简易数字存储示波器.doc

第 1 页 目录 1任务分析 .3 2 方案论证和比较.4 2.1 处理器的比较和选择 .4 2.2 信号前向调整模块的设计方案 .4 2.3 a/d 转换器选型方案.4 2.4 显示设备的选择 .5 3 系统硬件设计 .5 3.1 总体设计思路 .5 3.2 信号前向调整模块 .5 3.3 频率计的基本原理 .6 3.4 msp430f247 处理器.7 3.5 存储器 .8 3.6 显示输出电路 .9 3.7 键盘设计 .9 3.8 电源稳压保护电路 .10 4 软件设计.10 5 系统测试.11 6 结束语.12 7 参考文献.13 8 附录 .14 附录 1 系统电路总图.14 附录 2 制作实物图.15 第 2 页 摘摘 要要 本设计是一种简单实用的数字存储示波器。该设计主要由四个模块电路 组成：前端信号处理模块、数据的采集与存储模块、键盘输入控制模块、单 片机控制模块与 lcd 显示模块。采样率可达 1m，并具有数据的采集、显示菜 单、单次触发、存储显示等功能。本设计以 msp430f247 单片机为核心，采用 运算放大器 opa2132，对大小信号分别进行放大处理；lcd12864 显示波形， 并且可以显示当前的时间扫描灵敏度和垂直灵敏度状态。此外作品大大优化 了外围硬件线路的设计，增加了系统的稳定性和可靠性。 关键词：关键词： 示波器 数字存储 高速 ad 转换， 第 3 页 简易数字存储示波器简易数字存储示波器 1 1 设计任务设计任务 设计并制作一个简易数字存储示波器( 简易 dso )。 基本要求基本要求 (1) 可以显示测量的波形， (2) 垂直灵敏度： 0.01v/div，0.02v/div，0.05v/div，0.1v/div，0.2v/div，0.5v/div，1v/div ，2v/div，5v/div 误差5% ； (3) 水平扫速： 30s/div，50s/div，100s/div，200s/div，500s/div，1ms /div，2ms/div，5ms/div，10ms/div，20ms/div，50ms/div，100ms/d iv，200ms/div，1s/div，误差5%； (4) 可测量的模拟输入信号的电压范围在 10mv-5v。 信号频率： 0.05hz-30khz (5) 单次触发、扩展、触发电平可调； (6) 显示波形无明显失真。 发挥部分发挥部分 （1）连续触发存储方式，并有“锁存功能” ； （2）具有移相功能。 （3）垂直灵敏度 0.01v/div，低输入噪声电压。 第 4 页 1 1任务分析任务分析 根据设计任务的要求，必须实现信号的放大、衰减，采集和波形显示。这 需要选择合适的运放，a/d 转换器，处理器和显示设备。 2 2 方案论证和比较方案论证和比较 2.12.1 处理器的比较和选择处理器的比较和选择 方案一：如图以 at89s51 单片机为控制核心，对输入信号进行增益放大或衰减 后，通过 a/d 转换将模拟信号转换成数字信号后，通过单片机将数据锁存至外 部 ram，然后再通过单片机将数据送至显示屏显示，这种方案结构较为简洁， 但 a/d 的最高采样速度比较高，无法利用 at89s51 单片机直接采集这样速率的 数据。 方案二：而由美国德州仪器公司（ti）推出的 msp430 系列超低功耗 16 位处理 器内部具有 4k 的 ram，并且具有很高的处理速度，检测的信号进行增益放大 或衰减后，直接输入 msp430f247 单片机进行数据采集和处理，最后通过 lcd 显示出波形。 方案比较： msp430f247 单片机的高速运算能力和较大的数据存储器，既可满 足输入信号的采样速度和精度，又有足够的空间存储采集的数据，从而使得外 围电路简单所以采用方案二。 2.22.2 信号前向调整模块的设计方案信号前向调整模块的设计方案 方案一：采用集成程控放大器(例如:pga103)作为信号的前向输入通道，根据输 入信号的幅度选择不同的放大衰减倍数，以达到所要求的输入范围。 在系统前端采用集成器件，对抑制系统的噪声是很有帮助的,而且这种器件控制 简单,使用方便。 方案二：为了使不同幅度的输入信号都能被所采样，模拟输入信号需要 放大或衰减，在采样电路的前端采用本次大赛提供的 ti 公司的 opa2132 运算放 大器应对输入信号进行一定的放大衰减。 方案选择：根据需要，输入信号的幅度范围为 10mv2v，则需要放大 200 倍， opa2132 运算放大器完全能满足要求。因此选择方案二。 2.32.3 a/da/d 转换器选型方案转换器选型方案 信号电压的数字转换决定着测量的精度与准确度，这是本设计的关键部分之一。 