【毕业学位论文】(Word原稿)简易数字存储示波器设计报告-控制理论与控制工程

1 简易数字存储示波器设计报告 摘 要 本设计分为四个模块，分别是：信号前向调整模块，数据采集模块，数据输出模块和控制模块。信号前向调整模块采用高速低噪音模拟开关 (宽带运算放大器 (成可编程运算放大器，对幅度不等的输入信号分别进行不同等级的放大处 理 。 数 据 采 集 模 块 采 用 可 编 程 器 件(制高速 (不同频率的输入信号分别以相应的采样速度予以采样，并将采样数据存在双口 (。数据输出模块采用另一 片可编程器件 (制两片 (别输出采样信号和锯齿波 ,在示波器上以的方式显示波形。控制模块以片机为控制核心，协调两片可编程器件的工作，并完成其它的测量，计算及控制功能。 2 一 总体方案设计与论证： 方案一：数字示波器采用数字电路，将输入信号先经过变换器，把模拟波形变换成数字信息，暂存于存储器中。显示时通过变换器将存储器中的数字信息变换成模拟波形显示在模拟示波器的示波管上。对于存储器的地址计数及数据存取可通过数字电路对时钟脉冲计 数产生地址，并选通存储器来实现；对输入信号何时触发采集可通过模拟比较器及其它简单的模拟电路实现。但是，这种方法的硬件电路过于复杂，调试起来也不方便，不利于系统的其它功能扩展，因而不可采取。 方案二：采用 片机。单片机软件编程灵活，自由度大。可通过软件编程实现对模拟信号的采集，存储数据的输出以及各种测量，逻辑控制等功能。但是，系统要求的频带上限为，根据采样定理，采样速度的下限为，需要用高速进行采样。假设单片机系统用 12M 的晶体振荡器作为系统时钟，那麽一条指令就需要 1 2本无法控制高速工作。因此，单纯用软件是不可能实现该系统的。 方案三：采用 片机作为控制核心，采用可编程器件（ 司的 实现对数字系统的控制。由于可编程器件的工作频率很高，所以用它控制高速工作是合适的，同时又有着 样强大的软件予以支持，所以设计调试都会变得十分方便。为了稳定实时的显示 波形，必须使采样数据输出与扫描信号同步，同时扫描速度要快， 3 所以也应该用可编程器件来控制波形数据的输出。由于硬件资源不是十分丰富，为了以后功能扩展方便，所以我们选用了两片该器件分别控制着模拟信号的采样以及采样数据的输出，用单片机控制并协调它们之间的工作。 系统框图如下： 二 单元电路的设计与论证 1 信号前向调整模块的设计： 为了使不同幅度的输入信号都能被所采样，所以在采 样电路的前端应对输入信号进行一定的放大衰减。由于我们所号调整电路 信号选择 双口 输出电路 高速电路 普通示波器 锯齿波 触发电路 键盘 显示器 程控放大电路 X Y Z 信号一 信号二 4 选用的（ 路 的输入动态范围为 当输入 直流信号时，输出为 00H，输入 (路输出为 05V,所以当 A/D 的输入信号峰峰值为 2V 时 ,设示波器的垂直灵敏度定在 末 Y 轴显示 10 格 (实际上 Y 轴只有 8 格 ),这相当于将输入信号放大了 。为使垂直灵敏度为 1v/在示波器上 Y 轴显示两格，则输入信号需要衰减倍，同理可得当垂直灵敏度为 前向通道需要放大 2 倍和20 倍。由于 A/D 本身的输入动态范围就很小 ,为了保护，所以在前端加入了倍衰减，因此程控放大倍数应分别为倍，倍，倍。 方案一：采用现有的集成程控放大器 (例如 :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。但是，该器件货源短缺，无法实现。 方案二：采用四象限乘法型 D/A 转换器 运算放大器来实现程控放大衰减。 部具有两个匹配良好的D/A 转换器。按照下图的接法，即可构成可编程增益 /衰减电路。从每个 D/A 转换器的基准输入到其输出的等效电阻用于取代标准反相放大器的输入电阻和反馈电阻，将合适的数据置入到两个 D/A 中，即可实现 +48可编程增益 /衰减。经理论 5 推导，输入 输出 间的关系是： b 其中， b 分别指的是 A， B 两 D/A 的预置值，范围在1 到之间。但是，根据实验发现在频率较高时有衰减，放大倍数比预定值小，无法满足垂直灵敏度在全频段内误差小于的要求， 所以不可选用。 方案三：采用 高速低噪声模拟开关 择不同的反馈电阻和模拟运算放大器 成标准的反相运算放大器来实现。 