课程设计（论文）-简易数字存储示波器.doc

简易数字存储示波器（b题） 简易数字存储示波器摘要我们设计制作的简易数字示波器以附加仪器的形式工作。该仪器以89c52单片机为核心，由前端处理，触发，采集，数据融合处理，波形显示和操作面板等功能模块组成。在系统的设计中，遵循智能化、操作方便、功能完备等思想。我们采用cpld实现控制逻辑，并使该仪器在示波器的xy方式下显示。为了提高系统的性能和可操作性，我们扩充了触发系统，如可选择通道1、通道2、外部三个触发源，以及自动、正常、单次、三种触发方式，具有边沿和最大幅度的条件触发功能等。设置了掉电保护、水平/垂直自动设置、波形打印等功能，并制作了供系统使用的线性稳压电源，完成了设计任务。关键词： 数字存储示波器cpldx-y显示方式一、总体方案设计示波器是用量最多、用途最广的测量仪器之一，是观察和测量电子波形不可缺少的工具。传统的模拟示波器在观测周期性重复频率较高的波形方面仍然得到普遍使用，但对于不能重复出现的单次信号、持续的非周期信号以及重复频率较低的周期信号则显得无能为力。数字存储示波器正是基于上述要求而出现的。目前的数字存储示波器以独立仪器、附加仪器以及虚拟仪器等形式工作。本设计中的数字存储示波器定位于附加仪器工作模式。1、 设计思想附加装置模式的数字存储示波器：l 应充分利用模拟示波器的原有功能电路及部件，如使用其crt并在xy方式下显示且使之尽量与模拟示波器融为一体，成为附加仪器方式工作的数字存储示波器。l 应具备较完备的数字存储示波器功能、灵活的触发方式，如智能人机交互、信号存储、分析、处理、测量、显示等。l 应符合传统示波器的使用习惯，并且具有灵活方便的操作、演示方法。2总体设计方案选择根据题目要求，本系统可选择以下方案实现：方案一：纯单片机方案。即系统由单片机、a/d、d/a存储器等组成。这种方案要求单片机除了完成基本处理分析外，还需要完成信号的采集、存储、显示等控制与变换工作。这种方案的优点在于系统规模较小，有一定灵活性，但是不适宜于观察高速信号或复杂信号，难以达到题目要求，并且系统的软硬件工作量分配不平衡，难以在4天内发挥各人的全部智慧。图1-1给出了该系统的总体框图：图1-1方案二：fpga/cpld方式。即用fpga/cpld完成数字存储示波器的采集、存储、显示等以及a/d、d/a等操作。这种方案的优点在于系统紧凑，操作方便，尤其适合于对固定信号的观测显示场合；缺点是难以实现复杂功能，尤其是信号分析测量功能。图1-2给出了该系统的总体框图：图1-2方案三：带有ip核的fpga/cpld方式。即fpga/cpld内部集成了cpu，用其完成系统要求的各项功能，如采集、存储、显示、人机交互等。优点在于结构紧凑、可以实现复杂控制，缺点是调试过程繁琐、开发周期长、成本高。方案四：单片机cpld结合方式。即用单片机完成人机界面、系统功能控制、信号分析、处理、变换等工作。用cpld完成采集控制逻辑及显示控制逻辑。这种方案兼顾了方案一和方案二的优点。3、系统设计方案本系统采用单片机和可编程器件作为数据处理及控制核心，将设计任务分解为通道信号调理、触发信号产生、采集存储、数据融合处理、显示、操作面板、掉电保护等功能模块。图13给出该系统的总体框图。图1-3如图1-3所示：通道输入信号经过调理电路进行放大或衰减后，加到信号采集部分的a/d输入端和触发信号产生模块；采集存储模块在触发信号的启动下，以一定的采样率将通道信号数据存入采集存储器中。单片机一方面将采集存储信号处理变换后，形成显示波形所需的波形数据，送波形显示存储器，另一方面对采集存储信号的数字信息，如幅度、周期、频率等，送到led数码管显示。波形显示控制模块将波形数据从波形存储器取出，经过d/a转换送示波器x、y轴，完成波形显示。操作面板的各路控制信号经多路开关接至a/d转换器，并由单片机控制多路开关切换进行采集，响应外界的操作。