方案一：采用德州公司的 ads804e 器件，该器件可将模拟信号转化为 12 位的 数字信号，输出具有自动校准功能。采样速度能够满足采样转换的要求。 方案二：采用 msp430f247 单片机自带的 adc，可将模拟信号转化为 12 位的数 字信号，采样速度能够满足采样转换的要求。msp430f247 内部的 a/d 将接收 第 5 页 到的经过处理的模拟信号进行实时采样，然后以逐次逼近的方式进行模数转换 处理，最后存储在片内 ram 中。然后将 ram 中的数据显示成波形。 方案选择：msp430f247 单片机的高速 adc 完全可以满足本设计的要求。因此 选择方案二。 2.42.4 显示设备的选择显示设备的选择 方案一：使用点阵图形液晶显示模块 12864 显示， ；其显示分辨率为 12864, 利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，虽然分辨率不是很高， 但也可以满足本设计的要求。 方案二：使用彩色的液晶显示屏，可以将波形显示的更加清晰，并且具有更高 的分辨率。但显示屏需要很多的 i/0，还会消耗大量宝贵的 ram。 方案选择：考虑到制作成本和简易示波器的设计要求，选择方案一比较合适。 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 3.13.1 总体设计思路总体设计思路 系统结构框图如图 3-1。 输入信号输入信号放大或衰减放大或衰减msp430f247输出显示输出显示 键盘输入键盘输入 图 3-1 系统结构框图 3.23.2 信号前向调整模块信号前向调整模块 输入信号在 1200 倍可调放大。电路如图 3-2 所示。 第 6 页 图 3-2 运放的设置 在输入信号为 10mv 时运放放大 200 倍，幅度将达到 2v，在 adc12 的参考电 压取 25v 时，转换数据为 22 5*4096=3276。 在输入信号为 200mv 时，运放放大 lo 倍，幅度将达到 2v，在 adc12 的参考电 压取 25v 时，转换数据为 225*4096=3276。 在输入信号为 2v 时，运放放大 1 倍，幅度将达到 2v，在 adc12 的参考电压取 25v 时，转换数据为 225*4096=3276。 根据以上分析，如此配置运放是完全可行的。adc12 的配置应该为：片内参考 电压为 25v；p60 为模拟输入信号 a0，采样使用主动读取方式，非 adc12 中 断。采样与保持的时间取最小值，主要为了兼顾最快采样。 3.33.3 频率计的基本原理频率计的基本原理 频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量 其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸 门时间为 1 秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率 值就越准确，但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短， 测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响 测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量 迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。电 子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信 号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号 的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。 在大于 1000hz 我们采用直接测频法，小于 1000hz 我们采用间接测频法，以此 来减小测量误差。 第 7 页 图 3-3 数字频率计测频的基本原理 3.43.4 msp430f247msp430f247 处理器处理器 msp430 f247 是一个 16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单 片机，采用了精简指令集（risc）结构，具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作数 寻址、 4 种目的操作数寻址）有较高的处理速度，在 8mhz 晶体驱动下指令周 期为 125 ns 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。