数字存储示波器Word格式文档下载.docx
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基本可以保证一般情况输入信号通过该电压跟随器之后没有任何失真。
综上选择方案二作为数据输入电路。
2数据采集
采用A/D转换器，直接利用单片机控制数据的采样。
采样信号的频率受限于单片机的工作频率。
但能满足一般情况的采集，设计方案简单。
利用CPLD控制A/D转换器采集模拟信号，该方案会相对增加设计成本。
综上采用方案一作为数据采集方案。
3频率计算电路
单稳态触发器
斯密特触发电路
两种方法都可以用于频率的计算，但斯密特触发器构成的频率计算电路能对波形进行整形故采用方案二。
4数据存储
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，但是一般情况下难以买到，难以实现方案。
采用普通RAM存储采样量化后的波形数据。
软硬件采用复杂的设计方案来衔接，本设计就采用此方案。
5按键电路
采用普通的3-8译码器与DIR相接，就可以实现操控，简单方便。
6显示设计
由单片机控制，采用数字化的存储和显示，可以采用MFC-12864液晶显示屏。
三、单元电路设计
对信号的处理主要是对被测输入信号在幅度与偏移方面进行线性处理，使信号在垂直方向上处于A/D转换器的输入范围内。
待测模拟信号输入到数字示波器时首先要经过相关的处理才能够送给ADC，因为ADC对输入电压的幅度有一定的要求，一般为0-5V，或者0-2V等。
对于输入的模拟信号，要根据不同的垂直灵敏度做出调整，具体说就是把小电压信号放大，将大电压信号衰减使之符合ADC的输入电压范围。
因此，需要对电压大小不同的信号进行增益调整。
通常可以使用增益可调的放大电路。
需要注意的是放大电路的增益系数和频带的关系。
同时，为防止ADC因输入大的电压信号而烧毁，可以加入限幅电路。
处理过的模拟信号需要经过ADC进行量化编码。
通常在进行A/D转换之前要加上比较电器，作为模拟电路和数字电路之间的接口电路。
采用跟随器电路，一方面达到提高输入阻抗的要求，另一方面还可以起到隔离的作用。
选择UA741CN放大器，常温下带宽可以达到1MHz，基本可以保证一般情况输入信号通过该电压跟随器之后没有任何失真。
限幅电路
输入信号转换电路
Ua741
前级信号处理电路
在信号处理电路中，后级运算放大电路为差分输入比例电路。
设运算放大器的2端输入为
，输出为
，则有输出与输入的关系为：
推导如下：
得
而
此电路为电平移位电路，将输入信号反相后抬高了2.5V，即该差分输入比例电路将前级的双极性信号经过处理变成0—5V的单极性输入信号，最终送到A/D转换器进行模数转换。
2频率计算电路
利用斯密特触发器电路能阻止输入电压出现微小变化（低于某一阈值）而引起的输出电压的改变。
它能在输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。
在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。
利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。
只要以信号的幅度大于VT+就可以在施密特触发器的输出端得到同频率的矩形脉冲信号。
在数字测量和控制系统中，由传感器送来的波形边沿较差，此外，脉冲信号经过远距离的传输后，往往会发生各种各样的畸变，利用施密特电路可以对这些信号进行整形。
频率计算电路
由LM339组成的施密特的电路，产生脉冲信号后，由于波形不很规则，可能会产生一些毛刺，所以有74121构成脉冲整形电路对施密特电路产生的脉冲进行调整，电路中A1、A2都接地，故为上升沿触发。
电路图如下所示
脉冲宽带调整电路
分频电路
该电路调整后的脉宽由以下公式算得
代入具体值得
则
输出的便是一个脉宽为1.05ms脉冲了，在经过一个二分频电路，最终产生的信号是脉宽为2.1ms的脉冲波形，将其送入单片机的（INT1）进行频率的计算。
3A/D转换电路
选用8位ADC0809，该芯片最高的时钟频率为1280KHz，典型时钟频率为640KHz，每一通道的转换时间约为100us，其最高采样频率为10Ksps。
输入模拟信号为单极性，电压范围是0—5V，若信号太小，必须进行放大；
输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
转换电路
当A/D转换结束后，ADC0809将输出一个转换结束信号EOC，通知单片机读取转换结果。
单片机查询A/D转换是否结束通常有三种方式。
单片机对转换结束信号EOC的处理方式不同，对应的硬件电路和程序设计方法就不同。
本设计采用中断方式。
4存储单元电路
存储器的位宽根据ADC的位宽来选取，因此应该选用8位的RAM。
采用一片RAM存储采样数据，以先采后放的方法工作。
该方法优点是电路简单，控制简单，易于实现。
存储器的容量（示波器的存储深度）与水平分辨率相关，水平分辨率为8点/div，显示屏水平刻度为8div，那么满屏显示的点数为N=8*8=64。
采样时间=时基*刻度。
