基于单片机的数字存储示波器设计

长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 1 页 共 2 页 目录目录 1 前言 1 1 1 选题的背景意义和研究现状 1 1 1 2 国内外研究现状 1 1 2 设计的任务和要求 2 1 2 1 设计的基本要求 2 1 2 2 课题的具体工作内容 2 1 2 3 论文的结构安排 3 2 数字示波器的基本原理 4 2 1 数字存储示波器的基本原理 4 2 1 1 数字存储示波器的组成原理 4 2 1 2 数字存储示波器的工作方式 5 2 1 3 数字存储示波器的显示方式 6 2 1 4 数字存储示波器的特点 7 2 2 系统的方案设计 8 2 2 1 系统的控制 9 2 2 2 输入模拟信号的处理 9 2 2 3 数字信号的采集与存储 10 3 系统硬件电路的设计 11 3 1 单片机及其外围电路 11 3 2 信号输入电路单元 12 3 2 1 输入调理电路设计 12 3 2 2 阻抗变换电路设计 13 3 2 3 电平移位电路设计 14 3 2 4 频率计算电路设计 14 3 3 A D 转换电路 19 3 3 1ADC 芯片的选取 19 3 3 2AD 转换电路的硬件设计 22 3 4 存储单元电路 23 3 4 1 存储芯片的选取 23 3 4 2 存储单元硬件电路设计 23 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 2 页 共 2 页 装 订 线 装 订 线 3 5 按键控制电路 24 3 6 液晶显示接口电路 26 4 系统功能的软件设计 28 4 1 单片机软件开发系统 28 4 2 主程序设计及流程图 28 4 3 频率及幅值计算子程序设计 29 4 3 1 频率计算的原理及程序流程图 29 4 3 2 幅值计算的原理及程序流程图 30 4 4 按键子程序 31 4 5 显示子程序 32 5 结论和展望 34 5 1 结论 34 5 2 展望 34 致 谢 35 参考文献 36 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 1 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 1 前言 1 1 选题的背景意义和研究现状 1 1 11 1 1 选题的背景和意义选题的背景和意义 1909 年的诺贝尔物理奖得主 Karl Ferdinand Braun 于 1897 年发明世界上第一 台阴极射线管示波器 至今许多德国人仍称 CRT 为布朗管 Braun Tube 根据 IEEE 的文献记载 1972 年英国的 Nicolet 公司发明了第一台的数字示波器 DSO 到 1996 年惠普科技 安捷伦科技前身 发明了全球第一台混合信号示波器 MSO 数 字示波器自上个世纪七十年代诞生以来 其应用越来越广泛 已成为测试工程师必 备的工具之一 时间到了 21 世纪这是一个科学和技术都在飞速发展的时代 随着 电子技术 计算机技术 通信技术和自动化技术的高速发展 电子测量仪器也有了巨 大的发展 数字式示波器就以其存储波形及多种信号分析 计算 处理等优良的性 能从而逐步取代模拟示波器 用数字示波器能完成对信号的一次性采集 把波形 存储起来 还可以通过移位操作观察波形的任何一部分等等 数字存储示波器是随着数字集成电路技术的发展而出现的新型智能化示波器 己经成为电子测量领域的基础测试仪器 随着新技术 新器件的发展 它正在向宽 带化 模块化 多功能和网络化的方向发展 数字存储示波器的优势是可以实现高 带宽及强大的分析功能 现在高端数字存储示波器的实时带宽已达到20GHz 可以 广泛应用于各种千兆以太网 光通讯等测试领域 而低端数字存储示波器几乎可 以应用于国民经济各个领域的通用测试 同时可广泛应用于高校及职业学校的教学 为社会培养众多的后备人才 数字存储示波器的技术基础是数据采集 其设计技术 可以应用于更广泛的数据采集产品中 具有深远的意义 为了巩固大学4年来所学的知识 将课本上的理论知识运用到实际中 而且能 掌握和了解本专业的仪器测量这块的先进发展趋势 我选择了简易数字存储示波器 这个题目作为的大学毕业设计题目 1 1 21 1 2 国内外研究现状国内外研究现状 自从1972年世界上第一台数字存储示波器 DSO 又称数字示波器 问世以来 经历了三个发展阶段 1986年以前为DSO发展的初期阶段 当时的取样率较低 一般 不超过50MSa s 带宽在20MHz以下 结构形式以数字存储加传统模拟示波器二合一 的组合式为主 功能少 性能低 主要代表性产品有美国哥德 Gould 公司生产的 4035 HP公司生产的HP54200 1986年 1994年 伴随高速ADC和高速RAM的迅速发展 DSO的发展也进入了快车道 取样率达到了4GSa s 记录长度超过32K 每年各示波 器生产厂商都推出新的型号 技术上开始走向成熟 1989年 HP公司率先停止了模 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 2 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 拟示波器的生产 专心培育数字示波器市场 到1993年 DSO的销售额就超过了传 统模拟示波器 使持续将近半个世纪的模拟示波器市场发生动摇 1995年以后 DSO 在技术上己经成熟 带宽在100MHz以上 DSO已经完全取代了模拟示波器 2004年 10月 AGILENT公司推出了具震撼性的DSA数字存储示波器 带宽3GHz 上升时间 23ps 最高采样率40GHz 这时 除了继续提高取样率 最高达40GSa s 带宽 达 20GHz 