此外，为了防止系统异常掉电，系统中专门使用e2prom存储器随时保存系统设置信息和波形信息。通过外挂打印机，实现波形的硬拷贝功能。系统中的采集控制逻辑部分和显示控制逻辑分别采用2片cpld实现，充分利用其高速并行工作的特点，提高系统的速度性能。由于使用了89c52单片机和器件，使系统具有很大的灵活性，便于实现各种复杂控制，从而能方便地对系统进行功能扩展和性能改进。二、理论分析与参数计算1、存储深度m题目基本部分要求，水平分辨率为hd=20点/div据此，单通道存储深度应为m=hd10=200点 （21）按照发挥部分hd扩充一倍的要求 m=hd102=400点 （22）另外在发挥部分要求有主时基扩展功能，由于我们拟采取固定采样率，主时基显示采用抽样方法，主时基扩展显示采用逐点显示方法，因此，若主时基扩展n倍，则存储器深度为m=hd102n=400n点 （23）取n=5，则m=400n=2000点 （24）2、采样率fs与扫描速度s在固定存储深度m下，采样率fs与扫描速度s成正比，由公式 （25）取m=2000，则 （26）本系统中设定扫描速度从20us/div200ms/div，按1、2、5变化，共有13档，覆盖题目要求的3档。依据式25，计算出对应的采样率如表21所示表21扫描速度s20us40us100us200us500us1ms2ms采样率(hz)10m5m2m1m400k200k100k5ms10ms20ms50ms100ms200ms40k20k10k4k 2k1k3、垂直灵敏度设定垂直灵敏度为，按1、2、5分档，有10mv/div，20mv/div，50mv/div，100mv/div, 200mv/div, 500mv/div, 1v/div，2v/div共8档，可以覆盖题目中垂直灵敏度要求。4、调理电路增益调理电路的作用是将输入信号调整到适合a/d转换的范围adc的基准为5v，所以，示波器幅度轴上8格对应为5v，即0.625v/div，结合垂直灵敏度，计算每一档对应的放大倍数，如表22所示表22档位10mv/div50mv/div50mv/div100mv/div200mv/div放大倍数62.531.2512.56.253.125500mv/div1v/div2v/div1.250.6250.31255、a/d芯片的选取l a/d位数的选择a/d转换位数取决于垂直分辨率。依题，垂直分辨率为32级/div，以8格计。垂直方向上共有=28个量化级，所以a/d转换位数应不低于8位l a/d转换速度的计算a/d转换速度取决于最高采样率，本方案中，最高采样率位10m，所以a/d转换的速度应不低于10m我们采用ti公司的8位并行高速a/d转换芯片tlc5510。该芯片含有内部采样和保持电路，具有高阻抗方式的并行口以及内部基准电阻，通过在2步过程中实现转换，数据转换的等待时间为2.5个时钟，最高采样率20m，完全满足题目要求。三、电路分析与设计1、通道调理电路通道调理电路用于调节通道输入信号的动态范围，可以工作在人工和程控两种方式下。程控调理电路通常分为先放大后衰减和先衰减后放大两种结构：前者能够适应较宽的数入信号的动态范围，但衰减电路引入的噪声会被后级放大器放大,使系统信噪比变差,在构成相同的情况下,后者信噪比较高.第二种思路的缺点是大信号的输入回出现“阻塞”现象,难以适应较宽的动态范围.考虑到本系统输入信号的动态范围为8v0.01v,我们采用了第一种电路结构,即先衰减后放大.前级程控衰减由8位d/a构成,后级采用了高性能仪表放大器,大大提高了系统的信噪比.(1)前置程控衰减器程控衰减器由一片8位d/a 构成.其工作原理是将输入信号作为d/a参考电压,再经d/a输出信号,当d/a输入信号为恒值din时,输出电压与参考vref的关系为； （31） 由式31可知，输出的衰减倍数由输入的数字量din决定。由于后级作了相应放大，所以只要调整相应的衰减率就可得到需要的放大倍数。因此，数字量每改变一个bit，该电路的衰减就变动1/256。