存储深度=采样时间*采样率，62256是32K*8的高集成度低功耗静态RAM,容量为32K,采用单一正5V电源供电。
其容量足以将采集到的数据存储下来，而且该芯片与单片机接口连接简单，易于读写操作。
将ADC0809的转换数据先存放在存储器中，然后再通过对存储器的读写操作将数据进行与液晶显示相对应的重组操作。
在单片机的处理下实现对输入信号的重现，即实现存储示波器的存储功能。
其片选信号与A15取非后相连，/OE与单片机的RD端相连，/WE单片机的WR相连。
存储单元电路
5按键电路设计
按键
地址
功能
KEY1
0X01
采样点数增加8个
KEY2
0X02
采样点数减少8个
KEY3
0X04
显示峰值
KEY4
0X08
显示峰峰值
KEY5
0X10
显示有效值
KEY6
0X20
重新计算频率和长度
KEY7
0X40
显示清屏
KEY8
0X80
复位
按键地址功能表
电路设计中DIR是接地的/G端由三八译码的片选信号给出，在Y2为低电平是74LS245允许由B总线向A总线传送数据。
按键电路连接
6显示接口电路
1.LCM12864液晶模块的特点是：
*LCM12864显示内容128
64点阵，点大小0.48
0.48mm2，点间距0.04mm
*显示类型：
STN蓝白模式、LED背光；
工作电压：
5V
*控制器为KS0107
2.芯片管脚与功能见表
液晶模块LCM12864管脚说明
标号
引脚
功能
VSS
1
地
VDD
2
逻辑部分电源
VO
3
对比度调节
R/S
4
指令/数据寄存器
R/W
5
读写选择信号
E
6
使能信号
DB0-DB7
7-14
数据线0-7
CS1
15
左半屏片选信号
CS2
16
右半屏片选信号
/RST
17
复位信号
Vout
18
负电源输出
A
19
背光正极
K
20
背光负极
3.液晶模块的读写时序
液晶模块的读写时序如图所示。
液晶模块的写时序
E为使能信号，高电平有效，在E的下降沿锁存数据。
显示接口电路图
单片机外围电路
四、软件设计
1主程序设计及流程图
系统的软件设计主要是单片机程序设计，对于单片机控制程序，采用C语言来编写。
输入信号频率计算，A/D转换，数据存储，键盘扫描，液晶显示等。
整个系统由键盘驱动，不同的按键对应不同的事件处理。
整个主程序的软件框图如系统的主程序采用一个do-while循环语句，判断条件设置为死循环，不停地扫描按键，以执行相应的操作。
主程序流程图
2频率计算程序流程图
本设计频率的计算采用单片机外部中断/INT，对频率计算电路产生的脉冲频率的测量，再通过对测量数据的校正来完成。
利用GATE=1,TR1=1,只有/INT引脚输入高电平时，T1才允许计数，利用此，将外部输入脉冲经/INT引脚上输入，等待高电平的到来，当检测到高电平时开定时器开始计数，然后检测低电平，当检测到低电平时已经测得脉冲的脉宽，但我们测得是频率，故在程序中要继续检测等待下一个高电平的到来，此时关定时器停止计数，用此计数值乘以单片机的一个脉冲周期（晶振频率已知），得出周期，然后再经过数据处理便得到输入信号的频率。
程序流程图如下图所示。
频率计算程序流程图
3幅值计算及流程图
幅值计算程序是通过采32个点，根据不同的频率计算出不同的采样步长，即32个采样点之间的计数间隔，从而确定采样值，然后将这32个采样点的采样值存放在一维数组中，通过循环比较得出最大值和最小值。
然后经过数据处理函数，计算出相应的幅值、峰峰值、有效值，最终修正为为液晶显示数据进行显示。
程序流程图如下图所示
幅值计算程序流程图
4按键子程序设计及流程图
在硬件电路中对按键的硬件设计已经做了详细的描述，为了能清楚地描述程序的流程重抄按键的地址和功能表如下表所示
按键的地址和功能表
表中已经详细的给出了各个按键的功能和地址，下面给出按键子程序。
按键子程序的流程图如下图所示
按键字程序流程图
5显示子程序
液晶显示器简称LCD（LoguidCrystalDiodes），其显示原理是利用经过处理后的液晶具有能改变光线传输方向的特性，达到显示字符和图形的目的。
目前大量使用的是点阵式LCD显示器，它既可以显示字符和数字，又可以显示汉字和图形。
本设计中液晶显示屏用的是LCM12864，其特点和管脚功能已在前述硬件电路中叙述过。
由于LCM12864是一个左右半屏独立控制显示的液晶屏，所以利用其结构特点在液晶的左半屏显示重组修正后的波形，在液晶的右半屏显示输入信号的频率和幅值。
显示子程序流程图如下图所示。
显示子程序流程图
五、结果比对
与软件测试结果比对
1.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）
2us
20us
200us
2ms
20ms
输入频率
133KHz
13.4KHz
1.34KHz
137Hz
13.5Hz
实测频率
125KHz
12.5KHz
1.25KHz
125Hz
12.5Hz
误差
6.0%
6.7%
8.7%
7.4%
2.垂直灵敏度测试
30KHz的正弦波。
垂直灵敏度
1.0V/div
0.5V/div
0.1V/div
0.01V/div
信号峰-峰值
8.0V
4.0V
1.0V
0.5V
