双通道数字存储示波器设计方案报告说明书唐甜

PAGEPAGE2集成电路应用技术课程设计报告双通道数字存储示波器院(系）：自动化学院专业：自动化姓名:唐甜学号：08００４1432００7年6月8日TOＣ\ｏ”1－３”\h\z＼ｕＨYＰERLINＫ\l＂_Ｔoc1691769２3”一、 题目要求:ﻩPAGＥREF_Ｔoc1６９176923＼ｈ3HYPERＬIＮK\l”_Toc1691７６92４"二、ﻩ系统总体技术方案：ﻩPAGＥREF_Tｏc16９176924＼h3HYPERＬINＫ1、功能:ﻩPAＧEＲEＦ_Tｏc16９17６９26\ｈ３HYPERＬＩNK＼l"_Tｏc1６9１７69２7”2、ﻩ指标ﻩPAGEREF_Ｔｏｃ１691769２７\ｈ3HYPEＲLINK\l＂_Tｏｃ16９1769２8”四、ﻩ硬件设计选择:ﻩPＡGEＲEF＿Tｏc1６９1７６92８＼h４ＨYＰＥRLＩＮK＼ｌ＂＿Toc1691769２9＂（1）微处理器选择ﻩＰＡGEＲEF_Ｔｏｃ１69１７6929\h４ＨＹPERＬINK\ｌ＂＿Ｔoｃ1６９1７69３0”（２)A/D模块 ＰＡGＥＲEＦ_Toc1691７6９3０\h4HYPEＲLＩＮK\l”_Toc16９１７６931”(３）输入缓存： PＡGＥREＦ_Ｔoc16917６９31\h４HYＰERLＩＮK＼l＂_Ｔoc１69１76932＂（4）输入调理模块： PAGEＲＥＦ＿Ｔoc16９1769３2\h5ＨYPEＲLINK＼l"_Toc１6９1７6９33＂(5)数据存储模块ﻩ６93３\h5HＹPERＬINK＼ｌ"_Ｔoc16９17６934”（6）液晶显示模块ﻩＰAGＥREF＿Tｏc16917６9３4\h６ＨYPEＲＬIＮK＼l”_Ｔoｃ１６91７69３５"（７）按键操作模块ﻩPＡＧERＥF＿Toｃ１６91７6935\h７HYPEＲLＩNK＼ｌ”＿Toc16９17６９３６”五、ﻩ软件设计：ﻩPＡGＥRＥF_Ｔｏc169176936＼ｈ7HYＰERLIＮＫ1、软件调试 PAGＥREＦ_Toc1６9１7６940\ｈ10HYＰERLＩNK＼l＂_Toｃ１6９17694１"２、硬件调试ﻩPＡGEREＦ＿Toｃ１691７６9４1\ｈ1０题目要求：设计一个双通道数字存储示波器功能：ﻩ显示信号波形ﻩﻩ 测量信号的幅值,频率ﻩﻩ 信号触发捕捉、存储ﻩﻩﻩ选择测量内容 ﻩ具有灵敏度调节指标:ﻩ信号幅度范围0．001~100Vﻩﻩﻩ测量精度1％ﻩ ﻩ测量信号频率0．1～1ＭＨz系统总体技术方案:现在的数字存储示波器一般都是由微处理器、数字存储器、Ａ/D、D/A转换器为核心的，输入信号经过Ａ／D转换器把模拟波形转换为数字信息,存储在数字存储器里；显示时，再把信号从存储器中读出,经D/Ａ转换器转换为模拟波形显示。一般波形可显示点阵液晶显示器上，也可以通过接口与计算机接口，做成虚拟仪器。设计以单片机为处理中心，双通道通过两个输入调理模块进入高速Ａ/D（A/D采样频率超过１MHz，以达到指标要求),波形用数字存储器来存储，分别选通奇偶地址来存储双通道。显示时，经D／A转换器还原，在输入到点阵液晶显示器显示。其中所有选择操作都用一个外置键盘来产生.功能指标设计分析及要求满足：１、功能:（１)显示信号波形:用点阵液晶显示器LM６０２３B实现。（2）测量信号的幅值,频率：是数字存储示波器的基本功能.(3）信号触发捕捉、存储：用专门的数字存储器存储波形。（４）选择测量内容：用微处理器通过读键盘按钮值来实现选择.（５）灵敏度调节:涉及到对大小不同信号的不同处理.对大信号进行衰减、对小信号进行放大。通过软件编程来实现，微处理器来控制在输入调理模块中的无源衰减网络、宽带放大/衰减器环节来达到灵敏度调节。指标:（１）测量精度1％：故每次测量误差要不超过100＊0。０1=1V可见要求还是不高的.若显示为８格（普通示波器标准）,则要求显示幅度在--4到4V之间。(２)信号幅度范围0.