【原创】【持续更新】100MHz带宽500MSPS采样率的USB虚拟示波器原理图和PCB

文号t58752

56305

ddomax2013/07/20仪器仪表 IP:天津

部分电路图，还有一块Auto测量板
一片EP4CE6E22C8N,两片AD9481，一片CY7C68013A。
放大器每通道一片AD8003（AD8000的三通道板），电压跟随+可控增益反相放大+2倍固定倍率同相放大
电压基准两片NE5532,1.9~2.1V中点电压。不用差分是因为芯片太贵了。。4937-2 50RMB一片。8138上身时间无法满足3.5ns
打算时间交替采样，可是9481 Datasheet里说< 2 ps clock skew for a 100 MHz analog input frequency，看来是很难实现的。
PCB ADCLK用了等长走线，但是<2ps至少要求走线长度差<23mil,就算我PCB走准了，FPGA内部连线还不一定等长呢。
cyclone IV PLL最小相移96ps,看来有效位数6.5位就不错了
AD9286内部集成两个9480，最合适，可是350RMB一片。9480比9481贵好多，其实就是多了个ＬＶＤＳ
要看高清大图，自行下载PDF ，望大神多多指正，PCB都画好了。
此图为继电器版。。。

此图是现在的版本。。

PCB:数据线不走等长是因为计算了一下，顶多延时0.2ns（保持时间8nS），相对于蛇形线造成的EMI，得不偿失。CLK走的等长，必须的。

仿真的完美波形：

PCBPDF（封装自建太多，工程太大了不好上传）：

PCB1.pdf 818.70KB PDF 168次下载预览

相关常用资料：
AD8003中文数据手册：

AD8003_cn.pdf 669.19KB PDF 150次下载预览
AD9481英文数据手册：

AD9481.pdf 925.73KB PDF 100次下载预览
AD8370英文数据手册：

AD8370.pdf 767.50KB PDF 96次下载预览
AD4937-1/-2中文数据手册：

ADA4937-1_4937-2_cn.pdf 910.63KB PDF 111次下载预览
【Cyclone IV 特殊管脚说明】：

Cyclone_IV_Schematic_Review_Worksheet.doc 439.50KB DOC 78次下载

Multisim12仿真文件，模拟前端：
AD8003：

AD8003.rar 198.62KB RAR 51次下载
AD4927：

AD4927.rar 158.93KB RAR 60次下载

Sheet1.pdf 1011.71KB PDF 182次下载预览

+200 科创币

虎哥 2013/07/20 这个一定要顶

+40 科创币

相对论万岁 2013/08/07 高质量发帖

+1 科创币

神之觉醒 2013/08/09

+25 科创币

vcasm 2013/08/14 很不错，不用USB直接用wifi也会更加实用

来自：仪器与装备 / 仪器仪表

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~~空空如也

warmonkey

10年10个月前 IP:未同步

550012

1楼

回楼主(ddomax) 的帖子

楼主水平很高，赞一个

设计图看了，感觉有几处疑惑
1. USB传输速率比较低，不能实时传输500M取样率的数据，那么就需要一个采样缓冲，这个缓冲区在哪里。FPGA片内的容量，最多只有几M，似乎是不够的
2. 输入端TVS应该不能使用单向TVS，因为输入是双极性的。另外SMAJ系列的管子的结电容比较大，不太适合100M带宽的高频通路，建议使用更好的USB专用TVS（可能电压低了点），或者射频专用TVS。如果输入端到运放处的电阻比较大，也可不用TVS，直接靠电阻限流。

