微机接口课设报告数字存储示波器设计Word格式.docx
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数字存储示波器设计
指
导
教
师
评
语
年月日
目录
一、设计任务与要求4
二、总体方案设计4
1、工作原理4
2、电路组成及功能作用4
三、硬件电路设计5
1.设计思路5
2.芯片应用及工作原理5
四、数字存储示波器程序设计7
1、程序流程图：
7
2、程序清单9
五、调试说明10
1、硬件电路调试及方法10
2、程序调试方法及过程10
六、结论11
1、课程设计结果11
2、收获及体会11
七、参考文献12
八、附录12
一、设计任务与要求
本设计通过简单的A/D转换接口电路，配合汇编语言程序设计，实现最基本的信号波形采集与存储，并通过简单的D/A转换接口电路，将存储的数据还原为信号波形，在普通示波器的屏幕上显示出来。
当按下S1时，电容C5完全放电，A/D转换器输入电压为零；
抬起S1时，电容C5开始充电，A/D转换器输入电压按RC过渡过程开始上升，最终达到+5V。
图中RC时间常数约为10ms，整个充电过程需要3～5倍的RC时间常数时间。
设计要求使用A/D转换器捕捉电容C5充电的完整过程，并将采样数据存储起来。
然后依次将采样数据通过D/A转换器循环输出，产生一定频率的重复波形，送到普通示波器显示。
基本要求：
使用一个D/A转换器通道，将信号波形施加到示波器的Y轴，X轴扫描信号由示波器产生并调节，实现RC充电过程的波形稳定显示。
发挥部分：
将示波器调整在X-Y方式，采样数据的D/A转换器输出接到Y轴输入端，增加一个D/A转换器通道，产生频率可变的X轴扫描信号，接到示波器X轴外部输入端，使RC充电过程的波形稳定显示。
二、总体方案设计
1、工作原理
使用ADC0809、DAC0832和相关外围电路元件，组成最基本的A/D转换和D/A转换电路。
要求具有单通道0～5V的电压输入范围，双通道0～5V的电压输出功能。
由A/D采集电容C5充电时的信号，将模拟波形变换成数字信息存储于单片机外部RAM中，需要显示时再从存储器中读出，通过D/A将数字信息变换成模拟电压值，死循环输出，产生重复波形并显示。
2、电路组成及功能作用
由ADC0809和相关外围电路元件组成最基本的A/D转换器，实现模拟量触发点的捕捉、被测信号的采集及模拟量到数字量的转换。
由DAC0832和相关外围电路元件组成最基本的D/A变换器，实现数字量到模拟量的转换。
单片机MCS-51的RAM（本实验起始地址为C000H）区用于存储模拟波形转换得到的数字信息。
通过读出显示，将D/A变换器转换得到的模拟量通过示波器输出显示，显示RC的充电过程波形。
电路中各部分通过数据总线、地址总线和若干控制线互相联系和交换信息。
三、硬件电路设计
1.设计思路
数字存储示波器主要通过A/D转换器接口电路、数据的存储和D/A转换器接口电路实现。
A/D接口电路主要应用的芯片是ADC0809。
ADC0809的数据线、地址线、读/写信号与单片机试验系统板连接，其片选信号来自实验系统板的地址译码器，有效地址范围为F000~F3FFH（PS4）。
把A/D采集到的数据存储到单片机外部数据存储区。
D/A接口电路主要应用的芯片是DAC0832。
DAC0832的数据线、地址线、读/写信号与单片机试验系统板连接，其片选信号来自实验系统板的地址译码器，U2{输出端为VO1}的有效地址范围为F800~FBFFH（PS6）。
U3（输出端为VO2）的有效地址范围为F400～F7FFH（PS5）。
2.芯片应用及工作原理
A/D、D/A接口实验的电路原理如图所示。
芯片ADC0809。
ADC0809是一个典型的逐次逼近型8位A/D转换器。
它由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。
它允许8路模拟量分时输入，转化后的数字量输出是三态的（总线型输出），可以直接与单片机数据总线相连接。
ADC0809采用+5V电源供电，外接工作时钟。
