毕业设计150附加模拟示波器多功能智能装置设计
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电气电子毕业设计论文
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毕业设计150附加模拟示波器多功能智能装置设计,电气电子毕业设计论文
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1 附加于普通模拟示波器的多功能智能装置 中文摘要： 当代示波器的发展日新月异、面貌焕然一新。由于数字技术的采用，示波器成为集显示、测量、运算、分析、记录等各种功能为一体的智能化测量仪器。本论文主要讨论如下几个方面：如何实现实时的波形采样，以尽量小的采样频率实现尽量高的等效带宽；如何实时地存储采样数据，不丢失数据的同时有效利用有限的存储空间；如何波形重现和参数测量，恰当利用数字信号处理手段改善波形失真、提高等效采样率；如何设计科学合理的操作界面，以符合一般人的操作习惯 . 本系统共分为五大部分 ： 主控制模块 ， 人 机界面接口 ， 信号输入通道 ， 信号复现模块 ， 数据通信接口 。根据实际环境，本装置满足 即可作为普通模拟示波器的附加部分，又可独立运行。能采集 10kHz 以下各种周期和非周期低频信号，具有自动触发采样，手动采样 2 种方式。当系统处于自动档时，有正极性信号输入即启动采样过程；当系统处于手动档时，可通过“启动”按钮开始采样过程。采样后的信号既能存储于具有掉电保护功能的 RAM 介质中，又能发送到 PC 机，以磁盘文件形式保存。 RAM 的容量为 8KB。 信号复现 为了便于分析处理，要求采样后的信号能借助于模拟示波器的 CRT 以及以下 3 种方 法： 固定显示 ， 分页显示 ， 滑移显示 。数据处理被采集后的信号 能 用以汉字形式在示波器 CRT 上显示被采样单次脉冲波形的峰值，均值及脉宽，周期波形的周期，峰值 。系统还具有基本的 容错能力 。 关键词： 智能化 、 等效带宽 、 波形重现 nts 2 Title: Intelligentized equipment of much function that added to common stimulant oscillometer Abstract： It is a well established fact that the oscilloscope has made great progress. With digital technology ,an oscilloscope has become an intelligent instrument with functions: waveform display ,parameter measure ,detecting ,analyze ,storage, and so on. But at the same time ,it is not an easy task to build a system of oscilloscope because of many intractable problems. The article involves in resolving following questions. This system is divided into the five greatest parts totally: The lord controls the mold piece, persons machine connects to connect, signal importation letter way, the signal replies the mold piece now, data the correspondence connects. According to actual environment, this device satisfy then conduct and actions common imitate show a machine additional part, and then can circulate independently. Can collect the 10 kHz. following various period and the non- period low frequency signals, have the au to trigger the sample, move to sample 2 kinds of methods. When the system is placed in the automatic