A M P电 压跟 随V G A程 控增 益放 大A M PA D C驱 动A D C图 3.1 模拟信号处理电压跟随:选用的器件是 OPA2300,带宽达到 150MHz,而输入漏电流低至 0.1pA,使得大输入阻抗的成为可能。失配电压为 1mV,输出摆幅损失为100mV,还有压摆、噪声等性能都非常适合我们的应用。耦合切换:选用的器件是模拟开关 TS5A4594,具有低至 8 欧姆的导通阻抗,高达 450MHz 的带宽,具有-82dB 的关断隔离抑制。而我们的应用带宽要求是 20MHz,均已足够。需要解决的问题是:我们的主控或者 FPGA 给出的信号是 0V 至 3.3V,而模拟开关的供电电压是-2.5V 至+2.5V ,这两者之间需要匹配才能够很好的控制。图 3.2 给出了我们的解决方案。TS5A4594 的 IN 脚为输入控制引脚,我们用一个 1.5K 电阻连接到负电源 -2.5V 出,而来自 FPGA 的 IO控制信号经过一个 2.4V 的稳压管接到 TS5A4594 的 IN 脚。当 FPGA 输出为高阻状态的时候,IN 脚被电阻拉低,模拟开关关断,直流电平由电阻 R14A 转移到 GND。当 FPGA 输出 3.3V 高电平的时候,IN 脚被拉高到 3.3V-2.4V=0.9V,相对与 TS5A4594 的 GND 脚的相对电位是 3.4V,是一个高电平,模拟开关导通。以一种比较简单的方式实现了控制电平的平移。图 3.2 耦合方式控制程控增益放大:选用的器件是 VGA 芯片 THS7530。+5V 的供电电压,高达 32MHz 的带宽,而很重要一点,具有很小的增益误差。失配稳定,可以通过数字校准的方式消除影响。电路见图 3.3 。通过对 PWM 波的整流获得控制电平,也是通过稳压管来进行电平平移,最后都需要数字校准。图 3.3 程控增益放大高速 ADC:采用的是 ADS62P22,超频到 100MHz,对有效精度有一定影响。需要注意散热。ADC 驱动器:使用的 THS4505 。带宽够用,供电方式是 -2.5 至+5V,保证输出摆幅和共模电平。FPGA:使用的 XILINX 公司 XC3S250E,使用了内部的 block ram。液晶:3.0 寸 240X400 带触摸的 TFT 液晶。处理器:TMS320F28033PAGT 。选用的是 64pin 的封装,引脚多,资源丰富,外设齐全。本设计所需的内置 ADC,SPI 模块均有配置。EPWM 模块在设计之初也用于程控增益放大器的调试,非常方便。时钟:100MHz 有源晶振首先提供给高速 ADC,由 ADC 的 CLK_OUT 引脚提供给 FPGA。保证 ADC 所采用的时钟具有最小的 JITTER,减少有效精度损失。有 源晶 振A D CF P G AC L K _ O U T图 3.4 系统时钟电源:3.3V、2.5V、1.2V 电源分别使用了线性稳压器TL1963ADCQR,TLV70225DBVT ,TLV70012DDCT,负电源使用了电荷泵TPS60400DBVT,最终方案采用的是两个 TPS60400DBVT 并联使用。负稳压芯片用 TPS72325DBVT。系统中芯片除 FPGA 外全部采用 TI 器件。申请的器件比较多,特此向负责的 Frank Huang 表示感谢。4. 系统软件设计TMS320F28033 的内部逻辑流程见图 4.1 。MCU 完成自身初始化,液晶显示初始化后,还要等待 FPGA 配置完成,再对通过 SPI 对 FPGA 内部各个控制寄存器进行初始化。如果显示出于 STOP 状态,则循环查看触摸输入状态。在RUN 状态下,根据触发模式,查询 FPGA 中触发标志位,若已经触发则读取数据并显示波形,若没有触发,则转到查询触摸状态的过程。自动模式下,即使没有完成触发,在经过一定次数查询后也会读取一段数据,进行显示。系统需要保证按键输入通道的畅通,保证响应及时。FPGA 的内部模块见图 4.2 往 RAM 写如数据时,控制模块主要是通过控制地址线来控制采样频率。而触发是通过分析 FPGA 内部各 ADC 数据缓冲器的数据从而确定的。触发有触发开始和触发结束标志位,触发开始后,记录开始的地址,等到 RAM 写满,即地址指针再次回到触发开始位置,触发结束。开始已经触发 ?Y读取处理数据N初始化R U N / S T O P ?R U NS T O P画图显示还原触发标志有无触摸按键触摸按键子程序YN图 4.1 MCU 内部逻辑流程A D C 1编 码转 换控 制 模块S P I模 块P W M 1P W M 2R A M 1 R A M 2A D C 2编 码转 换A D D R E S S D A T AD A T AD A T AD A T A图 4.2 FPGA 内部模块5. 系统创新1)利用新颖的设计取代了传统示波器中必需的继电器,而同样实现 DC/AC耦合的电切换。继电器具有开路阻抗大,短路阻抗小,耐压高以及寄生小等特点,一直是传统示波器用作 DC/AC 耦合切换的必备元件。很遗憾,现有继电器都有较大体积,难以实现真正便携。有可能替代之的 MEMS 继电器尚未开发成功。本设计利用模拟开关和运放,同样实现了 DC/AC 耦合的电切换,耐压也足够,具有极小的体积。2) 实现了很高的输入阻抗和很小的输入电容。示波器高的输入阻抗和小的输入电容能够对被测量电路产生最小的影响,尤其是电路的高阻抗节点或者高频节点。该指标得益于所选 TI 线性器件的优异性能。 3) 主控采用了功能强大,外设丰富,功耗低的 TMS320F28033,简化了系统设计,减小了体积,有助于设计最终实现了真正的袖珍与便携。也为系统的进一步升级提供了很好的平台。6. 评测与结论6.1 测试仪器及测试条件VICTOR VC830L 万用表 SP-F05 信号发生器 测试条件:室温,室内;○ 1 ○ 2 ○ 36.2 测试结果表 4.1 参数与指标参数 指标 参数 指标输入阻抗 10MΩ/6pF 带宽* >5MHZ外形 90*56*11mm3 功耗 <500mA采样率 100MHz 电源电压 5V精度* 8bit*在测量精度为 100mV/格 时,由于噪声不能达到该精度。*测试用的信号发生器只能输出 5MHz 的正弦波。所用器件带宽均大于30MHZ,设计中用阻容网络限制在 20MHz。*动态参数没有测量。附录实物外形:附图 1 正面外形
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