电路原理图如图31所示：图31 前置程控衰减器图31中的衰减器采用ti公司8位双通道并行高速d/a芯片tlc7528，该芯片参考输入电压范围为25v，输入阻抗为20k，低于题目中输入阻抗100k的要求，故前级增加一级同相电压跟随器。其采样频率可达10mhz,说明其模拟带宽远大于题目中dc50khz的要求。（2）后置仪表放大器：后置仪表放大器的作用是放大前级衰减器的信号，为保证不失真的放大信号，放大器应具备以下特点： 高共模抑制比，有利于抑制各种共模干扰引入的误差； 低噪声，保证系统的信噪比； 高增益和较宽的调节范围； 可调的直流偏置电压；我们选用ad公司的高性能仪表放大器芯片ad620。它具有外围电路简单，调节方便等特点。其内部电路原理如图32所示。.图32 ad620内部电路原理图调节外接电阻rg,就可以实现增益调节。增益与rg的关系式为: （32）图33 后置仪表放大器实际电路如图 3-3.所示: 图中电阻rg用于调整放大器增益。要达到发挥部分垂直分辨率0.01v/div的要求，增益g必须满足：即g62.5实际中取g=70，可通过调节多圈电位器rg得到。此时，要达到50khz的输入带宽，要求放大器的增益带宽积为：ad620增益带宽积为12mhz，完全能满足设计要求。图33中，rv用来调整信号直流偏置，以便于观测双通道波形。图33中的d1。d2用来限制输出信号的幅度，使a/d工作于线性区。图3-4 信号调理电路信号调理部分电路如图3-4所示，图中三个继电器的功能分别如下：jd1与jd2完成信号与接地的切换。jd3为正常显示方式与主时基方式的切换。当jd3吸合时，通道与通道对同一信号进行采集显示时将通道采集到的波形数据进行压缩显示，以便观察信号的整体趋势，将ch2采集到的波形数据逐点显示，来观察信号波形的细节。调节ad620基准可以实现主、副时基显示波形的上下平移。（3）窗口比较器：窗口比较器用于幅度轴自适应时的超限信号的检测。当通道调理电路输出信号电压超出窗口范围时，比较器输出高电平，电路图如图3-5所示：图3-5 窗口比较器其中u1a 为上限比较器，w1用于调整上限基准，当信号电平高与其基准电平时，输出高电平。u1b为下限比较器，w2提供下限基准，当信号电平低于窗口下限时也输出高电平。两个比较器输出信号经或门组合输出，即行成窗口溢出信号。比较器各点的波形如图3-6。图3-6 波形图2、控制面板电路：本系统控制面板除键盘外，还设有通道1垂直位置，通道2垂直位置，触发电平，触发位置，主时基位置共5个调节旋钮，使操作变的简单易行。单片机通过a/d配合多路开关来采集面板的控制数据，其电路原理图如图3-7所示： 图3-7图中cd4051为八选一模拟开关，tlc0820为八位并行a/d，p1.2,p1.3,p1.4用来控制采集哪一个电位器的数据。3、触发信号产生电路触发电路的作用是最终产生统一的上升沿有效的触发信号：下分别介绍信号和信号产生电路。1） 边沿触发信号产生电路此电路的核心是比较电路，即将输入信号与设定触发电平相比较，当输入信号uin的幅度超过门限电平时，比较器输出上升沿跳变，形成触发信号。为了消除噪声干扰，设计中引入正反馈，形成迟滞电平，完成迟滞比较、消噪功能。本系统采用rs-422接口集成电路mc3486实现比较器功能。mc3486具有0.4幅的噪声容限，输出同ttl电平兼容。传输延迟最大为35ns。可处理10mhz的输入信号。电路原理如图38图38边沿触发信号产生电路比较器输出上升沿触发信号，反向后便得到下降沿触发信号。在输入信号上叠加峰峰值60mv的正弦波，使用ewb软件仿真结果如图39所示。图392） 最大幅度触发通过峰值保持电路记录信号的峰值，并与输入信号比较，当信号幅度低于峰值保持电路的输出电平时，比较器输出上升沿触发信号。电路原理如图310所示：图310最大幅度触发信号产生电路图中，晶体管t1起保持取样开关作用。