另外，希望lz能上传PCB布线图和实物照片，如果有源码就更完美了。

科创币

ddomax

2013-07-20

高质量发帖

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ddomax

作者

10年10个月前 IP:未同步

550024

2楼

回 1楼(warmonkey) 的帖子

肯定不是实时上传的啦，不要忽视“波形采样率”，设计在2万次每秒，这样一次1024X256（1KB）的数据，每秒20MB/S刚好。先靠FPGA检测触发，触发后的数据再以1024X8bit发出去。
打算另一块板子上用CH341和51专门负责传输频率、设置、电压（双向）等数据。同时还有一坨干簧继电器。
TVS是双向的，不过库里没找到图。打算用0603 5V的ESD专用二极管。
二级运放的输入电阻换成了300R，不然貌似不稳定（反馈电阻同比例放大）
FPGA内建FIFO，不过顶多270Kbit
样机得有十足把握了我才会去做，一块4层和1块双面，打样就得500RMB，再加上芯片，样机估计超过1000，先YY一下，现在先买好了FPGA，分模块调试。
主要是一些小元件量小不卖啊
上位机我没水平开发的，到时候再说吧，FPGA部分现在貌似实现不了单次触发。速度不够啊。外加比较器的话又要加重运放负担了，两块AD，4个Via，电容都12pF了，振铃会很严重的。
FPGA里先FIFO减速就必定漏掉部分数据，无法实现单次。直接检测触发速度不够。500MHZ分了125MHZX4路，排序相当麻烦。采样率还有下限20MSPS，这样有得在FPGA里再次采样才能看10KHZ一下的低频。
还有QFN的封装，我就一把破烙铁。。焊台风枪都没有。
现在PCB上传了啊

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nhlijiaming 百炼成钢

10年10个月前 IP:未同步

550042

3楼

牛人膜拜一下希望楼主能持续更新
单次采样可考虑用软件实现, 低端的DSO示波器都这么做的, 单词触发经常把信号给漏掉了.........

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ddomax

作者

10年10个月前 IP:未同步

550075

4楼

回 3楼(nhlijiaming) 的帖子

如果能“漏掉”的话，那就没有意义了啊，这就是为了捕获偶发信号。还有，预采样貌似也实现不了，我软件水平拙计啊。。

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ddomax

作者

10年10个月前 IP:未同步

550076

5楼

CY7C68013A用户完全手册（不是Datasheet）：

EZ-USB FX TechRefManual.rar 3.27MB RAR 40次下载

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ddomax

作者

10年10个月前 IP:未同步

550144

6楼

持续更新，价格精确计算：
1 EP4CE6E22C8N                 35
2 CY7C68013A                      17
3 AD9481     X2                      146
4 AD8003     X2                      40
5 EPCS4SI8N                         3.5
6 MC34063A                           0.6
7 AMS1117-3.3 X2                 0.32
8 AMS1117-2.5                      0.18
9 AMS1117-1.2                      0.18
10 MC79M05CDT                  0.45
11 7343贴片胆电容X12          18
12 331电感 X4                       2.4
13 7mmX7mm自锁开关     0.12
14 SS12D07VG4拨动开关X2 0.08
15 SS14贴片肖基特二极管  0.07
16 1N4148贴片开关二极管  0.025
17 AT24C32AN                     0.72
18 3296W 10K  X4                1.48
19 24MHz无源晶振         0.24
20 3528 LED                          0.055
21 50MHz有源晶振         2.7
22 0805贴片电容           10
23 0603贴片电阻           0.23
24 BNC接头               2
25 USB接头               0.35
26 ESD保护二极管         0.1
27 PCB 主                30
28 PCB 从                8
29 磁珠                   0.1
30 外壳                   35
31 继电器                 21
32 STC12C5A60S2               5.5
------------------------------------------------
合计                     381.4

