基于微型計算機的虛擬儀器是現代電子測量儀器發展的重要方向， 其中虛擬數字存儲示波器是一種應用十分廣泛的虛擬儀器。虛擬示波器能充分發揮和利用計算機的軟硬件資源， 使之成為儀器功能的組成部分， 比如： 利用計算機的圖形界面完成對虛擬控制和顯示面板的定義; 利用計算機的存儲及文件功能完成對信號的記憶、存儲和回顯; 利用計算機的數據處理及控制能力完成對數據的采集、傳送、分析處理和顯示等。PXI 總線是最新一代的測試總線技術， 是PCI 總線在測試領域的擴展，于1997 年被美國NI 公司首次提出， 并于次年被采用為工業標準。PXI 總線可簡單地認為是Micorosoft Windows、Compact PCI（CPCI） 和VXI 技術的綜合： 機械規范方面采用CPCI 的核心技術， 即歐式插卡機械機構和氣密式針孔接頭， 特別適用于惡劣的工業環境; 電氣規范方面在保持了PCI/CPCI 總線所有優點的前提下增加了專門的系統參考時鐘、觸發總線、星形觸發總線和模塊間的局部總線， 以此來滿足高精度的定時、同步與數據通信要求。基于此， 本文采用PXI總線， 利用現有的PXI 工控機及高速數據采集板，設計了基于PXI 總線的虛擬數字存儲示波器軟件。

1 硬件結構

虛擬示波器的結構組成如圖1 所示， 它由預處理電路、AD 轉換電路、SDRAM、高頻時鐘及時序產生電路、觸發電路和FPGA［3］芯片、及邏輯控制器組成。待測信號經測試探頭輸入預處理電路， 實際被測信號的幅值變化范圍可能從數毫伏到上百伏， 預處理電路的作用就是對其進行放大或衰減調理， 使之適應A/D 轉換器的輸入需求。A/D 轉換電路負責將模擬量轉換成數字量， 在數據采集模式下， 轉換后的數字量在SDRAM 控制器的控制下， 被依次寫入128MB SDRAM。在示波模式下， 數字量通過FPGA內部的FIFO 通過PXI 總線被CPU 讀入、處理、顯示。本示波器的兩路輸入信號共用同一A/D 轉換電路， 因此在A/D 轉換前加了高速雙路選擇器， 通過快速切換完成兩路信號的數據采集。這里的PXI 總線可以實現示波器與PC 機主板間的數據傳輸。整個板卡是在高度穩定的時鐘控制下， 進行有序地工作， 這一時鐘是高頻時鐘發生器產生的。

2 電路設計與實現

2.1 預處理電路

數據采集電路的核心是A/D 轉換器， 而高速A/D芯片允許的輸入信號范圍一般是固定的（ 如- 0.5～0.5V） 。預處理電路結構如圖2 所示， 其作用是對小信號進行放大， 對大信號進行衰減， 以保證足夠的動態范圍。同時， 為了不給被測信號帶來影響， 它還具有較高的輸入阻抗。預處理電路由衰減網絡、阻抗變換、主放大、偏置調節、驅動放大等組成。這里衰減網絡由繼電器控制， 完成10 倍、100 倍衰減。主放大器選用寬頻帶運算放大器AD8056， 該芯片的主要特性是： 300MHz 帶寬（ - 3dBBandwidth， G=+1） 。采用負反饋放大方式， 與繼電器相配合完成1、2、5 倍放大。實際阻抗變換電路中也包含一片AD8056， 主要用作跟隨器， 起隔離作用。驅動放大電路采用AD 公司的AD8138， 該放大器具有較寬的模擬帶寬（ 320MHz， - 3dB， G=+1） ， 而且可以實現將單端輸入信號變成差分輸出的功能。這一變換在高速的模數轉換電路中非常有用， 因為幾乎所有的高速AD 芯片的模擬輸入端都為差分信號， 雖然部分芯片的手冊中提到也可使用單端信號， 但這樣會使AD 轉換結果的二次諧波增大， 降低系統的信噪比（ SNR） 。AD8138 很好地解決了這個問題， 可以非常容易地將用戶端的單端信號轉換成差分輸出而不必使用變壓器耦合， 大大精簡了電路結構。偏置調節電平由DAC 輸出， 并由計算機程控調節。