4、采集存储模块采集存储模块的作用是将被测信号作a/d变换，并保存到存储器中。其控制逻辑由一片altera公司的可编程器件epm7128slc84来实现。该器件支持在系统编程(isp). 方便了设计与调试，采集控制和逻辑原理如图311所示，图中主要由前置分频器、地址计数器、延迟计数器和时钟选择器共四大模块组成。图3111）接口部分我们将接口挂在系统总线上，这样使单片机可以非常方便的对可编程器件进行操作，接口内部原理如图312所示图312可编程器件的接口如上图所示，地址锁存器在写信号wr（低电平有效）的下降沿锁存a2.0线上的数据。内部译码电路对地址数据译码，产生片选信号，实现单片机对内部控制字锁存器和状态字锁存器的寻址。被寻址的控制字锁存器将在写信号wr的上升沿锁存d7.0线上的数据；被寻址的状态字锁存器将在读信号rd的上升沿将状态字锁存到d7.0数据线上。软件仿真时序关系如图313所示：图313对接口操作的时序关系2）可编程分频器可编程分频器的作用是提供采样时钟，其分频比由单片机根据采样率计算得出，作为控制字置入。3）地址计数器以及ram、adc的控制逻辑采集时，地址计数器在采样时钟的同步下计数，为存储器提供地址。采样时钟同时也充当adc芯片的读信号和ram的写信号。计数器输出的最低位作为2个adc芯片的选择信号。这样，2个通道的数据分别存入奇地址和偶地址。adc在读信号的下降沿后25ns将数据锁存到数据线上。ram在写信号的上升沿将数据存入。由于采样时钟最高为20mhz，脉冲宽度为25ns，所以，在采样时钟的上升沿到来的时候，可以保证在数据线上得到稳定的数据。4）延迟计数器延迟计数器决定了触发点的位置。通过设定触发位置，可以观察触发点前或触发点后或前后各一段时间内的波形。这是传统模拟示波器无法实现的。延迟计数器的初始值由单片机预先置入。触发信号的上升沿到来后，延迟计数器在采样时钟的同步下开始计数。其计数溢出脉冲将终止地址计数器计数，同时屏蔽adc的读信号和ram的写信号，也就停止了采集存储。由于在触发信号到来之前，采集一直是在进行的，存储器也一直是在循环刷新的，所以延迟计数器的计数模值便决定了触发信号到来后，再完成多少次采集存储。改变延迟计数器的初始值，就改变了触发点的位置。图314给出了延迟计数器与触发位置之间的关系图314延迟计数器与触发位置之间的关系5）数据选择器电路中有2个数据选择器：触发信号选择器和地址计数器时钟选择器。触发信号选择器的作用是在外部输入的多个触发信号中选择一路，作为延迟计数器的计数开启信号。下面介绍地址计数器时钟选择器：在采集的时候，选择器选通采样时钟，让地址计数器在采样时钟的同步下计数；采集结束后，选择器则选通单片机的读信号，单片机检测到采集结束信号（由延迟计数器的溢出信号产生），便开始回读数据，每读一次数据，地址计数器就加1，由于计数器是循环计数，所以只要依次读数，便可以读出所有的采集数据。5、显示控制电路显示控制电路完成对显示存储器的读写操作，并将对应的数据送到d/a转换器，形成x、y轴的扫描电压。电路由时钟选择器、地址计数器、x、y数据锁存器构成。在单片机写数据期间，时钟选择器将写信号选通，作为地址计数器的时钟，每写一次数据，地址计数器便自加一次，存储数据的规律为y1x1y2x2 。在允许显示期间，时钟选择器选通显示时钟，此时，地址计数器以固定的频率循环计数，ram的读信号直接用显示时钟充当，由于数据是按y1x1y2x2的次序存放的，所以需要用地址作为xy锁存器的选通信号，让奇偶地址的数据分别锁存到x、y轴dac的数据线上，产生对应的x、y轴扫描电压。我们将x轴10位dac数据线的最低位接地不用，次低位接ram的0位地址线，其余8位由单片机置的x轴数据确定，因此，x轴上共有29=512个量化级。电路运用maxplus原理图编辑，如图（3一15）所示，图（3一15） 显示控制电路仿真单片机写数据时序如图（3一16）所示。图（3一16） 时序6、掉电保护模块本模块用于掉电时保存系统参数设置，再次上电后将恢复系统设置。