document, having the cathode signal importation to start to sample the process namely; When the system is placed in to move the document, can start sample the process through the start button. Sample the signal of empress since can be save in the RAM of have the electricity protection function to lie in the quality, and then send out the PC machine, keep with the disk document form. The RAM capacity is a 8 KB. The signal reply now for the sake of easy to analysis processing, request to sample behind of signal can ask for help from to imitate to show a CRT of machine and the following 3 kinds of square Fix manifestation, divide page manifestation, slip to move the manifestation. The data processing drive signal collect behind can in order to the Chinese characters form the manifestation was sample in showing a machine CRT the value of the single pulse form, all be worth and the vein breadth, the period of a form of period, value. The system still has to permit the wrong ability basically. Keywords: intelligentized equipment, equivalence bandwidth, recur of wave nts 3 目 录 第一章 综述 1 第二章 系统设计任务与要求与设计方案 2 2.1 多功能智能装置的系统设计要求 2 2.2 系统总体方案的设计 3 第三章 硬部分件设计 5 3.1 主控模块硬件设计 5 3.1.1 89C52 单片机 5 3.2 人机界面与参数设定开关量信号模块设计 10 3.2.1 人机界面与参数设定开关量信号电路设计 10 3.2.2 人机界面与参数设定开关信号量信号模块软件设计 12 3.3 信号输入通道与信号采样模块的设计 12 3.3.1 A/D 芯片的选用及说明 12 3.3.2 信 号采样模块电路的设计 13 3.4 信号复现模块的设计 18 3.4.1 普通模拟示波器的波形显示原理 18 3.4.2 信号复现模块的硬件设计 21 第四章 软件结构及程序设计 25 4.1 主控模块的软件设计及流程框图 25 4.1.1 主程序框架流程图 25 4.1.2 主模块程序 26 4.2 信号采样模块的采集软件设计 27 4.2.1 流程框图 27 4.3 在普通示波器上显示汉字及符号 27 4.3.1 在普通示波器上显示汉字及符号原理 27 4.3.2 程序实现 29 4.4 信号复现模块的软件设计 29 4.4.1 流程框图设计 29 4.4.2 带暂停功能的滑移显示子程序设计清单 32 4.5 数据通信接口模块 32 4.5.1 串行通信借口芯片 MAX232 32 4.5.2 通信接口的程序设计 32 4.6 容错设计原理及实现 33 4.6.1 容错设计的一般思想 33 4.6.2 系统的自诊断设计 34 4.6.3 自诊断的软件实现 34 4.6.4 系统的抗干扰设计 38 结束语 39 致 谢 40 参考文献 41 附图 A 智能装置 硬件图 42 附录 B 软件程序清单 43 nts 2 第一章 综述 示波器作为一种十分有效的信号测试，调试工具，已从 20 世纪 5060 年代的电子管示波器，发展到目前功能齐全，性能先进的多种数字示波 器；但由于数字示波器价格偏高，国内还普遍使用各种传统的模拟示波器。尽管模拟示波器在技术上已非常成熟，但存在以下缺陷： 模拟示波器普遍采用分立元件，特别是传统的阴极射线管（ CRT）显示，体积大，比较笨重。 