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大圈圈

10年10个月前 IP:未同步

556291

7楼

哎呵呵，没人鸟，现在换成3.5‘’TFT继续搞，弄成袖珍实体示波器

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虎哥

10年10个月前 IP:未同步

558164

8楼

虚拟示波器等虚拟仪器，经过这么多年发展，仍然没有被普遍接受，不知何故。

楼主可以考虑把上层完全用手机或者平板来做，中间用wifi等方式互联。我想这是未来的必然方向。

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大圈圈

10年10个月前 IP:未同步

558189

9楼

回 8楼(虎哥) 的帖子

wifi和蓝牙都考虑过，速度太慢，干扰太大
已经改用TFT,电源部分支持双节18650直接供电，(爱死苦丁茶了，受他启发决定做成便携示波器)并且无任何dc-dc，全ldo.刚画完sch, ourdev的魏坤手持示波仪不支持电池供电用的dc-dc，125M采样 30M带宽就卖了860元，30套还是一抢而空。
要是这货做出来，估计市场前景广阔哦
加入屏幕后，成本千辛万苦终于控制在500以下。。(要是不管成本直接上单片500M AD，再也不用担心交替采样,不管体积供电也不麻烦了。。)
最恶心的是交替采样，时钟和基准电压难以精准控制，fpga好不容易实现相移细调了，结果jitter大的要死。现在加了片ad9510,spi控制两路延迟线，31ps步进。

+100

科创币

novakon

2013-08-10

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弹琴说哎

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558435

10楼

我最近也在搞这个东西有LZ的资料太好了

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大圈圈

10年10个月前 IP:未同步

558596

11楼

嘻嘻，找到福禄克的100ＭＨＺ手持示波器：
https://www.kechuang.org/t/36224
虎哥的帖子就是不一般。。

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ddomax

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559503

12楼

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ddomax

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559504

13楼

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ddomax

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559648

14楼

刚才发现淘宝上以前300CNY的4层PCB打样降到200/10片了，赶紧收尾，打样去，哈哈

科创币

神之觉醒

2013-08-13

4层居然才200!!!!0_o!

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ddomax

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10年10个月前 IP:未同步

560007

15楼

刚搞了个奇葩设计，加了一个开关（S4），不过这个开关是常闭的，就是一条导线。干嘛的呢？看图

其实是调节模拟输入延时的，是两通道波形同步。我搞不清开关内部走线有多长，于是两边同时加上开关。防止采样点偏移。

科创币

神之觉醒

2013-08-14

.....这都被你想到了.....

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神之觉醒

10年10个月前 IP:未同步

560071

16楼

回 15楼(ddomax) 的帖子

一个开关延迟能有多少= =

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ddomax

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10年10个月前 IP:未同步

560081

17楼

回 16楼(神之觉醒) 的帖子

老大了，光是2.54mm（100mil）引脚间距就能产生14ps延时。。造成至少1位有效位数下降。
何况我怎么知道它内部怎个复杂。。
在FR4的PCB外层走线上，延时是140ps/1000mil，内层是160ps/1000mil

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vcasm

10年10个月前 IP:未同步

560083

18楼

很不错，不用USB直接用wifi也会更加实用

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神之觉醒

10年10个月前 IP:未同步

560086

19楼

回 17楼(ddomax) 的帖子

感觉应该在FPGA里面动态补偿延迟就好了. 不知道可不可行可行的话就省去了你对外部的担忧

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ddomax

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10年10个月前 IP:未同步

560089

20楼

回 19楼(神之觉醒) 的帖子

不行啊。FPGA内部一个buffer延时就要1ns多，走线延时也不好控制，也是ns级的，最最主要的是这货产生的延迟，随电压温度大幅度动荡。所以才有加电压，OC嘛！
其实用xilinx的FPGA能解决，因为它集成了DCM，延迟线。不过Xlinx太贵了，而且我不会用。
PLL级联产生的相移分辨率够了，不过jitter有300ps，又要外加去抖芯片。
https://www.kechuang.org/t/59331

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ddomax

作者

10年10个月前 IP:未同步

560583

21楼

新版PCB大概就这样了，之前因为屏幕和按键冲突，重布了一遍。现在还缺5个导航键。
反正10X10内一个价，作为试验板，密度低点好飞线。。

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ddomax

作者

10年4个月前 IP:未同步

668825

22楼

整整半年过去了。。。
看来用继电器切换控制放大倍数是没戏了。
现在只好考虑VGA放大器了。
又加了一片ada4937-2，50元。不过ADC降价了，PCB打样降价了，而且现在的设计只需要一片PCB。
现在FPGA I/O不够用╮(╯▽╰)╭。。换BGA的话怕四层板吃不消。