我们采用atmel公司非易失性存储器at24c02,实现数据掉电存储。只要系统参数发生变动，单片机就把参数写入存储器。每当程序复位，就自动调入参数。单片机与存储器采用i2c总线通信。ic总线是一种串行的数据总线，挂在总线上的各集成电路模块（如单片机和具有多种功能的电路芯片）通过一条串行数据线（sda）和一条串行的时钟线（scl），按一定的通信协议进行寻址和信息的传输。每个电路模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，ic总线上的电路模块有的是主控器（单片机），有的是被控器；主控器或被控器都可以使发送器或接收器，这完全取决于它所要完成的功能。我们采用p1.0口作为sda,p1.1作为scl口完成与at24c02的通信。7最小系统板我们自制的最小系统板以at89c52单片机为微控制器（mcu），外部扩展了32k随机存储器（ram）is61c256和由zlg7289a管理的键盘显示模块，并且预留了rs232和标准打印机接口。在进行印制板设计时，充分考虑到了噪声和干扰的问题，合理布线，将其影响减至最低。四、软件设计与算法分析（一）系统功能 （1）触发方式选择，通过键盘操作可以选择：单次触发：当按下此功能键，仪器在满足触发条件后，便进行一次采集存储，然后连续显示此波形。自动触发：当按下此功能键时，仪器便工作于自动触发方式。此方式下，触发信号的频率不低于50hz时，由触发信号充当触发源；当触发信号的频率低于50hz时，仪器内部的定时器便起作用，以50hz的内部信号代替原来的触发信号产生触发。使用此功能将很容易得到稳定显示的波形。（2）条件触发功能沿触发：使用操作面板上的旋钮调节触发电平，通过键盘设置选择上升/下降沿条件触发，条件满足后，仪器便产生一次触发。峰值触发：当按下此键后，仪器将会在信号的峰值到来后产生触发，完成一次采集存贮过程。（3）触发位置旋钮此功能是普通模拟示波器无法实现的。调节触发位置旋钮，屏幕上的触发位置指示标志（三角形）便会随之左右移动，其所指位置即为触发点。通过调节触发位置旋钮，即可观察一定范围内的距触发点任意长度的波形。（4）垂直灵敏度调节功能键，改变仪器的垂直灵敏度一个档位。（5）扫描速度调节键功能键，改变仪器的扫描速度一个档位。（6）冻结键按下一次此功能键，当前显示的波形便会保持不变，直到下一次按下此键后，才会正常刷新荧屏。（7）主时基功能按下主时基功能键后，荧屏便分为上下两个不同的显示区，上面是主时基区，下面是副时基区。主时基区显示的是正常情况下的波形，其中点亮部分的波形将以1：5的比例展宽显示于副时基区。调节主时基旋钮，移动点亮的位置，可以观察主时基波形的任意细节。（8）自适应：仪器将依据被测信号的幅度和频率，自动调节垂直灵敏度和扫描速度，以最佳的效果显示波形（9）耦合方式切换：按此键实现直流输入与接地输入轮流切换。（10）周期/频率测量：按下此键后，仪器将对输入信号进行周期频率/测量，并显示于数码管上。前两位显示c或c，表示此时显示对通道1或通道2信号的测量结果。后5位以科学计数法显示结果数据，如显示1.2 -3即为1.210-3，单位为秒（测周时）或赫兹（测频时）。（11）峰峰值测量：按下此键后，仪器将自动测量当前显示波形的峰峰值，在数码管上显示测量结果。（12）平均值测量：按下此键后，仪器将自动测量当前显示波形的平均值，并在数码管上显示测量结果。（13）垂直位置调节：调节该旋钮可以调节波形在荧屏上的垂直位置。（14）触发源选择键：此功能键可以轮流切换ch1,ch2,ext作为触发源。（15）打印：将当前的波形经标准接口打印，同时还附加扫描速度与垂直灵敏度的档位信息。（二）操作与软件结构本系统软件主程序流程图如图4-1所示。其中初始化包括一般的堆栈指针，位标志等初始化外，还将保存在e2prom中的参数调入系统。在允许采集模块中，要对各种采集允许条件进行判断。