基于单片机的数字存储示波器设计.docx

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基于单片机的数字存储示波器设计

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10

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

3.3A/D转换电路18

3.3.IADC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

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34

参考文献36

1前言

1.1选题的背景意义和研究现状

1.1.1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）O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釆集，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儿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釆集，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。

1.1.2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,乂称数字示波器）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（GOUId）公司生产的4035,HP公司生产的HP54200o1986年--1994年，伴随拓速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1OOMHZ以上，DSo已经完全取代了模拟示波器。

20（M年10月，AGlLENT公司推出了具震撼性的DS081304A数字存储示波器，带宽3GHz,上升时间23ps,最高釆样率40GHzo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IooMHZ以下带宽的通用DSo方向发展，并且性价比迅速提高。

1996年，AGlLENT公司面向通用DSo市场推出了IOOMHZ带宽的数字存储示波器54645A及首款混合信号示波器54645D。

AGlLENT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EAX等。

通用DSo的单台价格己接近同档次的模拟示波器水平。

口前，IOOMHZ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。

Lr前，IooMHZ数字存储示波器的代表性产品，国外的主要有AgiIent公司的5000系列,TektroniX公司的TDSIOO0.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TIGHZo98年把取样率提高到lGSa/so研制中的IOOMHZ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

1.2.1设计的基本要求

1.要求仪器的输入阻抗大于100KΩo

2.要求设置0.6ms∕div∖1.2ms∕div二档扫描速度，误差W10%。

3.要求设置0.5V∕div>0.75V∕div二挡垂直灵敬度，误差W10%。

4.仪器的频率范围为DC~10kHz,触发方式釆用内触发。

5.观测波形无明显失真。

1.2.2课题的具体工作内容

1.原始数据

（1）输入信号：

0〜5V、频率（0〜IKHZ）O

（2）存储深度320Be

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）根据设汁测量范围和准确度要求，通过理论分析和汁算选择电路参数;

（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

1.2.3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。

2数字示波器的基本原理

2.1数字存储示波器的基木原理

2.1.1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，它乂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。

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，点的垂直屏幕位置山对应的存储单元的二进制数据给出，点的水平屏幕位置山对应的存储单元二进制地址给出。

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-ONH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OOH-ONH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。

2.1.2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讣算的结果，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。

山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，示波器在测量程序控制下，根据光标的位置来完成测