由于模拟示波器采用模拟电路，温度漂移，蠕动等问题无法从根本上得到解决，不可避免地出现稳定性差等可靠性方面的问题。 由于模拟示波器无智能或智能化程度低，操作繁琐，使用不便。 特别是对非常实验条件下的单次脉冲等信号的测试，模拟示波器显得无能为力。 模拟示波器的介绍： 示波器通常由垂直偏转系统，水平偏转系统，电源 供给 3部分组成。其基本方框图如图 1-1所示： 图 1-1示波器原理框图 综上所述开发一种具有信号采集，存储，重现及其分析处理功能的智能化装置，作为普通模拟示波器的扩展部分，以此增强模拟示波器的功能，提高示波器的性能，拓展示波器的应用范围，是本次设计的宗旨。 触发与扫描放大电路 垂直放大电路（ y 轴） 水平放大电路 (x 轴 ) 水平偏转系统 被测信号 外触发信号 X 轴输入 示 波管 nts 2 第二章 系统设计任务与要求与设计方案 2.1 多功能智能装置的系统设计要求 多功能智能装置要求即可作为普通模拟示波器的附加部分，又可独立运行。具体设计要求如下： 1. 被测信号与极性 - 要求能采集 10kHz 以下各种周期和非周期低频信号，具有自动触发采样，手动采样 2 种方式。当系统处于自动档时，有正极性信号输入即启动采样过程；当系统处于手动档时，可通过“启动”按钮开始采样过程。 信号极性选择： 直流：用于选择被采样信号为纯直流，或虽有分流量，但幅值小于直流分量的信号，即被采样信号为正极性。 交流：用于输入信号中交流分量幅值可能超过直流分量的情况。 信号的量程要求为： 02.5V， 2.512.5V， 12.525V， 25125V， 125250V 等 5档。 2. 信号存储 采样后的信号既能 存储于具有掉电保护功能的 RAM 介质中，又能发送到 PC机，以磁盘文件形式保存。 RAM 的容量为 8KB。 3. 信号复现 为了便于分析处理，要求采样后的信号能借助于模拟示波器的 CRT 以及以下 3种方式复现显示； 固定显示：将采集的波形完整地显现出来，即将 1024 点数据 1 次显示在 CRT上。 分页显示：将存储的波形数据按每页 256 点分 4 页显示，每页保持 4s，在示波器 CRT 的右上角同时显示页号。 滑移显示：将存储的波形数据自右向左平滑显示，屏上波形宽为 256B，并可有暂停控制功能。 4. 数据处理 被采集后的信号 要求采用 2 种方式进行分析处理： 以汉字形式在示波器 CRT 上显示被采样单次脉冲波形的峰值，均值及脉宽，周期波形的周期和峰值。 通过 RS-232C 串行通信口将被波形数据送往 PC 机，由上位机软件负责数据的存储，波形模拟显示，打印以及快速傅立叶变换（ FFT）分析等。 5. 容错能力 nts 3 为了保持装置长期，稳定及可靠运行，系统必须具有基本的容错能力。容错能力通过以下 2 种方式实现： 系统上电自检 检 0 与校正 2.2 系统总体方案的设计 2.2.1 总体方案 功能模块按照系统设计要求，整个系统分为以下五大模块。 主控制模块 由于设计要求系统能独立运行并能到测试现场采集信号，所以主控模块应当是以单片机为核心的一个单片机最小系统。由于 MCS-51 单片机具有扩展性强等特点，本系统采用 MCS-51 系列单片机。根据系统设计要求，监控软件的大小应该不超过8KB，因此采用 89C52 单片机。该型号单片机内部集成了 8KB 的电可擦除 E2PROM的程序存储器，外部扩展 8KB 的数据存储器，即可满足数据容量的要求。为了适合系统的便携性要求，必须设计数据的掉电保护电路；同时在设计中考虑系统的功耗问题，以适应电池供电的情况。 人机界面接口 由于系统对信号频宽的要求等各种因素，同时为了减少软件的工作量，用于人机交流的人机模块主要是一些系统参数的设定开关。还有用于系统运行状态的必要指示的发光二极管。 信号输入通道 信号输入通道主要负责对模拟信号的采样。在该模块中，核心是模拟信号的A/D 转换。 A/D 转换方式有很多种，但根据系统要求采用比较合适系统的并行式A/D 转换。由于系统对采样周期较高的要求，前向通道必须设计信号采样和保持环节。 信号复现模块 信号复现模块即后向通道，主要负责将采样的数据还原为模拟信 号。在模块中，核心是 D/A 转换。 由于系统作为模拟示波器的附加装置，毫无疑问地要借助于示波器的 CRT 作为显示还原后的信号及定量参数的界面；因此采用双通道，以适应示波器 X， Y 通道的结构和同步的需要。 同时，为了适应设计的要求中一屏显示的 需要，即 1024 个采样数据必须显示在 CRT 上；因此还必须设计另外一个 X 通道，称其为 X1 通道。在该模块中设计作nts 4 为横向扫通道的 X 通道的原因，还在于普通模拟示波器存在稳定性差的问题。为了克服因此而带来的复现波形，字符显示的抖动甚至无法稳定显示的问题。系统专门设计了用 以生产同步锯齿波的 X 通道。 