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大圈圈

10年4个月前 IP:未同步

668827

23楼

又要开学了，真悲剧~~~~(>_<)~~~~
还发现个悲催的问题，双通道不同步

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sajunk

10年3个月前 IP:未同步

669969

24楼

我看了你的模拟电路部分，话说你这一上来就设计100M的没问题？运放虽说放大电路就那几个，但真的设计起来麻烦的多，首先我看到这些图里没有考虑运放相位裕度的问题，实际电路出来很容易出现自激什么的不稳定现象，你的板子我看不到布完的，反馈电阻和信号线这么走肯定是会出问题的。

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ddomax

作者

10年3个月前 IP:未同步

669978

25楼

本帖最后由 ddomax 于 2014-2-13 21:03 编辑

sajunk 发表于 2014-2-13 20:47
我看了你的模拟电路部分，话说你这一上来就设计100M的没问题？运放虽说放大电路就那几个，但真的设计起来麻 ...

恩，听您的，慢慢来,谢谢您这么耐心看完。还是分模块调试吧，先来模拟部分，单独打一次样，慢慢试。
自激在仿真中已经出现了。
这是半年前的电路了，毕竟是第一次画sch\布线，边学边做一个暑假，当时居然还想着把那么多反馈线靠排针引到另一块板子上，哎╮(╯▽╰)╭。
不光是模拟前端，数字部分也问题多多。
一根信号线长达2500mil，穿过整块板子，跨过高频时钟信号线,打了2个via,这干扰不出问题才怪。
整块板子布局就不对，看来应该把上边的模拟前端搬下来，或者AD搬上去，做成对称。

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sajunk

10年3个月前 IP:未同步

669981

26楼

ddomax 发表于 2014-2-13 20:59
恩，听您的，慢慢来,谢谢您这么耐心看完。还是分模块调试吧，先来模拟部分，单独打一次样，慢慢试。
...

需要我帮忙吗？我反正最近没事干，模拟前端的设计交给我怎么样？我家里最高的信号源只能到25M，学校估计有能上100M的，我到学校也能搞。数字部分我是仅知道有什么东西，别的完全不懂。这个东西一个人搞是不是太难了点，我还没见过模拟数字皆精通的人呢，我建个群把这个当个项目做怎么样？我的qq：5498 21055

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sajunk

10年3个月前 IP:未同步

669982

27楼

ddomax 发表于 2014-2-13 20:59
恩，听您的，慢慢来,谢谢您这么耐心看完。还是分模块调试吧，先来模拟部分，单独打一次样，慢慢试。
...

我认识一些学长，在实验室里曾经有一组是做过示波器前端的，还有专门做宽带放大器的，还认识研究生在做虚拟仪器的，可以一起搞嘛。

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ddomax

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10年3个月前 IP:未同步

669985

28楼

sajunk 发表于 2014-2-13 21:20
我认识一些学长，在实验室里曾经有一组是做过示波器前端的，还有专门做宽带放大器的，还认识研究生在做虚 ...

恩，真心谢谢你。后天就开学了，我估计会没时间做了╮(╯▽╰)╭。
要不您也做一个模拟前端方案，我也继续，看看效果？

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ddomax

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10年3个月前 IP:未同步

669987

29楼

sajunk 发表于 2014-2-13 21:20
我认识一些学长，在实验室里曾经有一组是做过示波器前端的，还有专门做宽带放大器的，还认识研究生在做虚 ...

我只是当做个学习过程，玩玩而已，我也不是大学生，真正在做的时间也就几个星期。

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最高主机泡泡

10年3个月前 IP:未同步

669994

30楼

ddomax 发表于 2014-2-13 21:29
我只是当做个学习过程，玩玩而已，我也不是大学生，真正在做的时间也就几个星期。

高中就做这么高端的东西太牛勒、、、膜拜ing。。。
用FPGA做的么。。。没仔细看过示波器的输入部分，记得是有干簧管继电器和模拟开关（好像是吧，没有太注意）之类来切换的啊，LZ这是要做可变增益的放大？
100M的带宽，干扰什么的问题也不好解决吧。。我的一台古董泰克60M输入部分就已经有屏蔽罩，一部分电路都上陶瓷基板了。。。

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