和增加记录长度 达16MB 外 DSO制造商开始向100MHz以下带宽的通用DSO方 向发展 并且性价比迅速提高 1996年 AGILENT公司面向通用DSO市场推出了 100MHz带宽的数字存储示波器54645A及首款混合信号示波器54645D AGILENT公司 在后续推出的54620 40A D系列混合信号示波器中提供了强大的串行触发能力 包 括SPI USB IZE LIN 和EAN等 通用DSO的单台价格己接近同档次的模拟示波器 水平 目前 100MHz以下的DSO 将与模拟示波器同时并存发展 虽然模拟示波器本 身也在不断的数字化 增加数字显示和光标测量的功能 但是 模拟示波器无法具 备DSO所特有的预触发 存储和数据处理等测量功能 可以预计 通用DSO全面取代 模拟示波器的日子不会很远了 目前 100MHz数字存储示波器的代表性产品 国外的主要有Agilent公司的5000 系列 Tektronix公司的TDSl000 TDS2000系列 国内DSO的研制工作起步较晚 第 一台DSO于1993年在电子部41研究所研制成功 但是起步水平较高 最先推出的是取 样率为40MSa s 带宽分别为750MHz和800MHz的两个型号产品 到96年就把带宽提高 到了1GHz 98年把取样率提高到1GSa s 研制中的100MHz带宽的深存储型DSO已经 取得了阶段性成果 目前主要的生产厂家是美国安捷伦公司 泰克公司 力科公司 台湾的固纬公司 国内的中国电子科技集团第41研究所和北京普源精电公司等 1 2 设计的任务和要求 1 2 11 2 1 设计的基本要求设计的基本要求 1 要求仪器的输入阻抗大于 100K 2 要求设置 0 6ms div 1 2ms div 二档扫描速度 误差 10 3 要求设置 0 5V div 0 75V div 二挡垂直灵敏度 误差 10 4 仪器的频率范围为 DC 10kHz 触发方式采用内触发 5 观测波形无明显失真 1 2 21 2 2 课题的具体工作内容课题的具体工作内容 1 原始数据 1 输入信号 0 5V 频率 0 1KHz 2 存储深度 320B 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 3 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 2 技术要求 1 测量准确度 10 2 点阵式液晶显示 3 工作要求 1 组建基于单片机的简易数字示波器的总体结构框图 如图 1 3 所示 2 根据设计测量范围和准确度要求 通过理论分析和计算选择电路参数 3 根据操作功能要求 确定键盘控制功能 4 按设计要求确定显示位数 指示类型和单位 5 采用 C 语言编写应用程序并调试通过 6 对系统进行测试和结果分析 7 撰写论文 图 1 3 系统的原理框图 1 2 31 2 3 论文的结构安排论文的结构安排 1 前言 2 示波器的基本原理 3 系统硬件电路的设计 4 系统功能的软件设 计 5 存储示波器的制作与调试 6 结论与展望 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 4 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 2 数字示波器的基本原理 2 1 数字存储示波器的基本原理 2 1 12 1 1数字存储示波器的组成原理数字存储示波器的组成原理 一个典型的数字示波器原理框图如图2 1所示 它又分实时和存储两种工作模 式 当处于实时工作模式时 其电路组成原理和一般模拟示波器是一样的 当处于 存储工作模式时 它的工作过程一般分为存储和显示两个阶段 在存储工作阶段 模拟输入信号先经过适当的放大或衰减 然后经过取样和量化两个过程的数字化处 理 将模拟信号转化成数字化信号 最后 数字化信号在逻辑控制电路的控制下 一次写入到RAM中 衰减器放大器延迟线 垂直 放大器 扫描 发生器 水平 放大器 触发 电路 A D 转换器 存储器 ram D A 转换器 逻辑控制电路 微处理器 地址计 数器 D A 转换器 输入 实时 存储 外触发 内 外 实时 存储 至X偏转板 至Y偏转板 实时 存储 图 2 1 数字示波器原理框图 上述取样是获得模拟输入信号的离散值 而量化则是每个取样的离散值经A D转 换器转换成二进制数字 且取样 量化及写入过程都是在同一时钟频率下进行的 在 显示工作阶段 将数字信号从存储器中读出来 并经DA转换器转换成模拟信号 经 垂直放大器放大加到CRT的Y偏转板 与此同时 CPU的读地址计数脉冲加之DA转换器 得到一个阶梯波的扫描电压 加到水平放大器放大 驱动CRT的X偏转板 从而实现 在CRT上以稠密的光点包络重现模拟信号 显示屏上显示的每个点都表示数字存储示波器捕获的一个数据字 点的垂直屏 幕位置由对应的存储单元的二进制数据给出 点的水平屏幕位置由对应的存储单元 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 5 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 二进制地址给出 若经DA转换的模拟信号内插器的插值处理 还可以使点显示变为 连续显示 数字存储示波器对模拟量进行实时取样 实时取样是对一个周期内的信号的不 同点取样 它与取样示波器的跨周期取样是不同的 N个取样点得到的数字量分别 存储于地址号为OOH 0NH的N个RAM存储单元中 这样 采样点所存储的地址信息即表 示了采样点的时间信息 在显示时依序取出采样离散化数据 经DA变换后的输出送 到Y偏转板 同时存储单元地址号从00H 0NH也经过DA转换 形成阶梯波 并送到X偏 转板 在共同作用下 荧光屏上将显示离散的亮点 