单位增益截止频率为，可保证对频率小于的信号进行倍放大。将 四根控制线接在最小系统的扩展接口上，即 8255的 制信号与放大倍数的对应关系如下表： 6 大倍数 1000 1 0100 10 0010 20 0001 100 电路如下图： 高速数据采集模块的设计与论证： 7 该模块由三部分组成，分别是：高速，控制电路和存储电路。 ） 的选择： 根据题目要求垂直分辨率为 32 级 /波器上共 8 格，即要分为 256 级，因此可选用 8 位 A D。又由于水平分辨率为 20点 /以对应于三档扫描速度 0us/采样速度应分别是 100100 1析如下： 设扫描速度为 s/求水平分辨率为点 以每点的取样时间间隔为 X/20s,即取样信 号的频率为 20/X 此，当要求三档扫描速度分别为 0us/，相应的三档采样频率应分别是 1001001是，从100 100跨度太大 ,不利于中间频段信号的显示，因此我们又多加了 1 10档扫描速度。由于最高采样速率达到，所以普通的难以满足要求，因此我们选用了公司的位 芯片用单 5换速率最高可达到 20部带有采样保持电路和基准电阻。该芯片的最大 优点就是速度快，控制简单，适用于可编程器件控制。电路如下： 该电路的输入信号的动态范围很小为 了将动态范围扩展至 010V，需在其前级加入如下调整电路。该电路除了对输入信号进行 5 倍衰减外，还在输入信号上迭加 直流。 8 9 仿真结果 ）控制电路： 控制电路做在可编程器件里，主要有地址累加单元，采样速度选择单元和可编程器件与单片机接口单元。 其中，地址累加单元电路如下： 系统时钟，计数前首先由 输入一个负脉冲信号，对计数器和 D 触发器复位，而后对时钟脉冲计数。当计满时，该电路自动停止工作，并在 产生一个低电平信号，标志计数结束。 号为锁存信号，当其为低电平时，锁存当前采样。仿真如下： 10 ） 存储芯片的选择与实时性的考虑： 方案一：采用一片 储采样数据，以先采后放的方法工作。该方法优点是电路简单，控制简单，易于实现。但其只在输入信号频率较高时能输出较稳定的波形，当信号频率很低时，输出波形更新周期过长，缺乏实时性，并且在输出波形的同时无法进行数据采集，将丢失信号部分信息。 方案二： 采用两片 一片 储采集数据，另一片 出数据 ,即两片 替进行存储与输出。该方法解决了丢失信号部分信息的问题，但是采放的速率必须一致，否则必然引起数据冲突。对于低频信号该方法无任何意义，没能很好的解决实时性问题，并且电路较复杂，占用口线资源多，造成浪费。 方案三：采用一片双口 边采边放。该方法电路简单， 11 较好的解决了实时性问题所以采用该方案。由于最高采样速度是，所以要求存储器的最大存取时间应小于 于要求水平分辨率为 20 点 /模拟示波器上共有格，即每一次 扫描应有个点，所以存储量仅需个单元。当对输 入信号一次采集时，假设最大满屏显示一个周期的信号，则存储个周期的信号就已经超额满足题目的要求，因此存储量选为 2K 我们选择的双口 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。它的存取时间为 255存储量为，在非选通时自动处于低耗状态，可异步操作，输入和输出三态，与 平兼容。该芯片的应用电路如下： 12 波形显示电路： 波形显示方式有方式及外部触发方式。但是为了在示波器上显示字符就必须选用方式。 ） 数据输出速率的分析： 由于数据采集的最高速度为 1此数据回放系统的扫描速率应大于 1能实时的显示数据更新的过程。根据实验比较，我们选定输出频率为 2该输出频率下，系统的实时性较好，而且波形稳定，不失真。 我们选用的 的输出电流建立时间为 100 10足数据输出的速度要求。电路如下： 输出数据的地址由地址累加器得到，我们在地址累加器的后 13 级加入了一级数据选择器，通过扫描信号的进位脉冲切换数据通道，即可实 现锁存后或单次触发后显示波形的水平移动。局部电路图如下： 其中， 0.地址累加步进量 ,0.已锁存的起始地址 ,水平扫描信号的进位脉冲 ,该脉冲即为通道切换信号。仿真如下： ）锯齿波形成电路： 根据实验发现，在可编程器件 内部搭建的计数电路很容易产生毛刺，使输出锯齿波不稳定，因而我们选用硬件电路计数产生锯齿波。锯齿波的时钟由数据输出电路提供，以保证扫描信号与数据信号同步。