16 位的数据宽度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数 字信号处理的某些算法（如 fft 等）并且其抗干扰能力强，适应温度范围宽， 还可以很方便地实现多机和分布式控制。使整个系统的效率和可靠性大为提高。 msp430 f247主要功能特性： p1-p6 为 48 条 i0 口线的 6 个并行口，其中 p1、p2 具有中断能力； usart0 和 usartl 为两个可用于 uart/spi 模式选择的串 行口； 内含 12 位的 ad 转换器 adcl2，快速执行 88、816、1616 乘法操作并立即得到结果 的硬件乘法器；多达 160 段的 lcd 控制器比较器，可以实现多种方式的驱动 显示；可以实现 uart、pwm、斜坡 adc 的 16 位 timer-a 和 16 位 timer-b； msp430f247 单片机最小系统电路图如图 3-4 所示。 第 8 页 图 3-4 msp430f247 单片机最小系统图 3.53.5 存储器存储器 本系统的存储器采用 msp430f247 的片内 4k ram，使得本系统的设计大为 简化。首先，它的写入和读出端口是相互独立的，这样就避免了 ram 的数据线 在读、写是的切换，这就使得 a/d 和 d/a 工作互不干涉影响；第二，由于是 fifo 结构，ram 的写入和读出分别由 wck 和 rck 控制，不需外部地址线，可 以同时在两个不同的时钟下工作，大大简化了外围控制电路和电路的连线；第 三，利用 wrst 和 rrst 可使 upd42280 的内部写地址计数器和读地址计数器复 “0” ，可方便地进行写入和读出的同步控制。在我们设计的系统中，写入端的 wck 和 ad 采样频率一致，而 wrst 受同步信号控制，从而保证了写入 ram 数 据的完整性和周期性。在读出端，rck 和 rrst 以是固定频率和周期将数据读出， 并送至 da 转换器，形成 y 轴信号，以 rrst 为周期产生锯齿波，形成 x 轴信号。 该模块为 ram 模块的写地址累加器，可控制波形的存储。h_sering 为单次 和多次触发控制引脚，当为高电平时，单次触发，停止向 ram 写入数据，所显 示波形为存储波形；为低电平时，多次触发，当检测到一次触发时，即向 ram 写一次数据，共 l k 个点，并在写操作时屏蔽触发。写地址先写奇地址，存入通 道一采样后的波形数据，后写偶地址，存入通道二采样后的波形数据。如果连 续多次检测不到触发时，向 ram 中写入全 0，显示一条直线，即实现自动捕捉 第 9 页 功能。 该模块为读地址累加器，从 ram 中读取数据，并产生行扫描和列扫描数据。 通过单片机写入累加器基地址，改变读取数据的起始位，实现波形的平移。该 模块还可计算波形的峰峰值、平均值，单片机可直接读回数值。波形显示控制 模块如图 3-5 所示。 图 3-5 ram 工作原理 3.63.6 显示输出电路显示输出电路 显示终端的主要功能是从主通讯控制器接收信息,发送数据只给出必要的应 答。电路中用msp430f247的串口接收主通讯控制器传来的数据,经过处理在 msp430f247 单片机的i/ o 口送给lcd 进行显示,完成主通讯控制器对各终端的 控制和传递数据。图中msp430f247 的p1. 3 、p1. 4 为lcd左右半屏的片选信 号cs1 、cs2 , p1. 2 为lcd 的r/ w 读写控制线, p1.1 为lcd 的e 使能信号, p1.0为lcd 的d/ i 数据/ 指令选择信号, p4 口作为lcd 显示数据( 或指令) 通讯口。msp430f247 的外部时钟接高速时钟8mhz ,为系统的不同模块提供了不 同的工作频率。该模块为液晶屏提供8位并行数据传输口，以及上拉输入端口， 电源，从而确保液晶屏的正常工作。 