首先必须在运行（run）状态下，如果是在停止（stop）状态则一律不使能。其次根据不同的触发方式，如在单次触发方式下，则必须有单次释放标志才允许使能，而在自动和常态触发方式下则必须在一个主循环结束后才允许触发。主程序中的其他模块将在后面的独立模块中进行介绍。图4-1 主程序流程图键盘面板管理程序：键盘面板程序的功能是，将示波器工作时的各类参数输入到单片机系统中。我们根据参数的不同特点分为两类处理。其中对于相扫描速度、垂直灵敏度、触发方式、触发类型、触发源等只有限种状态参数，我们用按键实现。而像触发位置，触发电平，主时基位置，垂直方向偏移等连续量则用电位器旋钮实现。电位器的值通过多路模拟开关用ad读回到单片机系统中。键盘管理程序流程如图4-2所示：图4-2由于示波器工作时参数比较多，我们根据参数的不同性能分为两类处理。对于那些像扫描速度，垂直灵敏度，触发方式，触发类型，触发源等只有有限种状态的参数，我们用按钮实现。而像触发位置，触发电平，主时基位置，垂直方向偏移等连续量则用电位器旋钮实现。参数处理模块。本模块的功能是将从键盘面板读回的原始参数经处理后或送采集系统或送显示系统或送人机界面。下面将个参数处理逐一说明。发送给采集系统的参数有触发控制字，采样分频比，延迟计数器等。触发控制字由所选择的触发源触发类型触发方式（各用两种状态表示）合成一个字节，发给可编程。采样分频比控制采样频率由扫描速度档决定，程序中将扫描速度档经查表转换成采样分频比，发给可编程。延时计数器值由触发位置决定，其值为存储深度减去触发位置等特定参数。送显示系统的除了显示的波形数据和锯齿波外，还有指示触发位置，触发电平，定时基中的位置亮点辅助信息数据。人机界面包括系统状态参数显示和信号测量参数显示.当按触发方式键、触发源键、触发类型键、扫描速度键、垂直灵敏度键时显示按键时的状态，也可以按照状态参数显示键查看当前系统的各项状态参数。信号测量参数显示键显示信号的各项参数。（三）算法分析（1） 软件测周法本算法先采用过平均值比较法找周期信号，然后将每一周期内的采样点数求和平均得到一个周期的采样点数。由于信号一周的采样点数n和采样率fs是已知的，所以信号周期信号的频率通过周期求倒数取得。（2）峰峰值测量将ad采回的数据进行全面比较，找出最大值和最小值，最大值和最小值之差乘以程控放大器倍数和模拟数字的转换系数即为峰峰值.（3）平均值测量将ad量化值求和平均后,减通道接地后的量化值,再乘以程控放大器放大倍数和模拟数字的转换系数即为平均值.五、系统测试分析（一）测试仪器hp54645d 混合信号示波器 100m 216chtds210 数字示波器 60mhz 2ch fg-506 信号源 6mhz红华模拟示波器 20mhzg6s 仿真器dt9203 4 数字万用表c533 电脑一台k-6 300 电脑一台canon 喷墨打印机一台（二）触发功能测试：1、触发方式测试：（1）单次触发调节自制示波器触发电平旋钮，使其出现触发信号。按“单次触发“键，观察示波器波形，每按一次刷新屏幕，且触发位置不变，实测结果证明单次触发良好。（2）正常触发调节自制示波器触发电平旋钮，使其出现触发信号。选择正常触发功能，示波器自动刷新屏幕，且触发位置不变，调节触发电平旋钮使触发信号消失，使波器屏幕停止刷新，表明正常触发良好（3）自动触发调节自制示波器，触发电平旋钮使其出现触发信号。选择自动触发功能。当信号频率大于50hz时波形显示同正常触发信号。调节触发电平旋钮，使触发信号消失。示波器自动刷新屏幕。但触发位置不变说明自动触发方式良好。（4）触发条件测试通道上升沿触发将自制示波器设定为自动触发方式。选择通道上升沿触发，以hp54645d示波器分别监测自制示波器通道1a/d输入信号和触发电平信号。调节触发电平旋钮，使触发电平与位置与1ad输入信号有交点。观察此时自制示波器显示波形的触发位置与交点位置相同，证明上升沿触发功能正常。同理可测1通道下降沿触