数字存储示波器设计.docx

摘要本简易数字存储示波器的设计选用了较为常用的AT89S51作为单片机控制单元，使用TLC5510作为A/D转换器，双口RAM IDT7024作为存储器，DAC0832作为最终的D/A转换器。输入的模拟信号通过输入电路的调整进入A/D转换的部分，在触发电路和单片机的控制下，取样量化后的数据通过双口RAM的存储进入D/A转换的部分，经行扫描电路及列扫描电路的共同作用，可以在普通示波器上显示出波形。该数字存储示波器还使用了人机交互界面，方便了对其的操作和工作状态的观测。关键词：数字存储示波器，取样，存储，控制，转换简易数字存储示波器设计The Design of Simple Digital Storage Oscilloscope0 引言数字存储示波器不同于普通的示波器，这种示波器可以方便地实现对模拟信号波形进行存储，并能够利用控制单元对存储的信号进行处理。在电子测量领域，数字存储示波器正在逐渐取代普通模拟示波器。设计一个数字存储示波器需要考虑到很多技术指标，包括取样速率、分辨率、存储器写入读出的速度等，同时各种元件的选用也是至关重要的。这就要求在多种方案中仔细讨论研究，选取最为合适的实现方法，来完成最终的设计1 设计任务与要求11任务设计并制作一台用普通示波器显示被测波形的简易数字存储示波器，示意图如下： 图1 设计任务示意图12 要求i. 要求仪器具有单次触发存储显示方式，即每按动一次“单次触发”键，仪器在满足触发条件时，能对被测周期信号或单次非周期信号进行一次采集与存储，然后连续显示。ii. 要求仪器的输入阻抗大于100k，垂直分辨率为32级/div，水平分辨率为20点/div；设示波器显示屏水平刻度为10div，垂直刻度为8div。iii. 要求设置0.2s/div、0.2ms/div、20s/div三档扫描速度，仪器的频率范围为DC50kHz，误差5%。iv. 要求设置0.1V/div、1V/div二档垂直灵敏度，误差5%。v. 仪器的触发电路采用内触发方式，要求上升沿触发、触发电平可调。 vi. 观测波形无明显失真。13 技术指标分析垂直灵敏度指示波器显示的垂直方向的（Y轴）每格所代表的电压幅度值。根据要求，该仪器垂直灵敏度分为二档：0.1V/div和1V/div。垂直分辨率是指仪器内部采用的A/D转换器在理想状况下进行量化的比特数，以bit表示。根据要求中指出的：该示波器显示屏垂直刻度为8div，垂直分辨率为32级/div，可得到：2M=328=256=28求得 M=8（bit），由此可知在设计时使用8位A/D转换器即可。取样速率通常指数字存储示波器在单位时间内完成的完整A/D转换的最高次数。根据设计指标：要求设置0.2s/div、0.2ms/div、20s/div三档扫描速度。由数字存储示波器在某时刻的实际取样速率的推算公式：f=Nt/div(N指示波器每一格的取样数，t/div指每扫描一格所占用的时间)，可以得到，当水平分辨率为20点/div时的取样速率为：fs=Nt/div=202010-6=1(MHz)此时可确定所使用的A/D转换器的最高取样速率应为2MHz。存储容量是指数字存储示波器的记录长度，它用记录一帧波形数据占有的空间来表示。根据所给指标中的：水平分辨率为20点/div以及显示屏水平刻度为10div，可知一帧波形的显示需要2010=200（点）。如果有多路现实的要求，则一帧波形的显示需要2002=400（点）。考虑水平移动扩展显示的功能则所要求的存储容量还应该更大。根据以上分析，在设计中可以使用1KB的存储容量，需要选用1KB RAM作为存储器。扫描速度是指数字存储示波器显示的水平方向（X轴）每格所代表的时间值，根据设计指标要求，该示波器需要设置0.2s/div、0.2ms/div和200s/div三档扫描速度。2 方案设计21 取样方式数字示波器的取样方式分为实时取样和等效时间取样两种，等效时间取样又可分为随机取样和顺序取样。实时取样在信号存在期间进行取样，对每个取样周期的取样点按时间顺序简单的排列就能表达一个波形。根据设计指标，本数字存储示波器要求具有单次触发存储显示的功能，能对被测周期信号或单次非周期信号进行一次采集与存储，然后显示。