只要X方向和Y方向的量化程度 足够精细 这些离散的亮点就能准确代表被测波形 将数字存储技术和微处理器用 于取样示波器 可以构成存储取样示波器 2 1 22 1 2数字存储示波器的工作方式数字存储示波器的工作方式 1 数字存储示波器的功能 数字存储示波器的随机存储器RAM按功能可分为信号数据存储器 参考波形存 储器 测量数据存储器和显示缓冲存储器四种 信号数据存储器存放模拟信号取 样数据 参考波形存储器存放参考波形的数据 它采用电池供电 或采用非易失 性存储器 故可以长期保存数据 测量数据存储器存放测量量与计算的中间数据 和计算的结果 和一般微机化仪器的随机存储器作用基本相同 显示缓冲存储器存 放现时代波形 荧光屏上显示的信息均有显示缓冲存储器提供 2 触发工作方式 数字存储示波器的触发方式包括常态触发和预置触发两种方式 1 常态触发 常态触发是在存储工作方式下自动形成的 同模拟示波器基本一 样 可通过面板设置触发电平的幅度和极性 触发点可处于复现波形的任何位置及 存储波形的末端 触发点位置通常用加亮的亮点来表示 2 预置触发 预置触发即延迟触发 是人为设置触发点在复现波形上的位置 它是在进行预置之后通过微处理器的控制和计算功能来实现的 由于触发点位置的 不同 可以观测到触发点前后不同区段上的波形 这是因为数字存储示波器的触发 点只是一个存储的参考点 而不一定是取样 存储的第一点 预置触发对显示数据 的选择带来了很大的灵活性 3 测量和计算工作方式 数字存储示波器对波形参数的测量分为自动测量和手动测量两种 一般参数的 测量为自动测量 及示波器自动完成测量工作 并将测量结果以数字的形式显示在 荧光屏上 特殊值的测量使用手动光标进行测量 即光标测量 光标测量指的是在 荧光屏上设置两条水平光标线和两条垂直光标线 这四条光标线可在面板的控制下 移动 光标和波形的交点 对应于信号存储器中的相应的数据 测量时 示波器在 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 6 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 测量程序控制下 根据光标的位置来完成测量 并将测量结果以数字形式显示在荧 光屏上 4 面板按键操作方式 数字存储示波器的面板按键分为执行键和菜单键两种 按下执行键后 示波器 立即执行该项操作 当按下菜单键时 屏幕下方显示一排菜单 屏幕有方则显示对 应菜单的子菜单 然后按子菜单下所对应的软键执行相应的操作 2 1 32 1 3数字存储示波器的显示方式数字存储示波器的显示方式 由于数字存储示波器可以对被测信号存储 波形的采集和显示可以分开进行 与宽带示波器相比 采集速度和显示速度可不相同 因此采集速度很高的数字存储 示波器对其显示的速度要求不高 数字存储示波器的显示方式灵活多样 具有基本 显示 抹迹显示 卷动显示 放大显示和XY显示等 可适应不同情况下波形观测的 需要 1 存储显示 存储显示方式是数字示波器的基本显示方式 适用于一般信号的 观测 在一次触发形成并完成信号数据的存储后 经过显示前的缓冲存储 并控制 缓冲存储器的地址顺序 依次将欲显示的数据读出并进行DA变换 然后将信号稳定 的显示在荧光屏上 2 抹迹显示 抹迹显示方式适用于观测一长窜波形中在一定条件才会发生的瞬 态信号 抹迹显示时 应先根据预期的瞬态信号 设置触发电平和极性 观测开始 后仪器工作在末端触发和预置触发相结合的方式下 当信号数据存储器被装满单瞬 态信号未出现时 实现末端触发 在荧光屏上显示一个画面 保持一段时间后 被 存入的数据更新 若瞬态信号仍未出现 在利用末端触发显示一个画面 这样一个 个画面显示下去 如同为了查找莫个内容 一页页的翻书一样 一旦出现预期的瞬 态信号则立即实现预置触发 将捕捉到的瞬态信号波形稳定的显示在荧光屏上 并 存入参考波形存储器中 3 卷动显示 卷动显示方式适于观测缓变信号中随机出现的突发信号 它包括 两种方式 一种是新波形逐渐代替旧波形 变换点自左向右移动 另一种是波形从 右端向左一定 在左端消失 当异常波形出现时 可按下存储键 将此波形存储在 荧光屏或存入参考波形存储器中 一边做更细致的观测与分析 如图2 2 a 所示 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 7 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 a 卷动显示 b 放大显示 图2 2两种显不方式 4 放大显示 放大显示方式适于观测吸信号波形的细节 此方式是利用延迟 扫描的方法实现的 此时荧光屏一分为二 上半部分显示原波形 下半部分显示放 大了的部分 其放大位置可用光标控制 放大比例也可调节 还可以用光标测量放 大部分的参数 如图2 2 b 所示 5 XY显示 与通用示波器的显示方法基本相同 一般用于显示丽萨如图形 此 处不做详述 6 显示的内插 数字存储示波器是将取样数据显示出来 由于取样点不能无限 增多 能够做到正确显示的前提是足够的点来重新构成信号波形 考虑到有效存储 带宽问题 一般要求每个信号显示20 25个点 但是较少的采样点会造成视觉误差 可能使人看不到正确的波形 数据点插入技术可以解决显示中视觉错误的问题 数 据点插入技术常常使用插入器将一些数据插在所有相邻的取样点之间 主要有线性 插入和曲线插入两种方式 2 1 42 1 4数字存储示波器的特点数字存储示波器的特点 与模拟示波器相比 数字存储示波器具有以下几个特点 1 波形的取样存储与波形的显示是独立的 在存储工作阶段 对快速信号采用 较高的速率进行取样和存储 对慢速信号采用较低速率进行取样和存储 但在显示 工作阶段 其读出速度可以采用一个固定的速率 不受采样速率的限制 因而可以 