第 10 页 123456 a b c d 654321 d c b a t itle numberrevisionsize b date:2-d ec-2008 sheet of file:c:docum ents and settingsgao桌桌tusdfsf.ddbdrawn by: osc2 16m c8 15p c7 15p r3 1k +3.3v vcc s? sw-pb s? sw-pb s? sw-pb s? sw-pb s? sw-pb s? sw-pb s? sw-pb vcc vcc 1 gnd 2 ov 3 rs 4 rw 5 e 6 db0 7 db1 8 db2 9 db3 10 db4 11 db5 12 db6 13 db7 14 cs1 15 cs2 16 rst 17 vee 18 led+ 19 led- 20 l cd12864 s? l cd12864 r? re sisto r t appe d 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 r? op2132 vccc? 0.1uf r? 100k r? 1k j? phon ejack1 dv ss 63 xt 2out 52 av ss 62 vref-/v ere f- 11 xt 2in 53 xin 8 xo ut 9 t di/tcl k 55 t ck 57 t ms 56 t do/t di 54 rst /n mi 58 m sp430f247 p4.7/t b7 43 p4.6/t b6 42 p4.3/t b3 39 p4.5/t b5 41 p4.4/t b4 40 p4.2/t b3 38 p4.1/t b1 37 p4.0/t b0 36 p1.0/t aclk /cao ut 12 p1.1/t a0 13 p1.4/smcl k 16 p1.2/t a1 14 p1.3/t a2 15 p1.5/t a0 17 p1.6/t a1 18 p1.7/t a2 19 p2.0/a cl k/ca 2 20 p2.7/t a0/ca7 27 p2.1/t ainclk /ca3 21 p2.6/a dc12clk /ca 6 26 p2.4/ca1/t a2 24 p2.5/rosc/ca 5 25 p2.2/caou t/t a0/ca4 22 p2.3/ca0/t a1 23 p3.0/u cb0ste /u ca 0clk 28 p3.7/u ca1rx d/uca1so mi 35 p3.1/u cb0sim o/ucb0sd a 29 p3.6/u ca1t xd/u ca1sim o 34 p3.4/u ca0t xd/u ca0sim o 32 p3.5/u ca0rx d/uca0so mi 33 p3.2/u cb0somi/ucb0scl 30 p3.3/u cb0cl k/u ca0st e 31 j? msp430 s? sw-pb s? sw-pb s? sw-pb s? sw-pb s? sw-pb s? sw-pb 图 3-6 液晶屏显示模块 设计时我们设定水平扫描分辨率为 00 点/div，示波器水平刻度为 10div，我 们采用内部 da 作为数模转换器，其转换时间最快为 1s，即扫描一周所需时 间为 200s。如前所述，输出数据的速率是固定的，与信号的采样频率没有直 接的联系，所以可选择一个使内部 da 工作特性较好的时钟速率。由于采用固 定的数据率，所以输出设计也较为简单。 3.73.7 键盘设计键盘设计 在本系统中，单片机负责扫描键盘并把键盘指令转换成相应的控制信号控 制。键盘采用 8 键输入，键脚其一接地，另一接入单片机系统，以高/低电平控 制功能的开启/关闭，8 个按键的功能依次为：锁存/解锁、垂直分辨率+、垂直 分辨率-、时间分辨率+、时间分辨率-、水平左移动、水平右移动、垂直向上移 动、竖直向下移动 3.83.8 电源稳压保护电路电源稳压保护电路 被测信号通过通用探头和分压器得到的输出信号，由于输出阻抗较高，需 要经过阻抗变换成为低的输出阻抗，以保持信号的完整性。同时，对于一个系 统来讲，过载是不可避免的，在过载情况下，如果没有保护，器件很容易损坏。 因此，系统中设计了由二极管和电阻构成的过载保护电路，将输入信号限制在 4.8v 的范围之间。由于 msp430 是 3.6 伏供电的，而 lcd 是 5 伏控制的，故 加 5 伏电源，然后通过稳压管将 5 伏降到 3.6 伏。其次电源也需稳压保护。 第 11 页 图 3-8 输入电源稳压保护电路 4 4 软件设计软件设计 软件关键部分为数据采集子程序和显示子程序。数据采集子程序进行数据 采集，并直接把数据送人内存和d/a 转换，显示在屏幕上。显示子程序把存储 在内存中的数据送到d/a 转换显示在屏幕上，通过修改数据首地址，可以实现 左右移动功能。通过在主控程序中调用这两个子程序，可以方便地实现“单触 发” 、 “实时显示” 、 “双踪”功能。主控程序采用状态字方式模块化编写，通过 设置状态字，使程序在单触发、实时显示、双踪功能程序段中进行切换，同样， 在一个功能段中，也是通过设置不同的状态字以实现变换采样速率、锁存、左 右移动等子功能。 