简易数字示波器设计.docx

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简易数字示波器设计

本科毕业设计论文

题目简易数字示波器设计

系别电气与信息工程系

专业电子信息工程

班级电信学号

学生

指导教师

2013年6月

摘要

示波器是电子测量中一种最常用的仪器，被广泛应用于各个领域。

随着微电子技术和计算机技术的飞速开展，示波器也从模拟示波器向数字示波器开展。

同模拟示波器相比，数字示波器具有很多优点，并开始逐步取代模拟示波器，成为市场上的主流。

本文主要完成了简易数字示波器的设计，包括硬件设计〔通过Proteus仿真替代〕和软件设计两大局部。

硬件设计上，信号波形采集采用的是12位逐次逼近型A/D转换器AD574A，转换时间为25us，转换精度小于等于0.05%。

控制器选用AT89C52与AT89C51两个单片机，解决了一般示波器使用一片单片机，运行速度明显不足的问题。

波形显示局部采用液晶显示模块，具有简单易实现、显示效果好等优点。

频率显示局部采用的是6位数码管显示，简单易行。

Proteus仿真明确，该设计运算速度明显提高。

频率显示准确，可以实现快速读取。

该示波器可以实现对模拟带宽为1Hz～20KHz的模拟信号的波形和频率的实时显示。

关键词：

单片机；实时采样；波形；频率

ABSTRACT

Anoscilloscopeiselectronicmeasurementinstrument,themostmonlyusedwidelyappliedinvariousfields.Withmicroelectronicsandputertechnologyrapiddevelopmentfromanalogueoscilloscope,oscilloscopetodigitaloscilloscopesdevelopment.paredwithanalogueoscilloscope,digitaloscilloscopesstarthasmanyadvantages,andgraduallyreplacinganalogueoscilloscope,beethemainstreaminthemarket.

Thispaperhaspletedthedesignofsimpledigitaloscilloscopes,includinghardwaredesignandsoftwaredesign.Thehardwaredesign,thesignalwaveformsamplingby12successiveapproximationoftheA/DconverterAD574Aconversiontime,fortimeislessthanorequalto25usconversion,precision0.05%.ControllerchoosesAT89C52andsingle-chipmicroputer,solvethetwoAT89C51single-chipmicroputer,amonlyusedoscilloscopeshortageproblemrunningspeed.WaveformdisplaypartadoptsLCDmoduleissimpleandeasytorealizeandshowsgoodeffect,etc.Frequencydisplaypartadoptsissixdigitaldisplay,simpletube.

Proteussimulationshowsthatthedesignspeedincreasedsignificantly.Frequencydisplaycorrectly,canachieverapidread.Theoscilloscopecanrealizetosimulate1Hz~20KHzbandwidthreal-timedisplayofthewaveformandfrequencyoftheanalogsignal

KeyWords:

SCM;Real-timesampling;Waveform;Frequency

1前言

选题的背景意义和研究现状

选题的背景和意义

1909年的诺贝尔物理奖得主KarlFerdinandBraun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（BraunTube）。

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开展的时代，随着电子技术、计算机技术、通信技术和自动化技术的高速开展,电子测量仪器也有了巨大的开展。

数字示波器就以其存储波形与多种信号分析、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局部等等。

数字示波器是随着数字集成电路技术的开展而出现的新型智能化示波器，己经成为电子测量领域的根底测试仪器。

随着新技术、新器件的开展，它正在向宽带化、模块化、多功能和网络化的方向开展。

数字示波器的优势是可以实现高带宽与强大的分析功能。

现在高端数字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与职业学校的教学，为社会培养众多的后备人才。

数字示波器的技术根底是数据采集，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开展趋势，我选择了简易数字示波器这个题目作为我的大学毕业设计题目。

国外研究现状

自从1972年世界上第一台数字示波器〔DSO〕问世以来，经历了三个开展阶段。

1986年以前为DSO开展的初期阶段，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的迅速开展，DSO的开展也进入了快车道，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DS081304A数字示波器，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方向开展，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带宽的数字示波器54645A与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开展。

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、的固纬公司、国的中国电子科技集团第41研究所和普源精电公司等。

1.2本设计所要实现的目标

本文设计的目的主要是利用A/D转换模块、控制器〔本文中采用单片机〕、液晶显示模块等配合外围电路实现对输入量的波形和频率显示。

用户只需要把待测信号输入转换器，不用其他的操作，示波器自动在显示器上显示波形和频率

设计容

在本设计中，硬件设计分为两个局部———波形显示电路和频率显示电路，波形显示电路中，首先使用A/D转换器，对输入的模拟信号数字化，以使单片机能够识别，同时，还要使用单片机控制A/D转换器。