数据通信接口 由于单片机组成的系统对数据的处理能力较弱，同时为了对采集的数据做进一步分析处理，本装置设计了与上位 PC 机通信的通信接口模块。由于系统对通信无实时性要求，所以本系统采用 RS-232C 串行通信。 2. 系统框架的确定 根据上述系统方案得到的系统框架如下图： 2-1 系统功能框图 人 机 界 面 主 控 模 块 通 信 接 口 信 号 复 现 示波器 信号 输入 通道 nts 5 第三章 硬 件部分 设计 3.1 主控模块硬件设计 3.1.1 89C52 单片机 在方案论证中已确定使用 MCS-51 系列单片机 89C52。 由于 ATMEL 公司生产此型号单片机是一种低功耗，高性能的 8 位 CMOS 微处理器芯片。片内带有 8KB的闪烁可编程及可擦除只读存储器与工业标准的 80C51 指令集与引脚分布相兼容。片上的 PEROM 允许在线对程序存储重新编程，也可用常规的非易挥发存储芯片编程器编程。它具有以下几种特点： 与 MCS-51 产品兼容； 8KB 的在线可重复编程闪烁存储器寿命： 1000 次写 /擦除周期，数据可保存 10年； 宽工作电压范围： Vcc=2.76V； 全静态工作方式： 024MHz； 3 级程序存储器锁定； 256 8 位内部 RAM； 32 条可编程 I/O 口线； 3 个 16 位定时 /计数器； 5 个中断源； 可编程串行中断； 低功耗的闲置与掉电模式。 2. 最小系统设计 根据系统设计要求， 89C52 单片机最小系统主要由 8KB 的 RAM，地址码电路，时钟电路，复位电路等几部分组成。其电路原理图由 3-1 所示。 3. 系统资源使用 片内 RAM 单元分配 2EH.0 中断诊断标志； F0 自检出口标志； 30H 当前显示字符代码； 31H 当前显示字符原点 X 坐标； 32H 当前显示字符原点 Y 坐标； 33H 当前显示字符点阵数据在字库中存放单元地址高字节； 34H 当前显示字符点阵数据在字库中存放单元地址低字节； nts 6 35H 各采样数据中的极大值二进制数； 36H 各采样数据中的极大值二进制数整数部分； 37H 各采样数据中的极大值二进制数小数部分； 38H 采样信号宽度计算值低字节； 39H 采样信号宽度计算值高字节； 3AH 存储指针低字节； 3BH 存储指针高字节； 3CH 采样周期定时时间常数低字节； 3DH 采样周期定时时间常数高字节； 3EH 采样周期定时时间标志； 40H43H 数据运算暂存单元； 45H 定时器 T1 定时时间常数低字节； 46H 定时器 T1 定时时间常数高字节； 48H49 冷 /热启动标志； 50H 堆栈区。 外片扩展 RAM 单元与接口电路的地址分配 外部扩展的 RAM 区容量为 8KB，其中只使用了 2KB，分配如下： 0000H0018H 显示字符代码； 0019H 采样周期标志； 001AH 分压衰减比标志； 0020H 采样数据存储区。 A/D 转换接口电路片选信号： 2000H3FFFH。 D/A 转换接口电路片选信号： X 轴： 4000H5FFFH； Y 轴： 6000H7FFFH； D/A 转换接口电路数据传输选通信号：第 1 级： 0A000H0BFFFH； 第 2 级： 8000H9FFFH； 显示方式读取选通信号： 0C000H0DFFFH； 电压分压衰减标志读取选通信号： 0E000H0FFFFH1。 nts 7 3-1 主模块原理图 3.1.2 数据的掉电保护 外部扩展 RAM 单元采用 CMOS 工艺的 6264 芯片，目的是配合系统功耗要求，适应电池供电的需要；而且，该芯片也充分考虑到掉电保护的需要，具有双片选结构。系统的掉电保护比较特殊，当采样周期打开关在“ 9”档时，则表示不采样数据，系统转入掉电保护状态。 数据掉电保护实质 数据掉电保护就是指单片机应用系统存储在 RAM 中的数据在系统主电源失效或撤消的情况下，能有效地保存下来，以便主电源恢复后使用的一种措施。 RAM介质数 据掉电保护的实质是，在主电源失效的全过程中和失效期间和失效期间使数据不被改写并维持下来。具体地说有以下 2 个方面： 封锁失效过程和失效期间的写操作； 维持系统主电源失效后 RAM 介质电源，以保存数据不被挥发。 数据掉电保护的几种实现方式 目前单片机应用系统的数据掉电保护经常采用的方法有： 采用 EEPROM 介质或 FLASH 介质等新型介质，作为数据的存储介质，代替单片机应用系统原来采用的传统的 RAM 介质。 仍然采用传统 RAM 介质，但采用新型的掉电保护电路，实现数据的掉电保护。一般来说，常采用电源监视芯片来实现， 如 MAXIM 公司的 MAX813L 或 IMP公司的 IMP805L 等。 直接采用封装的不挥发掉电保护芯片代替“ RAM+掉电保护电路”。 