U8A将ALE信号2分频，产生500kHz的转换时钟，转换时间约为128μs。
U7B和U7C与片选信号PS4配合，完成ADC0809的通道选择、启动转换和数据读取。
U8B将EOC信号转换极性，生成INT0信号，向单片机提出中断请求，同时驱动L2发光，指示A/D转换已经完成。
ADC0809引脚图ADC0809内部结构图
当S1从按下状态抬起时，IN-6引脚将产生RC充电过程的电压变化，该变化过程可由ADC0809定时取样捕捉到，用于实现存储示波器的相关实验。
输入端VIN1和VIN2引到了实验卡的连接器J1上，用于连接外部的电压输入，相关的串联电阻和嵌位二极管组成保护电路，防止外部的电压输入过高造成ADC0809的损坏。
通过不同输入通道的选择和相关的电压调节，配合不同的试验程序，可以对ADC0809进行不同的实验测试。
Iout1模拟电流输出端1：
当输入数字为全”1”时,输出电流最大，约为：
Iout1=255VREF/256RFB
当输入数字为全”0”时,输出电流为0
Iout2模拟电流输出端2：
ADC0809与单片机链接
芯片DAC0832
数字量的值是由每一位的数字权叠加而得的。
一个8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。
输入可有28=256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。
如果一个二进制数据为1111，运算放大器的输入电流
I=-VREF/（2R）-VREF/（4R）-VREF/（8R）-VREF/（16R）
=-VREF/（2R）（20+2-1+2-2+2-3）
=-VREF/（24R）（23+22+21+20）
相应的输出电压
V0=IR0=-VREFR0（24R）（23+22+21+20）
将资料推广到n位，输出模拟量与输入数字量之间关系的一般表达式为：
V0=-VREFR0/（2nR）（Dn-12n-1+Dn-22n-2+…+D121+D020）（Di=1或0）
上式表明，输出电压V0除了和待转换的二进制数成比例外，还和网络电阻R、运算放大器反馈电阻R0、标准参考电压VREF有关。
D/A转换：
VO1的电压与DAC对应数据值的关系
VO1=date（DAC）/（FF+1）*VREF
通过拨码开关SW1的选择，可分别接入低通滤波电容C2（闭合SW1-1）和C3（闭合SW1-2），也可以改变参考电压的极性（SW1-3闭合时为-5V）和的工作模式（SW1-4闭合时为单缓冲）。
SW1-4断开时两片DAC0832均工作在双缓冲模式，第二级缓冲器的选通信号来自实验系统板地址译码器的PS7输出，其有效地址范围为FC00～FFFFH。
DAC0832引脚图DAC0832内部结构
DAC直流输出型8位数\摸转换器
输出端VO1和VO2引到了实验卡的连接器J1上，可用于连接外部电路，也可以连接万用表和示波器，以便测量输出电压和输出波形。
输出端VO1还通过限流电阻连接LED指示灯L1，可以观察到输出电压变化引起LED亮度的变化情况。
四、数字存储示波器程序设计
根据数字存储示波器的基本工作原理编写实验程序，实现触发点的捕捉、被测信号的采集和数据的存储以及信号波形的再现功能。
程序“开始”部分是初始化内容，包括指定堆栈指针SP；
设定采集数据的存储首地址，本设计为单片机外部RAM的C000H。
“数据采集”部分包括启动A/D转换、执行延时程序等待转换结束、取回转换结果，为S1是否按下提供参考数据。
“S1按下吗？
”部分为按键S1是否按下判断程序。
本设计采用上升沿触发方式，S1按下时产生下降沿。
当A/D采样数据大于判断点（20H）时，表明按键尚未按下，当A/D采样数据小于触发点时，表明按键已经按下，转入触发检测环节，循环存储采样数据。
当A/D采样值重新上升到大于或等于触发点数据时，便认为触发信号到来，转入下面的采样程序。
“采集并存储”部分包括启动A/D转换、执行延时程序等待转换结束、取回转换结果并存储到C000H开始的RAM中和存储器地址加1，为下次存储做准备等程序。
