微型虚拟示波器的设计与实现
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：
1、基于USB总线，无需外部电源，即插即测；
2、体积小，80mm×65mm，普通人手掌大小；
3、5V(1:1示波器探头)双极性信号输入；
4、 ×0.5、×5倍程控放大；
5、 单/双通道可选择输入模式；
6、 实现单通道80MHz采样率，双通道40MHz采样率；
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
8、8位垂直数据分辨率；
9、外触发、程序触发等工作模式；
10、 8级采样频率程控选择；
11、WDM驱动程序，适用于WINDOWS98/2000/XP操作系统；
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：
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
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。
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