０01~10０V:考虑到设计选用的Ａ／Ｄ芯片ＡＤ9２8３的输入电压为—１~1ﻩV,故需要用多档程控增益放大来实现输入的保证—１～1ﻩＶ内。考虑到测量精度的要求,把显示－—4到４Ｖ能输入到AD9２83,故程控增益放大倍数要为０。２５的倍数,取０.２５,拟采用3级放大,放大倍数分别为：0．２5、２.5、２5。(３)测量信号频率０.1~1MHｚ:由于系统最大频率要求为1ＭＨｚ，根据Nyquｉsｔ定律，采样频率应该在2MHｚ以上。A/D芯片ＡＤ９28３完全能满足,其最大采样频率能达到１00ＭＨz。硬件设计选择：该硬件电路初步设想由微处理器、Ａ/Ｄ、D/A转换器、输入调理、控制处理、数据存储、液晶显示和按键操作等模块组成。系统总体结构框图：通道信号调理通道信号调理AD9283CH2CH1按键操作模块液晶显示模块LM6023BA/D9283A/D9283数据存储模块AT29C256D/AD/A(1）微处理器选择:CPＵ选择可有很多种方案,如考虑到速度,功效等,可采用高速单片机，也可以考虑节约器件和制作的麻烦度可选的芯片,如高性能的数据采集与处理系统芯片，有内置A/D转换器的芯片。一开始我想选用ADμC8４８作为控制处理核心。因为它具有高速度、高精度、大容量存储、低功耗等特点,主要是片内集成一个８通道最大采样频率可达１.３kＨz的1６位ΣΔADC,可以方便满足我们双通道输入的要求.但后来考虑到我们的要求１ＭHz的测量信号频率，而ＡDμC848片内集成ADC最大采样频率才１.3kＨz，这样我们的输入调理模块就会很复杂和难以制作，故ＡDC最好用高速模数转换器.最后采用DＳ8０C３２0高速单片机,它的单指令周期只需四个机器振荡周期完成；在相同的时钟频率下它的运行速度是51系列单片机的3倍,并且时钟频率可达4０M。最重要的是它有2个数据指针DＰTR0和DＰTR1。两个数据指针的设置使得单片机对RＡM的读写更加方便、快捷，进一步提高了单片机存取数据的速度,方便于我们双通道的应用。(２）A／D模块：由前面的分析知,我们要选用一片高速模数转换器（Ａnaｌog－ｔo-DigｉtalCoｎｖerter，ADＣ)，它要完成模拟信号到数字信号的转换,精度、速度指标决定了仪器的主要指标，因此选择、设计合适的高速ADC系统成为仪器设计的重中之重。最后选用的是AD９283,AD9283是一个8位的单片集成采样模数转换器，内置低成本、低功耗、易于使用的采保电路。它可以工作在1０0MSps的转换率，在整个工作范围内都有很好的动态性能.它的模拟带宽为475MHz，功耗为９0mW,参考源为内部+1。２５V基准电压或外接标准源，由+3。0V单电源供电。利用多个AＤC，采用前端并行逐次采样,后端串行多路复用，从而大大提高了整个系统的速度。用两片ＡＤ9２83来实现双通道的要求。（3)输入缓存：由于采用2０0MＳｐｓ转换速率的AＤC,采样时钟的相位相对于DＳＰ读时钟是不断变化的,所以从ＡDＣ高速输出的数据需要进行缓存.而ＦIFO可以消除存取频率、相位之间的不匹配因素,保证数据传输的可靠性。ADC的采样数据以并行方式流入FIFO入口.数据采集原理:前端信号调理前端信号调理前端信号调理A/D9283A/D9283AD9283FIFO1FIFO2调零校准（4）输入调理模块：输入调理模块是硬件模块中最重要的部分。采用程控宽带信号调理模块。程控宽带信号调理模块由高阻输入无源衰减网络、宽带放大/衰减器、抗混叠滤波器组成，并且在本模块中要插入耦合方式、带宽限制、移位等可实现程控调理电路程控宽带信号调理模块原理图/10衰减或直通/10衰减或直通X25/X2.5/X0.25可变增益放大/衰减驱动级增益电压偏置电压/10衰减或直通X25/X2.5/X0.25为了满足系统对信号调理要求,宽带放大/衰减分为三级,分别是前置放大级、可变增益放大/衰减级和驱动放大级.