系统软件的流程如下： 第 12 页 开始 系统初始化 系统功能键判断 垂 直 灵 敏 度 选 择 扫 描 速 度 选 择 水 平 左 移 水 平 右 移 在 示 波 器 上 显 示 锁 存 或 实 时 显 示 单 次 或 连 续 触 发 返回功能判断 图 4-1 单片机程序流程图 由于液晶的使用，加上软件的设计，使得系统提供了良好的人机界面。软 件主要由多层滚动式菜单组成，功能的设定都在菜单中完成，各个功能模块相 互独立，具有很好的交互性。按键主要由数字键、确定键、取消键、四个方向 键以及四个功能键组成，并且按键具有重复按键的功能，当按下某一键不放时， 将重复响应此键，操作很方便。 5 5 系统测试系统测试 5.15.1 测试仪器测试仪器 hg-1643 函数发生器 cos5020 20m 模拟示波器 第 13 页 ee434c 频率计 dt9202a 数字万用表 5.25.2 测试数据与整机指标测试数据与整机指标 整个系统本着筒单可靠的原则完成了任务。不仅完成了题目要求的基本目 标，而且有了很大的发挥，各种技术指标均达到或超出了题设要求。现将题目 要求指标和实际性能指标列举如下： 类型序号测试项目与指标测试记录 单次触发存储显示方式有效 （1）单次非周期信号测试功能有效 功能有效 0.2s/div(f=1khz)0.94hz(6%) 0.2ms/div(f=1khz)1khz(0%) （2）扫描速 度 周期误差 （5%） 20us/div(f=10khz)10khz(0%) 功能有效 0.1v/div(0.4v)0.39v(2.5%) （3）垂直灵 敏度 幅度误差 （5%） 1v/div(4v)4v(0%) 0.05hz(5v)4.8v(0.4%)（4）频率范 围 30khz(正弦信号)30khz(0%) （5） 触发功能有效 基 本 要 求 （6） 波形失真情况无 0.2s/div(f=1khz)0.94hz(6%) 0.2ms/div(f=1khz)1khz(0%) 显示 稳定 性20us/div(f=10khz)10khz(0%) （1） 连续触发存储 的显示方式 锁存功能有效 （2） 移相功能 有效 功能（0.05v）0.048v 幅度误差（5%）（4.8%）（3） 垂直灵敏度 （0.01v/v） 输入短路时的输出噪声电压1mv 发 挥 部 分 (4)其它 采用 lcd 显示 器，简单明了 6 6 结束语结束语 在以往的电路设计中单片机和外围器件大部分为5v 系统,而随着电子技术 的发展,低压低功耗器件越来越多, 选用3.6v 工作的msp430微控制器和lcd 显 示器,既能够降低系统功耗,又能简化电路。实践证明,采用液晶显示模块作为终 第 14 页 端显示器,接口规范、使用方便。同时,msp430 单片机集成许多通用模块,功能 强大,采用先进的功耗管理技术,对功耗情况进行动态管理,可以进一步降低系统 功耗,特别适合应用于对体积、功耗敏感和电池供电的设备。 7 7 参考文献参考文献 1魏小龙. msp430 系列单片机接口技术及系统设计实例m . 北京:北京航空 航天大学出版社,2002 2胡大可. msp430 系列超低功耗16 位单片机原理及应用m . 北京:北京航 空航天大学出版社,2000. 3李毅等.数字存储示波器触发电路的数字化技术研究.仪器仪表学报.2004.3 参考文献 4康华光 主编.电子技术基础 数字部分(第四版)m高等教育出版社,2003: 455-501 5艾德才等著.微型计算机总线m上海:电子工业出版社,1996: 249-256 6vacon drives co.,ltd.cx user manual.finland.3.fluke 电气电子测试工 具样本 7王松武,于鑫,武思军编著.电子创新设计与实践m北京:国防工业出版社, 1990:255-270 第 15 页 8 8 附录附录 附录附录 1 1 系统电路总图系统电路总图 123456 a b c d 654321 d c b a t itle numberrevisionsize b date:2-d ec-2008 sheet of file:c:docum ents and settingsgao桌桌tusdfsf.ddbdrawn by: osc2 16m c8 15p c7 15p r3 1k +3.3v vcc s? sw-pb s? sw-pb s? sw-pb s? sw-pb s? sw-pb s? sw-pb s? sw-pb vcc vcc 1 gnd 2 ov 3 rs 4 rw 5 e 6 db0 7 db1 8