E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10U18 9C 5 2D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U27 4H C 3 7 3A1B2C3E14E25E36Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77U37 4H C 1 3 8A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A 1 021A 1 123A 1 22C S 120C S 226WE27OE22D011D112D213D315D416D517D618D719U46 26 4+5V+ 5VDB AB DBAB12MHz+5R1整流后未稳压C 1 +1V+2C 1 +3C 2 +4C 2 -5V-6T 2O7R 2 I8V c c16GND15T 1O14R 1 I13R 1 O12T 1I11T 2I10R 2 O9U5M A X 2 32 A0 . 1 u F+ 5V0 . 1 u F0 . 1 u F0 . 1 u F+5 V C CP F OV o utW D IV c c R E S E TGNDV b a t tP F II M P 8 0 5LR E S E TWRRDT X D / 1R X D / 1T X DR X DR X D / 1T X D / 16 2 6 4A D 6 7 00 8 3 2 - 10 8 3 2 - 2L E - 2L E - 1H C 2 9 9 - 1H C 2 9 9 - 2RDWRC S 26 2 6 4R E S E TC S 20 . 1 u F0 . 1 u F0 . 1 u FW1D0D1D2D3D4D5D6D7nts 8 本系统采用第 2 种方法，下面详细阐述实现原理。 电源监视芯片 IMP805L 与数据保护 IMP805L 是用于微处理器系统的简单电源监视和控制电路。它有 4 个功能：复位控制，看门狗监视，备用电池切换及电源失效监视。除了上电和断电条件下的微处理器复位外，该器件还提供用电备用电池切换功能，以维持对掉电和电压降低的控制。附加的监控能力可以对不规则的电源掉电在稳压电源落以前提供一个早 期警告。 这些器件是与 MAXIM 公司提供的工业标准电源监控器件引脚兼容的， IMP 的器件是很好的替代品。与 MAXIM 同型号相比， IMP805L 可以减少功耗 70%。这些器件也同时具有短路保护和过热保护。 当电源电压落到 4.40V（或 4.65V）时 IMP805L，产生一个高电平有效的复位脉冲，电源失效的精度位 2%。 IMP805L 的改进是：较 MAXIM 的电流小 70%，最大 100 A： RESET 工作至 1.1V。特别适用于： 嵌入试控制系统； 电池工作系统； 智能仪表； 无限通信系统； PDAs 及手 持设备； P/ C电源监控。 IMP805L引脚排列如图 3-2所示。 引脚功能表 2-1 图 3-2 IMP805L 引脚图 表 2-1 IMP805L 引脚功能 VCC 引脚 符号 功能 1 VOUT 用于 RAM 的电源电压。当 VCC高于复位门限时， VOUT通过 P 沟道 MOS 器件连接 VCC;如果 VCC跌落到复位门以下，该输出通过 MOS 开关连接到备用电池 Vbatt(或 VCC,两者中较 高的 )，以连续地向 CMOS RAM 提供电源 2 VCC +5V电源 3 GND 地 4 PFI 电源失效监控输入。 PFI 连接到内部以 1.25V 为基准的电源失效比较器。电源失效输出（ PFO ）低有效；但如果 PFI高于 1.25V 时，则 PFO位高，如果不用该特性，则 PFI 引脚必须接到 GND或 VOUT 5 PFI 电源失效输出。当 PFI引脚低于 1.25V时， PFO即变低（有效） 6 WDI 看门狗输入，监 控微处理器的工作。 WDI 输入端的每次跳变都复位内部定时器。如果 WDI保持高电平或低电平的时间大于看门狗的超时时nts 9 间（典型 1.6s），即确立 1次 RESET，复位脉冲宽度（ tS）最小 140ms 7 RESET 高有效复位输出，当 VCC跌落到低于复位门限时，或看门狗定时器超时时，将触发 RESET为高，复位脉冲宽度 tS典型为 200ms。如果 VCC低于复位门限为 4.65V，它将保持高，并在 VCC上升到超过复位门限后 200ms内保持为高。 8 Vbatt 辅助电源或备用电池输入端。如果此功能不用，则 Vbatt必须接到 GND。