由前置放大级的放大倍率固定,可变增益放大/衰减级的控制通过串行数模转换器由微处理器控制，输出驱动级加入直流馈入,调整直流偏置电压。(５）数据存储模块系统采用大容量、非易失性存储器AＴ2９Ｃ2５6作为主要数据存储模块，占用低32KB地址单元.AT２9C256是一种只需单+5V电源的闪速在线可编程、可擦除只读存储器EＰＲＯM，256K的存储器被组态为327６8个8位字，由于采用了先进的非易失ＣMＯS工艺制造技术,该器件存取时间短、功耗低。从器件中读取数据操作和静态ＲＡM一样，但ＡT29C25６的重编程和静态RＡM则不一样，它是按页进行的，１次装入64Ｂ数据,并同时被编程。整个器件的内容可用１个6Ｂ软件代码擦除,当1个重编程周期开始时，地址单元和６4B数据在内部锁存，这时释放地址和数据总线作其他工作。编程周期开始后,器件将自动进行页擦除，随后用户内部控制计时器编程锁存数据.编程周期的结束可由I/０7的数据轮询检测出，一旦检测出1个编程周期的结束，便可开始新一轮读取、编程或芯片擦除操作.AT２９Ｃ２56与ＡD９2８3的接口电路如下（6）液晶显示模块液晶模块选用LM6023B液晶模块是一款128×6４点阵的小型液晶显示系统，由行驱动器Ｓ1D1６70０、列驱动器S1D1５３00、点阵面板和背灯电路组成。接收8位并行数据的同时可将数据显示,并存储在片内的数据存储器中(DＤRＡＭ）.ＤＤＲAM中的数据显示单元与液晶屏的点阵单元存在一一对应关系，并且LＭ６0２3Ｂ液晶模块数据的读写操作不受外部时钟的控制，因而LＭ6023Ｂ的显示具有很高的灵活性。ＬM６０23Ｂ液晶模块带有液晶必需的电源驱动电路，这样可用最少的元件和最小的功耗实现模块的功能。液晶显示模块ＬM6023B的功能是显示相关菜单和数据波形。菜单主要是由汉字和符号组成，可以通过字模提取软件产生与之对应的１6进制的数据送液晶显示。数据波形是一系列的曲线,在液晶上要显示这些曲线需要将相应的点阵显示。对于一条数据曲线，起始显示数据点在起始列仅显示一点，从第二个数据点开始,要在下一列显示上一数据点到此次数据点之间的线段。LM６０23Ｂ与AＤ９283的接口电路如下(7)按键操作模块用独立式按键,直接由I／O口线P1．２、P１。３、P1．４和P３。2构成单个按键电路。每个按键单独占有一根Ｉ/O口线,且其工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态.在使用过程中，每个按键和液晶菜单相联系，要在单一按键上实现不同的功能,简单的独立式按键电路不能满足设计的需要，因此必须使用软按键轮询技术。软按键轮询技术是用于将菜单和按键组合在一起的用户界面新技术，该技术使得用户可以在单一功能键上进行多种选择。软件设计:软件主要由以下几个功能模块组成：初始化、菜单显示和定时器/计数器0中断服务程序。软件的设计采用顺序设计的方法。·初始化程序主要包括控制处理模块ＤS8０C３20、Ａ/D、D／Ａ模块、液晶显示模块LM6023Ｂ和数据存储模块AＴ29Ｃ25６的初始化.·菜单显示程序主要是依据按键值，显示各种功能菜单。·定时器/计数器0中断服务程序主要是依据按键值,进入相应的数据波形显示，包括选择测量内容、信号触发捕捉、存储、灵敏度调节等内容。软件流程框图：开始开始初始化查键盘、读入各项参数是否允许采集选择存储或处理采集是否结束回读数据数据处理D/A转换显示模块NNNYYY选择测量内容循环结束数据存储和数据输出模块子流程:选择测量通道选择存储地址奇地址选择测量通道选择存储地址奇地址偶地址存储完CH1CH2N奇地址奇地址偶地址选择测量通道CH1CH1双踪存储完NN说明:两路信号的数据分别存储在ＲAM的奇、偶地址,双踪显示时,先扫描奇地址的数据，然后再扫描偶地址的数据.系统调试与测试方案分为软件调试和硬件调试。１、软件调试通过编译器,分几步满足：（1)、初始化:通过编译器单步运行程序,读各个状态（指令或寄存器)的实际值，观察初始化的成功与否,包括单片机、A