清晰而稳定的获得波形 可以无闪烁的观测被测极慢变化信号 这是模拟示波器无 能为力的 对观测极快信号来说 数字存储示波器采用低速显示 可以使用低带宽 高精度 高可靠性而低造价的光栅扫描示波管 2 能长时间的保存信号 由于数字存储示波器是把波形用数字方式存储起来 其存储时间在理论上可以是无限长 这种特性是对观察单次出现的顺便信号极为重 要 如单次冲击波 放电现象 3 先进的触发功能 它不仅能显示触发后的信号 而且能显示触发前的信号 并且可以任意选择超前或滞后的时间 除此以外 数字存储示波器还可以提供边缘 触发 组合触发 状态触发 延迟触发等多种方式 来实现多种触发功能 4 测量准确度 高数字存储示波器由于采用晶振做高稳定时钟 有很高的测时 准确度 采用高分辨率AD转换器也能使幅度测量准确度大大提高 5 很强的数据处理能力 数字存储示波器由于内含微处理器因而能自动实现多 种波形参数的测量和显示 例如上升时间 下降时间 脉宽 峰峰值等参数的测量 与显示 能对波形实现取平均值 取上下限值 频谱分析以及对两波形进行加减乘 除等多种复杂的运算处理 还具有自检与自校等多种操作功能 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 8 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 6 外部数据通信接口 数字存储示波器可以很方便的将存储的数据送到计算机 或其他的外部设备 进行更复杂的数据运算和分析处理 还可以通过GPIB接口与计 算机一起构成自动测试系统 2 1 5数字存储示波器的主要技术指标 术指标与模拟示波器相似 下面仅讨论与 波形存储部分有关的主要技术指标 1 最高取样速率 最高取样速率指单位时间内的取样的次数 也称数字化速率 用每秒钟完成的AD转换的最高次数来衡量 常以频率来表示 取样速率越高 反应 仪器捕捉高频或快速信号的能力愈强 取样速率主要由AD转换速率来决定 数字存 储示波器的测量时刻的实时取样速率可根据被测信号所设定的扫描时间因数 即扫描 一格所用的时间 来推算 其推算公式为 1 1 divt N f 式中 N为每格的取样点数 t为扫描时间因数 2 存储带宽 B 存储带宽与取样速率密切相关 根据取样定理 如果取样速 率大于或等于二倍的信号频率 便可重现原信号 实际上 为保证所显示波形的分 辨率 往往要求增加更多的取样点 一般取N 4 10倍或更多 即存储带宽 3 分辨率 分辨率指示示波器能分辨的最小电压增量 即量化的最小单元 它 包括垂直分辨率 电压分辨率 和水平分辨率 时间分辨率 垂直分辨率与AD转换的 分辨率相对应 常以屏幕每格的分级数 级 div 或百分数来表示 水平分辨率由取 样速率和存储器的容量决定 常以屏幕每格含多少个取样点或用百分数来表示 取 样速率决定了两个点之间的时间间隔 存储容量决定了一屏内包含的点数 一般示 波管屏幕上的坐标刻度为8 10div 即屏幕垂直显示格为8格 水平显示格为10格 如果采用8位的AD转换器 256级 则垂直分辨率表示为32级 div 或用百分数来表 示为1 256 0 39 如果采用容量为1k的RAM 则水平分辨率为1024 10 100点 div 4 存储容量 存储容量又称记录长度 它由采集存储器 主存储器 最大存储容 量来表示 常以字为单位 数字存储器常采用256 512 1K等容量的高速半导体存 储器 5 读出速度 读出速度是指将数据从存储器中读出的速度 常用 时间 div 来表示 其中 时间为屏幕上每格内对应的存储容量乘以读脉冲周期 使用中应 根据显示器 记录装置或打印机等对速度的要求进行选择 2 2 系统的方案设计 上世纪大规模集成电路的出现 使得 CPU 存储器 I O 接口得到了迅速的发展 在各个技术领域中得到了广泛的应用 尤其简易的数字存储技术已经很发达 由此 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 9 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 我想到 可以利用存储器的存储功能和普通模拟示波器相结合 来实现数字示波器 的存储功能 利用模拟转换器及时的对上述类型的信号进行一次性的采集 并把数 据存储到存储器中 这样我们可以随时随意的再从存储器读取数据进行分析 也可 以把数据再通过数摸转换器转换成原来的模拟信号 送到普通模拟示波器中进行显 示 而存储器中的数据得以保存 而不会消失 出于以上的考虑 我们借助于数摸和模数转换器 和单片机 存储器组成的系 统能对任意波形实现存储和再现 一次性瞬间信号的数据被采集到存储器中存储 如果再反复的存储器中读取数据 送到示波器显示 这样就使随机的非周期信号 瞬间信号 一次性信号 能够在普通模拟示波器显示频目显示稳定的波形 为了能较简单的实现题目的功能 我们只借助 A D 转换器将输入信号进行量化 处理后 在液晶显示器上进行显示 并将处理的显示数据存入存储器中 当需要波 形再现时 通过单片机控制只需将存储器中的数据取出再次处理 然后再送到液晶 显示器上进行显示 本设计以 AT89C51 单片机为中心 62256 为存储器 通过模数转换器 实时采 样实现对输入信号的提取 并进行数字化的存储及显示 显示采用 MFC 12864 液晶 显示屏 由于待测信号为模拟信号 存储过程为数字方式 故应将模拟信号进行量化处 理 然后存储到存储器中 当需要显示的时候 从存储器读出数据 并送往液晶显 示器进行显示 因此 设计的重点是模拟信号的处理与采样 数字信号的存储 液 晶显示器的显示控制 系统的控制4个方面 2 2 12 2 1 系统的控制系统的控制 控制器是系统中最为重要的器件 也是设计的难点 其中 涉及按键的控制控 制 存储器的写入和读取控制 