对于A/D转换器采样的数据，经过转换之后单片机可以直接读取，对于读取的数据，通过单片机输出，经过显示器，直接显示波形。

频率显示电路中，利用外围电路对信号进展采集，转换为上下电平之后，单片机读取，输出，利用数码管显示频率

2系统设计

在本系统设计中，主要包括两大局部：

1〕信号频率测量系统；2〕信号波形显示系统。

见图2-1和图2-2。

图2-1信号波形显示系统框图

图2-2测频电路方框图信号

3数字示波器的硬件设计与实现

频率测量与显示电路的硬件设计

该局部主要由前端电路、控制器AT89C51、数码管显示电路三局部组成。

测频电路总体构成

测频电路由前端放大电路，整流电路，以与显示电路，通过AT89C51单片机控制，达到只要有输入信号，就能正确的显示信号频率。

接线图见图3-1。

图3-1测频电路总接线图

信号调理电路设计

信号调理电路主要包括同相比例放大电路和整流电路两局部。

同向比例放大器：

运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元，实际电路中，通常结合反应网络共同组成某种功能模块。

由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器〞，此名称一直延续至今。

运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。

随着半导体技术的开展，如今绝大局部的运放是以单芯片的形式存在。

现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。

本系统中同相比例放大的实现是电压放大电路根据输入电压幅值的不同围分为八个档，输入电压幅值在0--5V之间，八个档分别是～、～、～、～、～、～、～、～，放大倍数依次为25、16、10、6、4、3、2、。

运放采用LM1875T高精度高速低噪声运算放大器。

电路结构采用同相比例放大电路，即放大电路的输入信号由同相输入端接入，反应电阻一端接运放的输出，一端接运放的反相输入端，反相输入端通过一电阻接地。

反应网络由八个电阻并联组成，且每个反应电阻与运放输出之间由一单刀双掷开关连接，形成八档。

设反相端接地的电阻为R1，反应电阻为Rp，设放大倍数为Ai，i从0取到7，依次对应前面的八档。

由于放大器的开环放大倍数〔即开环增益〕很大，如此由运放的深度负反应的原理得同相比例放大电路的闭环放大增益Ai与电阻R1和反应电阻Rp的关系如下：

。

由该公式可知，假如R1为1千欧，结合各档所需放大倍数，如此得Rpi〔i从0取到7〕依次为24、15、9、5、3、2、1、〔单位均为千欧〕。

运算放大电路接线图如图3-2所示

图3-2放大电路接线图

整流电路

由于输入信号可能很小，而本文采用的整流器件是光耦P521，其输入端部是发光二极管，所以输入信号假如太小就不能驱动该二极管，光耦就不能正常工作，所以必须有电压放大电路。

放大电路保证了光耦正常工作所需的电压，但通过光耦的电流不应超过光耦中发光二极管的额定电流，故在运放输出端与光耦之间接入一较大电阻限流。

要利用单片机的端口进展频率测量，就必须把待测信号转换成满足单片机要求的方波脉冲信号。

在本文中，光耦P521的使用就是为了实现这一要求。

光耦P521的1、2两脚为输入，在部1脚接发光二极管的阳极，2脚接发光二极管的阴极，3、4脚为输出端，部为一光敏三极管，3脚接三极管的集电极，4脚接发射极。

所以当输入信号的正半局部通过使输入端的发光二极管导通发光时，输出端的光敏三极管在二极管发出的光的作用下导通，当二极管截止时，光敏三极管也截止，随着输入信号的变化，光敏三极管随着导通截止，这样在输出端就产生了频率和输入信号一样的方波信号。

整流电路见图3-3。

图3-3整流电路接线图

数码管显示模块

本系统该局部的数据显示采用数码管动态显示。

动态显示的接线见图3-4。

本系统中控制器AT89C51的P0口用作字形口，P2口用作字位口。

对应本文电路中的八位LED显示器，AT89C51单片机部RAM中设置了8个显示缓冲单元0072H～0079H，存放8位欲显示的字符数据。

AT89C51单片机的P2口扫描输出总是有一位为高电平，以选中相应的字位。

单片机的P1口输出相应位的显示字符段数据，使该位显示出相应字符，其它位为暗。

依次改变P2口输出为高电平的位与P0口输出对应的段数据，8位LED显示器就可以显示出缓冲器中字符数据所确定的字符。

数码管显示驱动模块

数码管显示驱动选用74LS245集成模块。

74LS245是我们常用的芯片，用来驱动LED或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。

74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。

P0口总线负载达到或超过P0的最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。

当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0〞，信号由B向A传输〔接收〕；DIR=“1〞，信号由A向B传输〔发送〕；当CE为高电平时，A、B均为高阻态。