此输出端具有约 40mV的迟滞，以避免在 VCC和 Vbatt之间的来回跳变 本系统选择的是锂电池，因为它的容量高，而且“自放电率 ” 很低；是很好的备用电源。 PFI 功能可以提供一个电源失效的早期检测。这是通过在备用电池切换电路感知稳压电路的电压变化之前，检测到未稳压的 DC电压变化来达到的。 PFI引脚与内部基准 1.25V比较，如果在 PFI引脚上的电压低于这个基准电压，则 pfo引脚变为低电平。通过检测未稳电压的直流电源的电压，微处理器系统可以应付即将来临的掉电，尤其当备用电池电源未使能时。 PFI 引脚 上的输入电压可由图 3-3 所示的简单的电阻分压器得到。正常供电时， 3端稳压 7805输入端的直流电压约为 +10V，当掉电时，电压迅速下降。此时设计当电压将到 7.5V时开始保护，则可算出： R1： R2=（ 7.5-1.25）： 1.25=5： 1 若 R2取为 2K ，则 R1取为 10 K 。这里，转折电压取为 7.5V 是考虑 3端稳压的输入，输出压差要求 2.5V，低于此值则稳压作用失效。 由于本系统要求进行保护的掉电状态是人为掌握的，因此，系统只要在掉电过程中和期间封锁 RAM 的读 /写并 及时切换上备用电源即可，没有必要用中断方式将数据转移。这里将 IMP805L 的 PFO输出作为 6264的第 2片选 CS。 图 3-3 用简单的分压器设置 PFI跳变点 3.2 人机界面与参数设定开关量信号模块设计 nts 10 单片机应用系统作为智能系统，应当为用户提供一个友善的人机界面。所谓人机界面，包含 2 个方面的内容：系统从操作者那里得到各种控制命令和参数；将各种结果包括中间结果，出错告警等信息输出给操作者。人机界面的功能是有软硬件配合实现的。友善的人机界面不仅可以保证操作者的操作，而且也是系统可靠 运行的内在需要。由于本系统的特点，人机界面设计的重点主要在于按键，声光指示以及借助于示波器 CRT 以实现系统的自检结果输出等方面。 3.2.1 人机界面与参数设定开关量信号电路设计 这部分着重介绍方式开关电路设计。系统中的“滑移 /暂停”按键电路，“传送开始”按键电路及“交流 /直流”选择电路等电路不作详细介绍。 1. 显示方式设定电路与衰减分压设定电路 这部分电路共用 P1 口的高 4 位，采用四 2 选一 TTL 芯片 74HC298。由译码器输出 HC298-1 与 HC298-2 切换，软件读取后判断。由于系统要求 衰减分压为 6 档，因此设定电路如直接采用线口方式，则需要 6 条口线；而系统已无法满足，这里采用一个 8-3 优先编码器电路，对分压设定输入信号进行编码，送往 74HC298。所有信号采用低电平有效方式，这在一定程度上可以提高系统抗干扰能力。参见图 3-4。 2. 采样周期选择电路 采样周期选择开关量输入电路的核心是 8421BCD 拨码盘。 BCD 拨码盘的抹元可拨定为 09，是一种单片机系统经常采用的人机接口电路。这里利用 P1 口的低 4位口线，由软件读取后根据 BCD 码的组合情况，即可区分 10 种采样周期的设定情况。参见图 3-4 3. 手动 /自动采样触发信号产生电路 设计本电路的目的是适应各种被采样信号的需要。在工程测试中，被测信号一般分为 2 类：可以为掌握的信号；带有偶发性的不可重复的信号。前者一般可用手动方式控制采集；后者则必须用自动触发方式。自动触发方式的本质是判断信号是否“过 0”，一旦过 0 则产生触发脉冲启动采集过程，以保证信号被及时捕捉到。 本电路的功能主要由 4 比较器 LM339 实现。电路原理见图 3-5。图中 S2 为自动 /手动选择开关，上档为手动，下档为自动； SW 为手动开关，按 1 次启动 1 次数据采集过程。平时 INT0 为高电平，在手动方式下按一下 SW 或自动方式 IN 信号“过0”，均会使比较器产生从“高”到“低”的跳变，从而引起外中断 INT0 启动采集过程。 需要说明的是，这里的输入信号 IN 已经一级电压跟随，输入阻抗极高。比较器的“ 0 点”可根据实际情况调整。“ 0 点”越小，被采集信号的前沿特性越好，触发灵敏度越高。这里设为 Vo=5 /510k nts 11 图 3-4 部分人机界面接口电路 图 3-5 手动 /自动触发信号产生电路 3.2.2 人机界面与参数设定开关信号 量信号模块软件设计 由于本系统人机界面设计的特点，人机界面的软件是依附于各功能模块的；因此，人机界面与参数设定开关量信号处理软件分属各模块，相应的软件设计在各模01011121231341526374EI5EO15A9B7C6GS147 4H C 1 4 8QA15QB14QC13QD12A03A12B04B11C09C15D07D16S10C L K117 4H C 2 9 8+ 5V123A7 4H C 3 2123A7 4H C 3 21 23A7 4H C 0 0S1S2S3S4电压衰减系数输入S5S6S7L4+ 5VN19 01 3R 1 33K1BCD 拨码盘+ 5V1 0K 45 .1 K 7+ 5VP 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7RDH C 2 9 8 - 1H C 2 9 8 - 2P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 3 . 