液晶显示器的控制 可以由多种方法实现 一种是 单纯的采用单片机 使用单片机控制数据的采样 存储和回放 这种方法实现起来 比较简单也在所学课程的范围之内 另一种是采用可编程逻辑器件CPLD或者FPGA 这种方法对ADC采样控制 存储器的操作比较方便 而且速度也比较快 但在人机接 口方面的操作就困难一些 还有一种方法是将以上两种方法结合起来 用可编程器 件做相应的逻辑电路设计 比如ADC的采样频率 存储器操作等 使用单片机来做人 机接口 单片机和CPLD互相协调完成整个系统的功能 这种方法可以发挥出各个器 件的长处 有效的完成整个控制系统的设计 但是就目前的学习能力用此方案还不 足以将该系统完善并完成设计内容 故最终采取第一种方法单片机直接控制 2 2 22 2 2 输入模拟信号的处理输入模拟信号的处理 信号的处理主要是对被测输入信号在幅度与偏移方面进行线性处理 使信号在 垂直方向上处于A D转换器的输入范围内 待测模拟信号输入到数字示波器时首先要 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 10 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 经过相关的处理才能够送给ADC 因为ADC对输入电压的幅度有一定的要求 一般为 0 5V 或者0 2V等 对于输入的模拟信号 要根据不同的垂直灵敏度做出调整 具体说就是把小电压信号放大 将大电压信号衰减使之符合ADC的输入电压范围 因 此 需要对电压大小不同的信号进行增益调整 通常可以使用增益可调的放大电路 需要注意的是放大电路的增益系数和频带的关系 同时 为防止ADC因输入大的电压 信号而烧毁 可以加入限幅电路 处理过的模拟信号需要经过ADC进行量化编码 通 常在进行A D转换之前要加上比较电器 作为模拟电路和数字电路之间的接口电路 2 2 32 2 3 数字信号的采集与存储数字信号的采集与存储 在数字存储示波器中 模数转换电路在给定采样时钟的节拍下把输入模拟信号 转换为离散的数据值 A D转换器始终以最高取样率进行工作 ADC参数的选取需要 考虑多方面的因素 ADC的取样频率取决于待测信号的频率范围 或者示波器对扫 描速度的要求 而ADC的编码位数与垂直分辨率相关 根据这两个条件选择合适的ADC 芯片 波形重组是根据所用的显示器将采集到的离散数字信号进行调整之后 将其在 显示器的垂直方向和水平方向重新定位 与显示屏幕上的像素点对应 存储到波形 存储器中 数字信号保存到存储器中 RAM的位数须根据ADC的位数来选择 如果ADC为8位 输出 那么RAM也应该为8位 超过8位则可以选用16位的RAM RAM的容量取决于每次 采样的采样点数 这和水平分辨率相关 写入RAM的数据来自于ADC 读出之后再经 过单片机处理进行波形重组 然后在液晶显示器上进行显示 综上分析 拟采用一种简单可行的方法 如图1 3所示 直接由单片机控制采样 按键 存储器的读写操作及液晶显接口 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 11 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 3 系统硬件电路的设计 3 1 单片机及其外围电路 单片机系统主要完成系统的人机接口和对整个系统的控制功能 单片机采用的 AT89S52单片机 该芯片内部包含有8KB的可在线编程 ISP 的FLASH程序存储器 256B的RAM 带有看门狗功能 AT89S52是一个低功耗 高性能CMOS 8位微控制器 具有8K字节在系统可编程Flash存储器 该设备使用Atmel公司高密度非易失性存储 器技术制造 与工业标准的80C51产品指令集和引脚完全兼容 片上Flash允许程序 存储器在系统可编程 也适于常规编程器 在单芯片上 拥有灵巧的8位CPU在系统 可编程Flash 使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高效灵活 超有效的解 决方案 AT89S52具有以下标准功能 8K字节Flash 256字节RAM 32位I O口线 看 门狗定时器 2个数据指针 3个16位定时计数器 1个6向量2级中断结构 1组全双 工串行口 片内晶振及时钟电路 另外 AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作 支持2个 软件可选择节电模式 空闲模式下 CPU停止工作 允许RAM 定时计数器 串口 中断继续工作 掉电保护方式下 RAM内容被保存 振荡器被冻结 单片机停止一切 工作 直到下一个中断或硬件复位为止 由于单片机受到管脚的限制 没有对外专用的地址总线和数据总线 在进行对 外扩展存储器或I O接口时 需要首先扩展对外总线 局部系统总线 为了完成外 部数据存储器 62256 A D转换器和键盘的扩展 在单片机最小系统的外边加上了 74HC573锁存器和74LS138译码器 在ALE无效期间P0口传送数据 构成数据总线DB P2口输出地址高8位A15 A8 而地址低8位则在ALE有效时刻 将P0口分时输出的低8位地址值锁存到外部的573锁 存器输出 两者结合起来就构成了地址总线AB 如图3 1所示 系统中的一个三八译码器可产生8个片选信号 由A13 A14 A15分别接到 74LS138的A B C端 所以地址范围分别是 A15 A14 A13 A12A11 A10 A9 A8A7 A6 A5 A4A3 A2 A1 A0 A15 A14 A13 XX X X XX X X XX X X X Y0的寻址范围 0000H 1FFFH Y1的寻址范围 2000H 3FFFH Y2的寻址范围 4000H 5FFFH Y3的寻址范围 