基于单片机和CPLD的数字存储示波器设计.doc

简易数字存储示波器设计摘要本次设计基于数字示波器原理 ，以高速转换器件、CPLD和单片机为核心，结合直接存储器存取(DMA)技术，设计制作完成了简易数字存储示波器。此数字示波器具有实时单 、双踪显示和存储、连续回放显示功能。整个设计实现了数字存储示波器的所有功能指标 。 关键字：数字存储示波器 ，高速A/D、D/A转换器 一、 方案设计和论证数字存储示波器可以方便地对模拟信号进行采集和存储，并能利用微处理器对存储的数据作进一步处理，具有单踪、双踪实时显示和存储显示两种模式。高速数据采集、存储、回放及触发电平调节是本设计的难点和重点。下面就对这几个重要环节做论证和比较：1. 数据采集方案一：采用中高速A/D转换器，由单片机控制对模拟信号进行采集。限于单片机的工作频率，仅可采集低于5KHz的信号；对于更高频率的信号，虽然经处理后也能采集，但过程比较复杂。本设计不采用此方案 。方案二：用CPLD控制高速A/D转换器采集模拟信号。CPLD的工作时钟频率可达几十兆赫兹，完全可以控制高速A/D转换器对的高频信号进行实时采样。只要A/D转换器的速度跟得上，可以实现对上兆的信号的采样。本设计采用此方案 。2. 数据存储方案一：采用双口RAM存储采样量化后的波形数据。虽然控制和存储都很方便，但是本地根本买不到 ，所以本设计不采用此方案。方案二：采用普通RAM存储采样量化后的波形数据。虽然软硬件都比采用双口 RAM复杂，但是双口RAM不是哪里都能买到的，这也不失为一种替代的好方法。本设计就采用此方案 。3. 双踪显示 方案一 ：用两片A/D转换器、两片存储器和两片D/A转换器，分别对两路模拟信号进行采样、存储和回放。双踪显示时，只需要轮流切换两路输出信号，就可以实现双踪显示。但是此方案成本很高；要做两路控制，软硬件相对更加复杂，本设计不采用此方案。方案二 ：用一片A/D转换器、一片存储器和一片D/A转换器，以高速率切换模拟开关实现对两路模拟信号的采集。存储时两路波形数据分别存放在存储器的奇、偶地址。回放时把存储器内的波形数据按顺序读出，输出时同样以高速率切换模拟开关实现双踪显示。此方案成本低，而且控制方便，本设计采用此方案 。 4. 幅度控制方案一：采用DAC0832实现程控电压衰减。信号从参考电压端输入，单片机通过改变送入DAC0832的数据值控制输出信号的幅度，即Vo=(DVin)/255。它对低频信号的幅度控制很准，但对高频信号(24KHz)，输出波形严重失真。本设计不采用此方案。 方案二：采用模拟开关和宽带运放，配合精密电位器实现从0.01V/div到1V/div的多档垂直分辨率。单片机控制模拟开关接通不同的电阻，从而实现不同的放大倍数，达到程控放大的目的。此方案对0500KHz信号的幅度控制较为准确，所以本设计采用此方案。5. 触发电平 对于示波器来说，触发电平的选择是相当重要的，如果触发信号发生电路设计地不好，那么在示波器上就看不到稳定的波形。本设计采用比较电路产生触发信号，从而达到对触发电平的调节。重要步器二、 理论分析与参数计算 1. A/D转换器的选择 根据题目要求，垂直分辨率为32级/div，垂直刻度为8div，所以垂直方向上应有328=256个量化级，所以A/D转换器的位数应不低于8位。本设计采用MAXIM公司的8位并行高速A/D转换器芯片MAXIM153，最高采样率1.23MHz，可基本满足要求。2. 存储深度 根据题目要求，水平分辨率位20点/div，水平刻度为10div，所以基本存储深度为200点。本设计存储深度为200点。 3. 采样率与扫描速度 根据题目要求，水平分辨率位20点/div，扫描速度分为2us/div200ms/div六档，由公式： 采样率=水平分辨率/扫描速度可计算出每档对应的采样率，如下表所示：扫速(/div)2us20us200us2ms20ms200ms采样率(点/div)10M1M100K10K1K1004. 输入增益控制 由于输入信号的最大幅度为8V，而A/D转换器输入最大幅度为5V，垂直分辨率的要求范围为0.01V/div、0.1V/div、1V/div，所以放大倍数的范围为：0.625Au62.5从而实现1V/div、0.5V/div、0.1V/div、0.01V/div四档垂直分辨率，满足并超过题目要求。三、 整体系统框图 四、 各部分电路设计 1. 前级信号处理 由高速模拟开关CD4053和CD4052构成的单、双踪切换及程控放大衰减电路如图1所示。此电路的功能是控制两路信号的分时选通或单通道选通，并对输入信号的幅值进行放大或衰减(即垂直分辨率切换)，使输入信号的的幅度达到A/D转换器所要求的范围05V。在输入端加入TL082构成的射随器能提高电路的输入阻抗。两路待测信号经射随器后输入模拟开关CD4053，信号经放大或衰减后送入A/D转换器。单、双踪显示由单片机和CPLD协同控制，当P1.7口为低电平时，只有一路信号输入，还有一路被屏蔽，实现单踪显示的功能；当P1.7口为高电平时，由CPLD输出一个时钟频率，轮流切换两个通道，对两路信号分时采样，实现双踪显示的功能。后级运放和CD4052构成的两级电路分别完成对输入信号0.625倍、1.25倍、6.25倍、62.5倍的程控放大衰减和+2.5V的电平补偿。