5P 3 . 0P 3 . 4P 3 . 3R 2 81 0 KR 3 01 0 KR 2 92 0 KR 3 35R 3 51 0 KR 3 25 1 0 KR 3 12 0 KS W 1+ 5 VL M 3 3 9U 3 0 A+ 5 VL M 3 3 9U 3 0I N T 0R 3 41 0 K+ 5 VS2- 5 V+ 5 V+ 5 V- 5 Vnts 12 块予以阐述。 3.3 信号输入通道与信号采样模块的设计 3.3.1 A/D 芯片的选用及说明 从国外数字示波器的现状看，其工作频率范围达到几十 MHz，甚至更高，这在有些特殊场合是十分有用的；但从我们这个附加装置的角度考虑，必须要求低成本。单片机选用了 8051 系列中的 89C52，工作主频选为 12MHz，这样一个机器周期为1s。由 于数据采样后有一个转存至 RAM 的过程，必然会占用不少机时，最低限也要有 1520s；因此，从成本和实际情况出发，数 /模转换芯片的转换速率不宜选择太高。光靠 A/D 芯片的快速性，提高不了本装置的工作频率范围。如果要提高频宽的话，还必须有其他复杂的硬件加以支持，如采用光电偶合存储器（ CCD），或者采用多通道分时转换（即一旦某一通道采样转换完以后，用读信号读取该通道转换数据并触发下一通道转换的启动），这从理论上说也都可以提高系统的频宽。 考虑到硬件工艺的复杂性，从性价比这个角度出发，本装置选用了比较适中的数 /模转换芯片 AD670。 AD670 模拟 /数字转换器是一种完整的 8 位信号处理逐次逼近寄存器（ SAR） ,精密基准电压及 3 态输出缓冲器组成，并集成在一块单片上。无须外加元件和调整，即可和 8 位数据总线。 AD670 为 +5V 电源。输入级提供了良好的共模抑制，使之可以和各种传感器相连。 器件的输入量程电路是转换器具有 4 级输入范围： 0255V（ 1mV/LSB）和02.55V(10mV/LSB)。在这些范围内， AD670 可以是单极性和双极性输入。输入端电压转为电流是由片上的仪表放大器来完成的。差分输入是放大的传 感器信号和共模电压叠加在一起的信号。 AD670 综合了先进的电路设计和工艺，逐次逼近功能是用 IL（集成注入逻辑）实现的。为了在整个工作范围内保持稳定不漏码，采用了硅烙薄膜电阻。梯形电阻经激光校准，使器件误差不超过 1LSB；因此，无须用户再调整。器件转换时间为10s。 其主要性能如下： AD670是具有 3态输出的完整的 8位 A/D，可和 8位数据总线直接连接。无须外加元件既可完成转换； 输入级为一个具有良好共模抑制的差分仪表运算放大器，这就使得它无须预放大就可直接与传感器连接； 无须用户调整即具有 8位精度性能； 工作电源电压为 +5V，使 AD670可和微处理器共用一个电源； nts 13 经过内部电阻分压， AD670 具有 4级输入范围： 0 255V（ 1mV/LSB）和 0 2.55V（ 10Mv/LSB）； 软件控制输出模式，用户可以很方便地选择单级性或双级性输入、二进制原码或 2的补码输出。 3.3.2 信号采样模块电路的设计 1. 信号采样模块电路设计 本模块的电路原理如图 3-6 所示，此电路的关键是 A/D 转换所要求的时序配合的实现。 图 3-6 信号采样模块电路 2. 电路设 计说明 信号采集模块作为输入通道的主要部分，在整个系统中是至关重要的。从减少“自动”启动误触发的可能性，提高系统的输入阻抗，减少对被测信号的衰减影响等诸方面考虑，采用了以 LM310 为核心的 1 极电压跟随。这在一定程度是考虑了波形的前沿性能。这是本模块的特点之一。 电压跟随器一般采用 2 种方法：直接采用集成跟随器；采用通用运放设计。下面分别讨论其实现。 采用集成跟随器的电压跟随电路 可采用 CF110 系列或 LM110 系列等单片机集成电压跟随器。与采用运算放大+ V i n h18+ V i n l19- V i nl17- V i nh16CE15CS14F O R M A T12B P O / U P O11GND10D01D12D23D34D45D56D67D78R/W13EOC9U 2 7A D 6 701
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