6000H 7FFFH Y4的寻址范围 8000H 9FFFH Y5的寻址范围 A000H BFFFH Y6的寻址范围 C000H DFFFH Y7的寻址范围 E000H FFFFH 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 12 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 这样用一片三八译码器就产生了8个片选的信号 足够A D转化器和外部按键的 扩展 一般在电路的设计中 如果外设比较多 而用一片三八译码器产生的片选信 号又不够用 则可以采用二级译码 即再连接两个三八译码器 A12 A11 A10分别 和新加的三八译码器的A B C相连 第一级的任意两个输出和另外的两个三八译码 器的片选端相连 为了防止程序执行过程中失步或运行紊乱 此处我们采用了上电自动复位 单 片机的工作还需要外接晶振产生时钟信号 频率为 11 0592MHz 3 1 单片机及外围扩展电路图 3 2 信号输入电路单元 3 2 13 2 1 输入调理电路设计输入调理电路设计 信号调理主要是对被测输入信号在幅度与偏移方面进行线性处理 使信号在垂 直方向上处于A D转换器的输入范围内 待测模拟信号输入到数字示波器时首先要经 过相关的处理才能够送给ADC 因为ADC对输入电压的幅度有一定的要求 一般为0 5V 或者0 2V等 对于输入的模拟信号 要根据不同的垂直灵敏度做出调整 具体 说就是把小电压信号放大 将大电压信号衰减使之符合ADC的输入电压范围 因此 需要对电压大小不同的信号进行增益调整 通常在进行A D转换之前要加上比较电器 作为模拟电路和数字电路之间的接口电路 信号输入的调理电路如图3 2所示 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 13 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 图 3 2 信号输入的调理电路图 3 2 23 2 2 阻抗变换电路设计阻抗变换电路设计 1 方案 设计条件及要求是 输入阻抗要求达到100K 采用同相电压跟随器 使得输 入阻抗在很大程度上得到提高 同时保证输出电压基本等于输入阻抗 2 芯片选择 因为输入信号的最高频率是1KHz 选择的放大器为UA741CN 常温下带宽可以达 到1MHz 可以保证输入信号通过该电压跟随器之后没有任何失真 题目明确要求示 波器的输入阻抗大于100K 设计中可以采用跟随器电路 一方面达到提高输入阻 抗的要求 另一方面还可以起到隔离的作用 电路图如图 3 3 所示 图 3 3 阻抗变换电路图 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 14 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 3 2 33 2 3 电平移位电路设计电平移位电路设计 图 3 4 输入信号转换电路 在信号输入调理电路中 后级运算放大电路为差分输入比例电路 如图3 4所示 设运算放大器的2端输入为 输出为 则有输出与输入的关系为 1OUOU 3 1 12 5OOUU 推导如下 3 2 3 466 CCVU RRR 得 31 25 UV 而 32UU 3 3 122 23 OOUUUU RR 得 12 5OOUU 此电路为电平移位电路 将输入信号反相后抬高了 2 5V 即该差分输入比例电 路将前级的双极性信号经过处理变成 0 5V 的单极性输入信号 最终送到 A D 转换 器进行模数转换 3 2 43 2 4 频率计算电路设计频率计算电路设计 1 施密特触发器 施密特触发器又称施密特反相器 是脉冲波形变换中经常使用的一种电路 施 密特触发器有两个稳定状态 但与一般触发器不同的是 施密特触发器采用电位 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 15 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 触发方式 其状态由输入信号电位维持 对于负向递减和正向递增两种不同变化 方向的输入信号 施密特触发器有不同的阀值电压 门电路有一个阈值电压 当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将 发生变化 施密特触发器是一种特殊的门电路 与普通的门电路不同 施密特 触发器有两个阈值电压 分别称为正向阈值电压和负向阈值电压 在输入信号从 低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压 在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为 负向阈值电压 正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压 它是一种阈值开关电路 具有突变输入 输出特性的门电路 这种电路被 设计成阻止输入电压出现微小变化 低于某一阈值 而引起的输出电压的改变 它在性能上有两个重要的特点 第一 输入信号从低电平上升的过程中 电路状态转换时对应的输入电平 与 输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同 第二 在电路状态转换时 通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿 变得很陡 利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波 而且可以将叠加在矩形脉冲高 低电平上的噪声有效地清除 