2.2 AD 轉換電路

該模塊采用了AD 公司的高速、低功耗、同步采樣模/數轉換器AD7677， 它采用+5V 工作電壓，AD7677 采用具有94dB 共模抑制能力的差分輸入通道， 將其Ref 引腳與IN- 引腳接到一起， 為差分電路提供2.5V 的參考電壓。這里模擬量采用單端輸入， 將IN- 端接共模電壓2.5V， IN+端接前端信號調理模塊的輸出。AD7677 的時鐘信號由外部提供， 最高采樣頻率可達1M/S。將COVST 引腳置低電平， 時鐘信號下降沿觸發， A/D 開始轉換， 轉換完成后產生轉換結束信號EOC。將AD7677 的COVST 引腳接高電平， 使轉換結果以16 位的方式輸出。輸出至FPGA， 存入同步動態存儲器。AD7677 轉換電路如圖3 所示。

2.3 實時時鐘

DS1302 是一種高性能， 低功耗， 帶RAM的實時時鐘芯片， 它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時， 且具有閏年補償功能， 工作電壓寬達2.5～5.5V， 采用三線接口與CPU 進行同步通信，并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信

號或RAM數據。在一個采樣周期內， 當輸入數據全部采樣完畢后， FPGA 讀取DS1302 中的時間值， 并進行存儲DS1302 的SCLK、RST、I/O 口分別與MEGA64 的I/O 相連進行串行通訊， 實現對采樣時間的記錄。

2.4 SDRAM

SDRAM的特點是存儲容量大、速度快， 被廣泛應用于計算機內存條上。本示波器選用四片32MB同步動態存儲器HY57V56820T 作為在線存儲器。SDRAM控制器的作用是以100MHz 的速率將A/D芯片輸出的數據正確寫入四片HY57V56820T 中，同時負責將其中已存好的數據正確讀出， 通過PXI總線再送到計算機內存。另外還負責SDRAM刷新。在數據采集模式下， 示波器能以100Mb/s 的速度將AD 轉換器輸出的數據實時存入SDRAM， 數據采集過程是先由模塊上的SDRAM實時接收數據， 再由PXI 總線傳遞到計算機內存。實際電路中SDRAM控制器是在FPGA 芯片上用VHDL 編程實現的。圖4 為其讀寫狀態機。

3 軟件結構

虛擬儀器作為21 世紀的儀器， 具有編程靈活、可自定義、數據處理和分析功能強大、開發周期短等優點， 推動著測控技術的革命， 在遠程控制方面有廣闊的應用前景。LabWindows/CVI是美國NI 公司利用虛擬儀器技術 開發的32位面向計算機測控領域虛擬儀器的軟件開發平臺， 代表著當今虛擬測控的發展趨勢， 它最大的特色是提供了功能強大的庫函數［5］， 其中包括：用戶界面庫函數， 高級數據分析庫函數， 數據采集，DDE， AcTIveX 及TCP/IP 庫函數等， 可以實現滿意的控制效果和仿真結果。本設計采用LabWindows/CVI， 充分運用高級數據分析庫函數等高級編程技術對軟件進行模塊化設計［6］。虛擬示波器軟件結構如圖5 所示。系統自檢與初始化模塊主要完成系統硬件故障診斷、端口初始化等操作。時基控制主要控制采集卡掃描率、通道掃描次數（ 取樣數） ; 觸發控制包括觸發電平控制、觸發模式、觸發斜坡等; 通道控制主要控制單通道或雙通道測量; 數據采集模塊主要完成數據采集的控制， 包括觸發控制、通道控制、時基控制等。其中， 參數測量模塊包括電壓參數和頻率、周期等時間參數的測量， 并顯示測量結果。頻譜分析模塊采用FFT 算法， 完成頻域信號分析。

4 軟件設計

示波器主面板如圖6 所示。當面板上“電源開關”鍵打開后， 調用驅動程序開始數據采集過程， 首先要根據觸發通道的不同和觸發方式的不同， 選取不同的數據采集方式， 同時根據用戶設置的觸發電平和觸發位置的不同也應該選擇采集不同時間段的被測數據。得到的數據在送顯示之前， 采集回來的波形數據根據需要可能還要經過一定的處理， 如平滑、插值、防抖等。由于示波器的數字存儲功能、實時采樣特點， 以及其單次觸發、滾動顯示、自動時基量程、波形停留、自動光標測量等特點， 決定了此部分程序模塊時序復雜、分支頗多， 是設計和調試的重點。

5 結語

本文所述虛擬數字存儲示波器技術已運用在某自動測試系統中， 其實現的示波器可雙通道同時工作于100MHz 采樣頻率， 檢測輸入范圍在10mV～100V 的信號（ 靈敏度為10mV） 。該自動測試系統基于測試領域最先進的PXI 總線技術， 體積小巧、使用方便、抗干擾能力強， 能滿足軍用研究所、基地維修中心等需要。