0.4V
0.1V
40mV
10mV
测试值
7.9V
0.41V
39mV
1.25%
2.5%
3.带宽测试
垂直灵敏度0.5V/div、Vpp=2.0V的正弦波。
信号频率/Hz
DC
10
100
1000
10000
100000
200000
300000
测试Vpp/V
2.0V
1.8V
测试结果表明，本设计的模拟带宽超过300KHz。
六
程序清单：
START:
ORG0000H
MOVSP,60H
CLR0D0H.1
CLR0D0H.2
KEYOP:
CLRF0;
MOVR2,#00H;
MOVR3,#00H;
MOVR4,#02H;
MOVR5,#01111111B;
K_AGAIN:
MOVA,R5;
MOVDPTR,#0002H;
MOVX@DPTR,A;
NOP;
MOVXA,@DPTR;
ORLA,#0FH;
CPLA;
JNZK_OPRAT;
MOVA,R5
RRA
MOVR5,A
MOVA,R2
ADDA,#04H
MOVR2,A
DJNZR4,K_AGAIN
LJMPXX;
K_OPRAT:
SWAPA;
SETBC;
K_NEXT:
RRCA;
JNCK_OP1;
INCR3;
CJNER3,#04H,K_NEXT;
LJMPK_AGAIN;
;
有键按下，找到行值后出来,进入键处理子程序。
K_OP1:
SETBF0
MOVA,R3;
ADDA,R2
JZK_1;
CJNEA,#01H,X2;
LJMPK_2;
X2:
CJNEA,#02H,X3;
LJMPK_3;
X3:
CJNEA,#03H,X4;
LJMPK_4;
X4:
CJNEA,#04H,X5
LJMPK_5;
X5:
CJNEA,#05H,X6
LJMPK_6;
X6:
CJNEA,#06H,XX
CJNEA,#07H,XX
进入AD转换
XX:
ADNUMBEQU30H;
MOVDPTR,#0003H;
MOVA,ADNUMB;
MOVX@DPTR,A
ADEOC1:
MOVDPTR,#0007H;
JNBACC.4,ADEOC1;
MOVr7,#0
MOVr0,#32H;
MOVXA,@DPTR
MOV@R0,A
INCR0
INCDPTR
INCR7
CJNER7,#20,ADEOC1
进入DA转换
DASTART0:
MOVR1,32H;
MOVR6,#0
MOVDPTR,#0004H;
DALOOP0:
MOVA,R1;
INCR1
MOVX@DPTR,A
设置X轴输出间隔时间
TIMESET:
JB0D0H.1,LX;
JNB0D0H.2,LY;
LCALLTIME1;
LX:
LY:
INCR6
CJNER6,#20,XY;
LJMPDALOOP0
XY:
LJMPKEYOP
K_1:
MOVDPTR,#0003H
MOVA,ADNUMB
ADEOC:
JNBACC.4,ADEOC;
MOVDPTR,#0003H;
MOVR7,#0
MOVR0,#0032H;
MOVX@R0,A
CJNER7,#100,ADEOC;
JMPKEYOP
K_2:
DASTART2:
DALOOP2:
MOVXA,@R0;
CJNER6,#100,DASTART2;
LJMPDALOOP2;
K_3:
DASTART3:
MOVR0,#0032H
DALOOP3:
LCALLTIME1
CJNER6,#100,DASTART3
JBP2.7,MN
LJMPDALOOP3
MN:
LJMPSTART
K_4:
DASTART4:
DALOOP4:
CJNER6,#100,DASTART4
LJMPDALOOP4
K_5:
SETB0D0H.1;
K_6:
SETB0D0H.2;
TIME1:
MOVR7,#04H
TIME_1:
NOP
DJNZR7,TIME_1;
RET
七
硬件连接图：
八心得体会
通过本次设计可以检验所学理论知识的掌握程度，锻炼思考设计能力，为深入了解以及学习提供了难得的选材和绝佳机会。
学习中发现了自身诸多的不足需要自我改善。
本次课设有着温故知新的作用，课设过程中拾起了很多以前学过的知识，同时课设过程中探究了一些新知识和课本上不常见的知识点，对课程学习有着适宜的补充作用，这次课设使我获益匪浅。
九、元件清单
元件个数
UA7412
SN7474N1
ADC08091
SN74LS024
622561
LM3391
SN74121N1
AT89C521
MC74HC573N1
74ALS1381
MFC-G128641
R5.1K4
R9K1
R10K4
R15K1
R20K2
R27K1
R100K1
C30UF2
CRYSTAL1
VCC15
GND17
十、参考书目：
1.《模拟电子技术》—童诗白华成英主编（第三版）高等教育出版社
2.《单片机原理与用》—罗印升主编机械工业出版社
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
6.五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
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