【数字示波器基本原理】
数字示波器是一种用于观察和分析电信号的电子设备，它将模拟信号转换为数字形式进行处理和显示。在2007年电子设计大赛中，C题的一等奖作品是一款以单片机（MCU）和现场可编程门阵列（FPGA）为核心的数字示波器。该设计着重解决了如何在有限的实时采样率下实现高频率等效采样，以及如何处理宽范围的信号带宽和幅度动态范围。
1. **等效采样技术**
等效采样技术是数字示波器中用于提高采样率的关键技术，它允许在实际采样率低于信号最高频率的情况下捕获信号。本设计采用了随机等效采样，这种方法不要求精确测量输入信号的频率，而是通过记录每次触发信号与ADC（模数转换器）采样时钟之间的时间差来定位信号在波形中的位置。这种方法尤其适用于无法实现精确频率测量的情况。
2. **系统架构**
设计方案选用了单片机与FPGA的组合，单片机负责前端信号调理和人机交互，而FPGA则承担数据采集和处理的核心计算。这种架构兼顾了系统的灵活性、处理速度和成本效益。
3. **前端信号调理**
为了适应10Hz到10MHz的宽信号带宽和1mV到8V的幅度动态范围，设计团队采用了单一路径的信号调理方案，使用了压控放大器AD603进行两级放大，配合BUFFER634提升输入阻抗，确保不同频率和幅度的信号都能被有效处理。
4. **功能特性**
该数字示波器具备多种实用功能，包括：
- **小信号测量**：能检测低至2mV的微弱信号。
- **波形存储与回放**：允许用户存储捕获的波形，并进行回放分析。
- **测频**：能测量信号的频率。
- **触发沿选择**：可以选择不同的触发条件，如上升沿或下降沿。
- **校准信号输出**：提供校准信号以确保测量准确性。
5. **性能优化**
通过FPGA控制采样时钟和信号处理，提高了系统的性能指标。利用随机等效采样技术，即使实时采样速率仅为1MHz，也能实现最高200MHz的等效采样，显著提升了采样能力。
6. **系统模块化设计**
系统被划分为多个功能模块，包括前级通道信号调理、触发信号生成、采样保持、数据处理与存储、波形显示和控制面板，这种模块化设计有利于系统的设计、调试和维护。
这款数字示波器的设计展现了创新性和实用性，通过巧妙的架构设计和等效采样技术，成功克服了高速信号处理的挑战，提供了广泛的功能，符合2007年电子设计大赛C题的高标准要求。