将锯齿波计满后输出的进位脉冲经过一定的延时放大后，送给模拟示波器的 轴，以消隐 14 回扫线。锯齿波产生电路如下图： 触发电路： 触发电平由单片机通过 D/A(出，通过比较器与输入信号相比较，从而得到触发信号。该触发信号使单片机产生中断，经单片机处理后启动开始采集。 这里选用的比较电路是由高增益，低噪声，低漂移运放 齿波产生电路 仿真波形 15 开环构成的。其输出用两个二极管限幅，以得到标准的 号。电路见下图。 双踪示波电路： 理论上严格的双踪示波器应对两路信 号同时采样，那麽就需 触发电路 16 要两个高速 A/D，及其前端电路。但是普通模拟示波器分辨率一般不高，因而就没有任何意义去要求两路信号严格的同时。因此我们采用一路采集电路对两路输入信号交替采样，将采集数据分别存储于原存储器的奇偶地址内，再分别示波，同样可以以较高的精度作到双踪示波，并且使系统的性价比提高。开关切换电路如下图： 输入一路交流信号一路直流信号的仿真波形 双踪电路 17 两路输入交流信号的仿真波形 最小系统电路： 本系统以 核心。键盘由 20 个按键组成，对其扫描由 成。系统的显示器用的是 是 字符型 有两行十六列，每个字符位由 8 行 5 列组成，由于其分辨率不高，难以进行汉字显示，因此我们采用全英文界面。此外该系统还带有 32K 的 62256）和一片 82为端口扩展备用。系统的电源部分为 +5V， +12V 及 种供电方式。 . A/D 及 D/A 的选用 : 为了方便系统测量及控制我们又另外选用了一片 A/和D/A，分别是 测频模 块： 利用单片机的计数器对信号进行测量。因为触发脉冲与输 18 入信号频率相同，所以只需对触发脉冲进行测频即可。当频率低于 5，利用测周的方法，以被测信号的一个周期为闸门时间，以单片机的一个机器周期（ 1时间基准，对其计数即得周期，其最大误差为： 其中， 被测信号周期， 定时器频率。 当输入信号在 5用测频的方法，以被测信号为时间基准，定时 1S 为闸门时间，对时基计数，即得频率，测得的最大误差为 其中， 被测信号频率， T 为闸门时间，这里定位一秒， 单片机计数器频率。 字符显示模块： 在轴输入水平扫描信号，在轴输入场扫描信号，在轴输入亮度信号即可在示波器上形成字符。其中，场扫描信号由内部计数产生。轴的数据存在外部 。 10峰峰值测量功能： 用普通 输入到高速采集电路的信号进行较长时间采样，从中得到输入信号的最大值和最小值，然后将它们的差值乘以前向通道的衰减倍数后，即可得到输入信号的峰峰值。 19 11 能： 此功能实现系统自动调节水平灵敏度和垂直灵敏度，使波形更好的被显示。首先，系统通过普通 取输入信号电平作为触发电平，使系统稳定触发。然后，调用测频功能，测得输入信号的频率，由于我们将水平灵敏度分为20us/ms/0ms/档，为保证示波器上至少显示一个周期的信号，所以当被测信号频率 f5用20us/；当 500hzf5用 ；当 50hzf500ms/；当 5hzf50用 20ms/；当 f5。接下来再调用测量 峰峰值的功能。由于我们将垂直灵敏度分为 1 v/以当输入信号大于 ，系统自动选择 1v/，当输入信号大于 于 ，系统自动选择 输入信号小于 ，系统自动选择 ，当输入信号小于 ，系统自动选择 三软件部分： 系统软件的流程如下： 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 20 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。 四系统测试： 测试仪器： 开 始 系统初始化 键盘扫描 选择通 道 1， 2 或双踪 以实时方式工作，并等待键盘指令 调节调节调节触发电平 单 次 采 集 行或停止 测频率 测峰峰值 适应 21 率函数信号发生器 拟示波器 (20M 带宽 ) 模混合型示波器（ 100M 带宽） 多功能计数器 路直流稳压电源 函数信号发生器 对本系统进行测量，各项功能及指标均满足题目要求。完成的功能如下：对输入信号可单次触发，触发后可以稳定显示并不随输入信号变化而变化，对信号的一次采样最多可采样 2048 个点；在连续触发模式下可对输入信号实时采样并显示，并且波形无明显失真 ,输入信号既可以是交流也可以是直