相比之下，等效时间取样这类的非实时的取样方法无法对单次的信号做出取样采集，所以只能使用实时取样的方法。使用实时取样的方法，要求取样速率为实时带宽的10倍，由于指标中的仪器频率范围为DC50kHz，则有fs=10fH=1050=500(KHz)，对于已确定适用的2MHz的A/D转换器来说是能够接受的。22 存储器选择对设计指标的分析可以知道，该数字存储示波器需要选用1KB的RAM。可以采用静态RAM来存储取样量化的后的波形数据，在需要时将其输出。但是数字存储示波器需要得到数据能够同时写入与读出的效果，这就使得使用6264这类的静态RAM受到一定的限制。如果使用高速的双口RAM，两个端口独立、异步地进行写入与读出，就能够解决高速存储和读取的问题，也能够使得设计电路更加的简单，且可靠性更高。23 控制方案数字存储示波器需要有一个以单片机为核心的控制系统，用以在满足触发条件时能启动对被测信号进行采集、存储、显示。更高级的应用还要求完成根据被测信号的频率范围确定相应的取样速率，能根据垂直灵敏度的要求选择信号调理电路的增益。在设计指标要求不高的情况下，直接使用单片机就可以满足数字存储示波器的要求。3 单元电路设计31输入调整电路输入调整电路的作用是对输入信号进行放大，使输入信号的幅度达到A/D转换器所要求的范围1.253.75V。可以使用两个运算放大器构成两路输入跟随器，用于提高输入阻抗，使Ri 100k，满足设计指标的要求。设计指标中有对垂直灵敏度的要求，同样需要在输入电路加入相应的模块来完成。可以通过一个程控放大器，在处理器的相应地址线的控制之下选择不同的增益，从而完成对指标要求不同垂直灵敏度的选择。由于A/D转换器的输入电压是单极性的，但是由输入电路送来的信号一般是双极性的，应该在A/D转换器和输入电路之间加上一个电平移位电路，使得最终输入到A/D转换器的信号在02V范围，可以防止显示的波形出现不完整或偏移，保证了波形无明显失真的指标要求。根据以上分析，可以设计输入调整电路单元的电路如下：图中，TL082是作为一般用途的高速双输入运算放大器，输入阻抗较高，使用两个TL082的组合可以构成输入跟随器，起到提高输入阻抗和隔离的作用。4051芯片为八选一的数据选择器，其地址端A、B、C端与单片机相连，作为地址的输入，选通两个不同的反馈电阻 ，以便实现设置0.1V/div、1V/div二档垂直灵敏度的要求。最后由一个TL082构成信号电平移位电路，使输入信号的电平移位到A/D转换器要求的范围之内。32触发电路设计触发电路在满足触发条件时自动启动控制器对数据进行取样、存储与显示。设计指标中要求的单次触发是指当一起满足触发条件时仅产生一次取样、存储过程，而后连续显示。在设计指标中同时还指出要求仪器的触发电路采用内触发方式，要求上升沿触发，且触发电平可调。可以对触发电路设计如下：图3 触发电路该电路中使用的LM393是高速双电压比较器集成电路，同时还有可调节的电位器，可以在02V的范围内任意选择触发电平。实际应用中，触发信号接到比较器LM393的反向端，当信号的上升沿到达触发电平时，触发电路将输出负跳变到单片机的外部中断信号端，启动控制器对数据的取样和存储过程。33 数据取样电路由取样速率的讨论可确定A/D转换器的最高取样速率应为2MHz，可以选择TLC5510作为A/D转换器。TLC5510是美国TI公司生产的新型模数转换器件，它是一种采用CMOS工艺制造的位高阻抗并行A/D芯片，模拟信号输入范围满度值为2V，分辨率为8位，取样速率可达20Msps，可以满足设计指标的要求。在使用TLC5510的数据取样电路中，ANALOG IN接口连接输入的模拟信号。D1（LSB）D8（MSB）为8位数据输出端口，输出A/D转换后的数据结果，连接至RAM的一端。OE端为TLC5510的输出使能端，当OE端为低电平时，D1D8数据有效，当OE为高时，D1D8为高阻抗。34 数据存储控制电路由存储器选择的讨论可以确定在本数字存储示波器中使用基于双口RAM的高速数据缓存方式。双口RAM拥有两套完全独立的数据线、地址线以及读/写控制线，允许数字存储示波器中两个独立的模块同时对其进行读/写的操作。