施密特触发器可以由 门电路构成 也可作成单片集成电路产品 且后者最为常用 2 施密特触发器的应用 1 用于波形变换 利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用 可以把边沿变化缓慢的周期 性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号 图 3 5 的例子中 输入信号是由直流分量 和正弦分量叠加而成的 只要以信号的幅度大于 VT 即可在施密特触发器的输出端 得到同频率的矩形脉冲信号 t ms Vi 0 VT VT t ms Vo 0 图 3 5 用施密特触发器实现波形变换 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 16 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 2 用于脉冲的整形 在数字测量和控制系统中 由传感器送来的波形边沿较差 此外 脉冲信号经 过远距离的传输后 往往会发生各种各样的畸变 利用施密特电路可以对这些信号 进行整形 如图 3 6 所示就是脉冲整形 图 3 6 脉冲整形电路 波形变换模块设计方案采用由LM339系列实现的施密特的电路 如图3 7所示 图3 7 频率计算电路原理图 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 17 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 在图中 3 4 e ee R RR d OL dd R VTUaV RR 3 5 e ee R RR d OH dd R VTUaV RR 式中 分别为高 低输出电平 OLVOLV 假设输入信号为正弦波 则输出如图3 5所示 为一脉冲波形 3 单稳态触发器 74121 构成的脉冲整形电路 TTL 集成器件 74121 是一种不可重复触发集成单稳态触发器 74121 由触发信号 控制电路 微分型单稳态触发器 输出缓冲电路三部分组成 74121 集成单稳态触发器有 3 个触发输入端 其功能表如表 3 1 所示 表 3 1 单稳态触发器 74121 的功能表 1 触发 若B为高电平 A1 A2中的一个为高电平 输入中有一个或两个产生由 1 到 0 的负跳变 若A1 A2两个输入中有一个或两个为低电平 B 发生由 0 到 1 的正跳变 2 定时 单稳态电路的定时取决于定时电阻和定时电容的数值 74121 的定时电容连接 在芯片的 10 11 引脚之间 若输出脉宽较宽 而采用电解电容时 电容C 的正极 连接在Cext输出端 10 脚 对于定时电阻 使用者可以有两种选择 采用内部定时电阻 2 k 此时将 9 号引脚 Rint 接至电源VCC 14 脚 采用外接定时电阻 阻值在 1 4 40k 之间 此时 9 脚应悬空 电阻接在 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 18 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 11 14 脚之间 74121 的输出脉冲宽度tW 0 7RC 通常 R 的数值取在 2 30k 之 间 C 的数值取在 10pF 10 F 之间 得到的取值范围可达到 20ns 200ms 该式 中的 R 可以是外接电阻Rext 也可以是芯片内部电阻Rint 约 2k 如希望得到较 宽的输出脉冲 一般使用外接电阻 3 单稳态触发器 单稳态触发器的工作特性具有如下图著特点 第一 它有稳态和暂稳态两个不同的工作状态 第二 在外界触发脉冲作用下 能从稳态翻转到暂稳态 在暂稳态维持一段时 间以后 再自动返回稳态 第三 暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数 与触发脉冲的宽度和幅 度无关 由于具备这些特点 单稳态触发器被广泛应用于脉冲整形 延时 产生滞后于 触发脉冲的输出脉冲 以及定时 产生固定时间宽度的脉冲信号 等 由 LM339 组成的施密特的电路 产生脉冲信号后 由于波形不很规则 可能会 产生一些毛刺 所以有 74121 构成脉冲整形电路对施密特电路产生的脉冲进行调整 电路中 A1 A2 都接地 故为上升沿触发 电路图如图 3 8 a 所示 a b 图 3 8 脉宽调整及分频电路 该电路调整后的脉宽由以下公式 3 7 算得 3 6 ln2TwRext Cext 代入具体值得 1 05Twms 则输出的便是一个脉宽为 1 05ms 脉冲了 在经过一个二分频电路 如图 3 8 b OU 所示 最终产生的信号是脉宽为 2 1ms 的脉冲波形 将其送入单片机的 P3 2 INT1 进行频率的计算 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 19 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 3 3 A D 转换电路 3 3 1ADC3 3 1ADC 芯片的选取芯片的选取 1 A D 转换器的主要性能指标 1 分辨率 A D 转换的分辨率是能够分辨的最小量化信号的能力 即输出的 数字量变化 1 所需输入模拟电压的变化量 通常用位数来表示 对于一个实现 n 位 转换的 ADC 来说 它能分辨的最小量化信号的能力为 2n位 即分辨率为 2n位 例如 对一个 12 位的 ADC 分辨率为 212 4096 位 2 转换精度 由于模拟量是连续的 而数字量是离散的 所以一般在某个范 围中的模拟量都对应于同一个数字量 例如 有一个 ADC 理论上 5V 电压对应数字 量 800H 但是 