其中延时程序决定了数据采样周期，采样周期（延时时间）可初步设定在200μs，全部程序调试完成后，本设计数据存储深度为256字节，存满256字节后自动从头开始刷新。
“有触发吗？
”部分为触发点（触发点数据要大于等于S1按下判断点数据）判断程序。
本设计采用上升沿触发方式，当A/D采样数据小于触发点时，表明按键按下尚未抬起，继续循环存储采样数据。
当A/D采样值上升到大于或等于触发点数据时，表明按键按已抬起，便认为触发信号到来，转入下面的采样程序。
“设定存储字节数”程序将触发后的采样点数设定在128个字节。
接下来的“采集并存储”部分与前面叙述的完全相同。
“完成吗？
”判断128个字节的采样是否完成，如果完成就进入下面的D/A转换程序。
这样在256个字节的存储器中，就包含了触发前、后各128字节的采样数据，可完全记录电容C5充电前后的电压变化波形。
“设定初始地址”部分将数据指针重新设定在C000H。
“输出存储的数据”程序将数据存储器中的A/D采样值送到D/A转换器输出。
“地址＋1”程序修改数据指针的低8位地址，使数据存储器地址在C000H～C0FFH之间自动循环。
这样便可以通过D/A转换器反复重现电容C5充电过程的完整波形，实现存储波形的稳定显示。
2、程序清单
ORG:
0100H地址机器码
MOVDPTR,#0F006H0100H:
90H,0F0H,06H
MOVP2，#0C0H0103H:
75H,0A0H,0C0H
MOVR0，#00H0106H:
78H,00H
NEXT:
LCALLAD0108H:
12H,03H,00H
CLRC010BH:
0C3H
CJNEA,#20H,CP010CH:
0B4H,20H,00H
CP:
JNCNEXT010FH:
50H,0F7H
P1：
LCALLAD0111H:
MOVX@R0，A0114H:
0F2H
INCR00115H:
08H
CLRC0116H:
CJNEA,#30H,P20117H:
0B4H,30H,00H
P2：
JCP1011AH:
40H,0F5H
MOVP2，#0C0H011CH:
MOVR3，#80H011FH:
7BH,80H
P3：
LCALLAD0121H:
MOVX@R0，A0124H:
INCR00125H:
DJNZR3，P30126H:
0DBH,0F9H
DA:
MOVP2，#0C0H0128H:
MOVR0，#00H012BH:
P4：
MOVDPTR,#0F800H012DH:
90H,0F8H,00H
MOVXA,@R00130H:
0E2H
MOVX@DPTR,A0131H:
0F0H
INCR00132H:
SJMPP40133H:
80H,0F8H
0300H
AD:
MOVDPTR,#0F006H0300H:
MOVX@DPTR,A0303H:
LCALLDELAY0304H:
12H,04H,00H
MOVXA,@DPTR0307H:
0E0H
RET0308H:
22H
0400H
DELAY:
MOVR6,#32H0400H:
7EH,32H
DJNER6,$0402H:
0DEH,0FEH
RET0403H:
;
发挥部分将DA部分改为
MOVP2,#0C0H0128H:
MOVR0,#00H012BH:
MOVR5,#00H012DH:
7DH,00H
MOVDPTR,#0F800H012FH:
MOVX@DPTR,A0133H:
MOVDPTR,#0F400H0134H:
90H,0F4H,00H
MOVA,R50137H:
0EDH
MOVX@DPTR,A0138H:
INCR00139H:
INCR5013AH:
0DH
SJMPP4013BH:
80H,0F2H
五、调试说明
1、硬件电路调试及方法
RP2为参考电压调节电位器，RP3为VO1输出的调零电位器，RP1为VO1输出的满度调节电位器。
RP4为参考电压调节电位器，RP5为ADC0809的IN-7输入电压调节电位器。
可以通过SW1-3改变参考电压的极性（SW1-3闭合时为-5V）。
2、程序调试方法及过程
存储示波器的硬件电路调试分为A/D和D/A两个部分，参见附录电路原理图。