至此，信号前端处理完成，输出是一个符合A/D转换要求的信号。图12. 数据采集及存储控制电路 采用MAXIM公司的高速A/D转换器MAX153对输入信号进行采集。为了缩短A/D转换的时间，芯片工作于最高采样速率方式Pipe-Lined Mode Timing状态，采样速率可达1.23MHz。整个CPLD内部设计分为三大部分：A/D采样控制部分：CPLD内部通过“有限状态机”方式控制MAX153对输入模拟信号进行采样。采样后得到的波形数据分两路传送：一路直接送给列扫描电路直接显示；另一路送给RAM存储器，用于数据处理和存储回放显示。存储器读写控制部分：CPLD与RAM的地址线相连，通过CPLD内部的组合逻辑电路实现两者分别对RAM的读写操作。当显示存储的波形时，RAM内的数据由CPLD控制读出送到列扫描电路。锯齿波发生电路控制部分：CPLD控制八位计数器产生一个锯齿波作为行扫描信号送到行扫描电路。整个CPLD内部逻辑电路如图2所示：图2本电路对模拟信号的采集速度是恒定的，为1.23M次/秒。通过改变锯齿波的扫描速度达到6档水平分辨率的指标要求。为了满足存储显示时在不同频率下示波器上至少能看到一个完整的波形，RAM对波形的存储速度也是有选择的：信号频率高时RAM的存储速度也高，信号频率低时RAM的存储速度也低。RAM内的波形回放时，为了能在示波器上看到稳定的波形，必须与行扫描信号同步，否则看到的将是一个不断翻滚的波形。3. 触发信号产生电路 以下图5所示触发信号发生电路能保证在示波器上看到稳定的波形。NE5532接成射随器的形式，当输入信号幅度增加时，第五脚电压随之变化至峰值。由于有两个二极管和电容的存在，第五脚电压不会随着输入信号电压的下降而下降，而是使峰值电压保持一段时间，以满足电压比较器的需要。三极管用于强制快速放电，电位器由于调节触发电平的大小。经比较器输出的触发信号直接送到CPLD作为控制逻辑电路的一部分 。 图34. 行扫描电路 行扫描电路由MAXIM公司的高速D/A转换器MAX506构成。CPLD内部地址累加器的输出控制MAX506不断输出锯齿波。后级TL082构成一个加法电路，调节电位器可以实现对输出锯齿波的直流电平叠加 ，从而达到调节显示器上波形左右位置平移的功能 。图45. 列扫描电路 列扫描电路由D/A转换器MAX506、模拟开关和用于位置调节的加法电路构成。实时显示时A/D采样后得到的波形数据或存储显示时RAM内读出的波形数据送入MAX506，得到复原后的波形。后级两个加法电路可以实现两个输出波形上下位置的平移。模拟开关用于实现单、双踪显示功能 。 图5五、 软件设计 本设计的单片机控制软件流程图如右图所示。初始化时设定液晶、水平分辨率、垂直分辨率和采样控制的原始参数，使系统进入连续采样显示模式，水平和垂直分辨率最低。然后根据键盘的输入信息不同，进入不同的操作、显示模式，使人眼观察到最佳的波形效果。六、 系统测试分析1. 测试仪器PC（P4-1.6G，DDR256M内存）EE1642B1型函数信号发生器/计数器YUANLONG Oscillograph V-252 20MHz示波器金盾牌四路可调直流稳压电源胜利DT980四位半数字万用表2. 扫描速度测试测试条件：垂直灵敏度0.5V/div、Vpp=2V的正弦波。测试数据如下表所示：扫速(/div)2us20us200us2ms20ms输入频率133KHz13.4KHz1.34KHz137Hz13.5Hz实测频率125KHz12.5KHz1.25KHz125Hz12.5Hz误差6.0%6.7%6.7%8.7%7.4%3. 垂直灵敏度测试测试条件：30KHz的正弦波。测试数据如下表所示：垂直灵敏度1.0V/div0.5V/div0.1V/div0.01V/div信号峰-峰值8.0V4.0V1.0V0.5V0.4V0.1V40mV10mV测试值7.9V4.0V1.0V0.5V0.41V0.1V39mV10mV误差1.25%0002.5%02.5%04. 带宽测试测试条件：垂直灵敏度0.5V/div、Vpp= 2.0V的正弦波。测试数据如下表所示：信号频率/HzDC10100100010000100000200000300000测试Vpp/V2.0V2.0V2.0V2.0V2.0V2.0V2.0V1.8V测试结果表明，本设计的模拟带宽超过300KHz。七、 结束语经测试，本设计除水平分辨率(要求误差5%，实测误差7.1%)和带宽(要求500KHz，实测300KHz)两项指标未满足设计要求外，其它指标均达到或超过设计要求。八、 参考书目1.模拟电子技术王远 主编机械工业出版社2.单片计算机及其应用白驹衍、雷晓平 编电子科技大学出版社3.EDA技术实用教程潘松、黄继业 编科技出版社4.电子测量技术基础杨吉祥 主编东南大学出版社5.MCS-51系列单片机实用接口技术李华 主编北京航空航天大学出版社6.第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编全国大学生电子设计竞赛组委会 编北京理工大学出版社袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