实际上 4 997V 4 998V 4 999V 也对应数字量 800H 这就是说 在 A D 转换时 模拟量和数字量之间并不是严格的一一对应的关系 这样 就有一 个转换精度的问题 转换精度反映了 ADC 的实际输出接近理想输出的精确程度 A D 转换的精度通 常是用数字量的最低有效应 LSB 来表示的 设数字量的最低有效位对应于模拟量 这时 称 为数字量的最低有效位当量 3 转换时间和转换率 完成 1 次 A D 转换所需要的时间 称为 ADC 的转换时 间 用 ADC 的转换时间的倒数表示 ADC 的转换速度 即转换率 例如 一个 12 位逐 次逼近式 ADC 完成一次 A D 转换所需时间为 20 s 其转换率为 50KHZ ADC 的转 换时间约为几个 s 至 200 s 4 非线性度 ADC 的非线性度是指实际转换函数与理想直线的最大偏移 2 逐次逼近式 ADC 逐次逼近式 ADC 是一个具有反馈回路的死循环系统 主要部件有电压比较器 逐次逼近寄存器 输出缓冲寄存器 DAC 和控制电路 如图 3 9 所示 和计数式 ADC 一样 逐次逼近式 ADC 也用 DAC 的输出电压来驱动比较器的反相 端 不同的是 转换时 要用一个逐次逼近寄存器存放转换出来的数字量 转换结 束时 将数字量送到输出缓冲寄存器 逐次逼近式 ADC 的转换原理是 二分搜索 反馈比较 逐次逼近 它与生活中 天平称重原理极为相似 当启动信号有效 由高变低 逐次逼近寄存器和输出缓冲寄存器清 0 故 DAC 的输出电压 Vo 0 当启动信号变为高电平时 转换开始 即逐次逼近寄存器开始 天平称重 逐次逼近寄存器的操作是 从最高位开始 通过先试探性地置 1 再 比较 Vo 和 Vi 大小 然后决定该位 1 的去留 然后对次高位进行比较 直到最低位 元为止 逐位完成同样过程 置 1 比较 决定去留 比如 在第一个时钟脉冲时 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 20 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 控制电路把逐次逼近寄存器最高位置 1 即它的输出为 100 0 使得 DAC 的输出电 压 Vo 成为满量程值的一半 这时 如果 Vo Vi 表明试探置的 100 0 值大了 比较 器输出低电平 控制电路据此清除逐次逼近寄存器最高位的 1 反之 如果 Vo Vi 比较器输出高电平 控制电路使最高位元的 1 保留下来 图 3 9 逐次逼近式 ADC n 位逐次逼近式 ADC 经过 n 次比较后 逐次逼近寄存器中得到的值就是转换的 数字量 转换结束后 控制电路送出一个低电平作为结束信号 这个信号的下降沿 将逐次逼近寄存器中的数字量送入输出缓冲寄存器 供 CPU 读取 采用逐次逼近法 首先将最高位置 1 这相当于取最大允许电压的 1 2 与输入 电压比较 如果搜索值在最大允许电压的 1 2 范围内 那么最高位置 0 再将次高 位置 1 这相当于在 1 2 范围内再作对半搜索 依次类推 逐次逼近相当于在不断 缩小 1 2 的范围内再作对半探索 因此 逐次逼近法也称为二分搜索法或对半搜索 法 3 ADC0809 的内部结构 ADC0809 的内部结构如图 3 10 所示 分成三部分 8 路模拟开关 地址锁存 与译码 8 位 A D 转换 三态输出缓冲器 其中 A D 转换部分是由 8 位元 DAC 比较器 逐次逼近寄存器和控制逻辑组成 START 和 EOC 分别为启动信号和变换结束信号 EOC 还可以作申请中断或供查询 ADC0809 通过引脚 IN0 IN7 可输入 8 路模拟输入电压 ALE 将 3 位地址信号 ADDA ADDB ADDC 进行锁存 然后经 3 8 译码选通 8 路中的 1 路进行 A D 转换 长 春 大 学 毕业设计 论文 纸 第 21 页 共 36 页 装 订 线 装 订 线 8 路 模 拟 量 开 关 地址 锁存 与译 码器 8 路 A D 转 换 器 三 态 输 出 锁 存 器 IN2 IN0 IN1 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 A B C ALE ST CLK VRE VRE EOC D1 D3 D2 D4 D5 D6 D7 D0 3 10 ADC0809内部逻辑结构 4 ADC0809 的引脚特性 ADC080 是 28 引脚的双列直插式芯片 VCC电源 5V GND 地 CLOCK 工作时钟 IN0 IN7 8 位模拟输入线 DB0 DB7 8 位转换资料三态输出线 ADDA ADD ADDC 模拟通道地址选择线 ALe 地址锁存允许信号 其上升沿将 ADDA ADDB ADDC3 位地址信号锁存 由 三八译码选通过对应模拟通道 VREF VREF 基准电压输入端 且要求 VREF VREF VCC 其 偏差值 0 1V START 启动转换信号 在模拟通道选通地址锁存之后 由 START 的正脉冲启动 转换 脉冲上升沿使所有内部寄存器清零 下降沿使 A D 转换开始 EOC 转换结束信号 在转换进行时 EOC 为低电平 当转换结束 资料锁存到 输出缓冲器后 EOC 变为高电平 OE 输出允许信号 当高电平时 打开三态输出缓冲器 把资料送到数据总线 上 供 CPU 读取 ADC芯片的选取涉及以下两个参数 ADC的位宽和ADC的转换速率 根据题目要求 应该根据垂直分辨率来选取位宽 根据扫描速度选择采样频率 根据题目要求垂直 分辨率为8级 div 垂直刻度为8div 即要分为64级 N 8 8 因此可选用8位A D 又由于水平分辨率为 8 点 div 所以对应于二档扫描速度 0 6ms div 1 2ms div 的采样速度应分别是 14KHZ 和 7KHZ