在本设计中可以选择使用双口RAM IDT7024。IDT7024是一个4K16的双端口SRAM，该芯片有两组对称的信号线，即每个端口都有独立的地址线，数据线和控制线。在本设计电路中，IDT7024的右侧端口接收来自A/D转换器采集的实时数据，在左侧端口允许在控制器的控制下读取数据。使用双口的IDT7024解决了读写操作中各类总线的冲突，使得存储控制电路简单高效且可靠。35 D/A转换及显示输出电路在将数据取样存储之后，在单片机的控制之下，可以将数据再通过D/A转换器转换为模拟量，经普通示波器输出。显示输出电路应由行扫描电路和列扫描电路组成：D/A转换器将存储的数字信号转换为模拟信号，然后输出到示波器的Y轴上，需要有列扫描电路的支持；为了使被测信号能够按照原来的时间关系来进行显示，还必须向普通示波器的X轴提供相应的扫描速度和幅度的扫描电压，这需要行扫描电路来完成。D/A转换器可以选用DAC0832芯片，则可设计输出电路如下：图4 列扫描电路图5 行扫描电路DAC0832是8位的D/A转换芯片，转换时间小于1s，输出为电流型。DAC0832芯片的WR1为输入寄存器数据写信号，WR2为DAC寄存器数据写信号，可由此启动转换过程。Iout1和Iout2为输出电流的引脚，VREF为基准电压。由DAC0832与调节电路构成了列扫描电路，将由双口RAM IDT7024输出口输出的数据输入DAC0832后转换为模拟信号，再经过两级电平叠加调节电路的调节后输入到普通示波器的Y轴。行扫描电路适用同列扫描电路相同的构造，其输入数据为经过单片机处理的数据，通过DAC0832产生锯齿波扫描电压。行扫描电路和列扫描电路的X输出与Y输出的组合即可产生波形的输出。36 控制电路根据方案设计的分析，本数字存储示波器可以使用普通的单片机作为控制电路，用于控制输入电路、A/D数据取样电路、数据存储控制电路以及波形输出显示电路。为了便于操作，可以将控制电路分为两个层面：人机交互界面和控制执行模块。人机交互界面使用键盘接受用户的控制指令，并且显示当前的状态信息，同时把控制指令转换后送到执行模块；而控制执行模块直接向被控制对象输出控制信号。本数字存储示波器使用AT89S51作为单片机控制芯片，其控制电路及被控制电路的关系图如下所示：图6 控制电路框图AT89S51是ATMEL公司生产的低功耗、高性能的CMOS 8位单片机，在本数字存储示波器中作为核心控制芯片。键盘是输入控制命令的人机接口，采用矩阵扫描非编码键盘方式，根据测量的需要设计多档的控制功能键，完成对多种功能的控制。对于AT89S51单片机还应设计RESET键用于重置系统状态。显示器可以选择点阵式或普通的LED显示器，保证能够正确显示当前系统状态信息和键盘输入的信息。由以上三部分构成的控制电路可以直接对数字存储示波器的不同部分进行控制，并收集系统状态信息用于显示。4 总体系统框图根据以上各单元电路的设计及论证，得到最终的设计方案。该设计方案由前置输入信号处理、信号触发电路、数据取样电路、存储控制电路、行扫描电路、列扫描电路以及控制电路组成。最终的系统框图如下所示：图7 总体系统框图在本设计方案中，将被测的模拟输入信号进行调整、取样量化后，存入数据存储器。然后在AT89S51的控制之下，从存储器读出数据并恢复为模拟信号，输出到普通示波器的Y通道。同时系统还需要产生对应的扫描信号，加入到普通示波器的X通道，将被测的输入信号在普通示波器的荧光屏上显示出来。5 软件系统的设计本存储示波器的主程序流程图如下所示。该程序需要完成对触发信号以及键盘信号的接收处理，发出控制信号，同时还需要完成对数据取样和数据储存的控制。程序的最后还需要完成对输出电路的控制。图8 主程序流程图6 收获与体会数字存储示波器是模拟电子电路学习过程中经常用到的仪器，但在完成此次的设计任务之后我对它的构造以及功能实现才有了一个深入的了解。在本次的设计中，我仔细分析了很多器件的具体参数和应用范围，也尝试着查找阅读了一些芯片的数据资料，这才第一次对“设计”这两个字有了认识。完成一个智能仪器的设计，考虑到的指标参数很多，也让我学习了一下如何才能让各部分的元件电路在组成一个完整仪器的同时又能满足这些要求。为了完成此次的设计论文，不得