由于P2口始终输出地址的高8位，接口时74LS245的三态控制端1G和2G接地，P2口与驱动器输入线对应相连。

P0口与74LS245输入端相连,E端接地，保证数据线畅通。

单片机的/RD和/PSEN相与后接DIR，使得RD且PSEN有效时，74LS245输入〔P0.1←D1〕，其它时间处于输出〔P0.1→D1〕。

具体接线图见图3-4

幅度测量与显示模块的硬件设计

显示电路主要包括转换电路，显示电路，以与外围电路。

所实现的功能是只要有信号输入，不需要调节就能直接显示出信号波形。

本设计中使用的主控芯片是AT89C52。

AT89C52

AT89C52是ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机。

片含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器〔PEROM〕和256bytes的随机存取数据存储器〔RAM〕，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统与80C52产品引脚兼容，片置通用8位中央处理器〔CPU〕和FLASH由存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

主要工作特性：

与MCS-51和80C52产品指令和引脚完全兼容；

片程序存储含8KB的FLASH程序存储器，1000次可擦写周期；

其工作频率全静态操作：

0HZ-24MHZ；

具有可编程的3级加密程序锁定位；

片数据存储器含256字节的RAM；

具有32根可编程I/O口线；

具有3个16位可编程定时／计数器；

中断系统具有8个中断源6个中断矢量2级优先权的中断机构；

图3-4显示模块接线图

低功耗的工作模式有空闲模式和掉电模式；

串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；

具有一个数据指针DPTR。

功能特性概述：

AT89C52提供以下标准功能：

片程序存储含8KB的FLASH程序存储器，片数据存储器含256字节的RAM,32个I/O口线，3个16位定时／计数器，中断系统具有8个中断源6个中断矢量，一个全双工串行通信口，片振荡器与时钟电路。

同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器．串行通信口与中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位.

功能引脚说明：

Vcc:

电源电压

GND:

地

P0：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时．每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址〔低8位〕和数据总线复用，在访问期间激活部上拉电阻。

在FLASH由编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：

P1是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流〔IIL〕

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入〔P1.0/T2〕和输入〔P1.1/T2EX）,FLASH编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址，如下表3-1。

P2口：

P2是一个带有部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑电路。

对端口P2写“1"，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流〔IIL〕。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器〔例如执行MOVXDPTR指令〕时，P2送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器、如执行MOVXRI指令〕时，P2口输出P2锁存器的容。

表3-1P1引脚的特殊功能

引脚号

功能特性

T2〔定时/计数器2外部计数脉冲输入〕，时钟输出。

T2EX（定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制〕

FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3口：

P3口是一组带有部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流〕4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流〔IIL）.

P3口除了作为一般的I/0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3-2所示：

此外，P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

ALE/PROG:

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许〕输出脉冲用于锁存地址的低8位字节．一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能存放器〔SFR〕区中的8EH单元的D0位置位．可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活,此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

PSEN:

程序储存允许PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令〔或数据〕时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

表3-2p3口的第二功能

端口引脚

第二功能

RXD（串行口输入）

TXD〔串行口输出〕

INT0（外部中断0〕

INT1〔外部中断1〕

T0〔定时/计数0〕

T1〔定时/计数1〕

WR〔外部数据存储器写选通〕

RD〔外部数据存储器读选通〕

EA/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH）,EA端必须保持低电平（接地〕．需注意的是：

如果加密位LBI被编程，复位时部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平〔接Vcc端〕,CPU如此执行部程序存储器中的指令。

FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。

XTAL1：

振荡器反相放大器与部时钟发生器的输入端．

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

特殊功能存放器：

在AT89C52片存储器中，80H-FFH共128个单元为特殊功能存放器〔SFE）,SFR的地址符号与复位如表3-3所示。

表3-3AT89C52SFR符号与复位状态

地址

符号与复位

80H

P011111111

SP00000111

DPL00000000

DPH00000000

PCON0***0000

88H

TCON00000000

TMOD00000000

TL0

00000000

TL1000000000

TH000000000

TH100000000

90H

P111111111

98H

SCON0000000

SBUF********

0A0H

P211111111

0A8H

IE0*000000

0B0H

P311111111

0B8H

IP**000000

0C0H

0C8H

T2CON00000000

T2MOD**000000

RCAP2L00000000

RCAP2H00000000

TL200000000

TH200000000

0D0H

PSW00000000

0D8H

0E0H

ACC00000000

0E8H

0F0H

B00000000

0F8H

并非所有的地址都被定义，从80H-FFH共128个字节只有一局部被定义，还有相当一局部没有定义。

对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数位将不确定，而写入的数据也将丢失。

不应将数据"1"写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。

AT89C52除有定时/计数器0和定时/计数器1外，还有定时/计数和状态位位于T2CON〔参见表3-4）T2CON〔参见表3-5〕，存放器对〔RCA02H、RCAP2L〕是定时器2在16位捕获方式或16位自动重装载方式下的捕获/自动重装载存放器。

T2CON地址=0C8H复位值=00000000B可寻地址

表3-4定时/计数器2控制存放器T2CON

TF2

EXF2

RCK

TCLK

EXEN2

TR2