A/D转换器部分只要调节RP4使基准电压VREF2为最大值（VCC）即可。
D/A转换器部分，首先调节RP2和SW1-3，使基准电压VREF1为-5.00V。
然后向D/A转换器写入00H，调节RP3，使VO1输出电压为0V；
再向D/A转换器写入FFH，调节RP1，使VO1输出电压为5.00V。
存储示波器的控制程序可分为三个步骤进行调试：
（1）A/D转换部分调试。
无条件循环执行数据采集和存储程序，分别在S1按下和抬起状态终止程序的执行（按MON键），观察存储器中采集到的数据是否全部为00H或FFH。
如果是，则说明A/D转换和数据存储程序工作正常，否则说明A/D转换和数据存储程序不正常工作。
（2）D/A转换部分调试。
将存储器中输入一些有规律的数据，例如多个FFH和OOH，循环执行D/A转换程序，看示波器中是否有对应的高、低电压波形出现。
如果有，则说明D/A转换程序工作正常，否则说明D/A转换程序没有正常工作。
（3）触发点捕捉部分调试。
连续执行全部程序，在不断的按下和抬起S1时，按下MON键，根据当前PC值，确定程序终止在哪个部分的循环程序中，判断相关指令的使用是否正确。
在程序调试期间出现了很多问题：
在S1按下和抬起状态终止程序的执行（按MON键），观察存储器中采集到的数据不全部为00H或FFH，既没有采集到数据，导致不能循环输出存储器中采集到的数据，经过仔细分析采集数据和存储的过程，发现跳转的偏移量计算错误。
纠正错误后C000H里储存的数据变化正确，但示波器中波形出现是干扰波，不是理想充电波形。
通过单步执行程序发现在D/A输出的时候，程序机器码查错了，经过调试终于出现了预期的波形。
六、结论
1、课程设计结果
RC充电过程波形发挥部分波形
2、收获及体会
每学期末都会有课程设计，这是锻炼我们实践操作的机会，每次结束后都会学到很多东西，更深刻的理解理论知识。
接口课设我掌握了多种接口的软硬件设计基本思路和调试方法，对数字存储示波器的工作原理有了更深刻的认识，同时在设计过程中应用到了实验中的A/D、D/A转换实验，前面的实验基础对这次课设有很大帮助，完成后我更加了解了A/D、D/A接口实验扩展卡电路原理图及其工作原理；
在查阅资料的过程中也对DAC0832芯片和ADC0809芯片的外部引脚和内部结构有了总体的认识；
由于在设计过程中要用到数据的存储因此对单片机中RAM区数据的读写也得到了巩固；
D/A、A/D转换中涉及到的数据指针初始化是对单片机片选信号的分析；
在用示波器调试RC充电波形的同时也是对示波器的使用及调节的一种检验。
只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
课下将程序编写好，开始我将触发后的采集数据固定的存放在某个地址后，但通过对数字存储示波器的进一步理解，我纠正了自己的错误，改写程序并进行调试，程序跳转、偏移量的计算还有机器码的正误，都特别重要，每个环节都不能出错，开始时在C000H开始后的存储数据随机，即没有存入采样数据，修改了跳转语句的偏移量后，RAM的存储数据呈现规律变化，可是示波器却显示不出波形，多次调试都无法实现，后来无奈发现机器码差错了。
最后波形正确，课设结束。
通过课程设计加深了对《微机接口技术》、《电子测量技术》和《单片机原理及应用》等课程知识的掌握与综合运用能力，提高了以图纸和说明书表达设计思想和结果的能力，培养了在实际工程设计中严谨认真的工作态度、创新意识及动手能力，为后续课程的学习以及毕业后从事微机硬件及软件开发打下基础，积累初步的经验。
七、参考文献
[1]微型计算机接口技术及应用第1版刘乐善武汉：
华中科技大学出版社，2000
[2]电子测量技术基础第1版张永瑞西安：
西安电子技大学出版社，1994
[3]数字电子技术基础第4版阎石北京：
高等教育出版社，2002
[4]模拟电子技术基础第3版童诗白北京：
高等教育出版社，2000
[5]单片微型计算机原理与接口技术高锋北京：
科学出版社，2003
八、附录
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