基于单片机的存储示波器.docx

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基于单片机的存储示波器

基于单片机的存储示波器

摘要：

本设计是一种简单实用的数字存储示波器。

该设计主要由四个模块电路组成：

前端信号处理模块、数据的采集与存储模块、键盘输入控制模块、单片机控制模块与LCD显示模块。

采样率可达1M，并具有数据的采集、显示菜单、单次触发、存储显示等功能。

本设计可以方便地实现对模拟信号波形进行存储并能利用微处理器系统对存储信号做进一步的处理，并对被测波形的频率、幅值、平均值等参数的自动测量。

数字存储示波器是一种基于MC9S12DG128B的简易存储数字示波器，其前半部功能是一个高速数据采集与存储系统，后半部是一个数据处理与显示系统。

数字存储示波器对波形的取样和存储与波形的显示是可以分离的，而且能保存信号，具有先进的触发和数字信号的输入/输出功能。

关键词：

示波器，数字存储，模数转换，采样定理

ABSTRACT

Thistextprovidesakindofinbriefpracticaldigitalstorageoscilloscopesprojectofmachine.Thedesigntomainbeconstitutebyanelectriccircuitoffourmolds:

theheadsignalprocessingmoldpiece,datacollectwithsavingmoldpiece,keyboardimportationcontrolmoldpiece,amachinecontrolthemoldpieceandLCDshowthemoldpiece,Thesampleratecanattainthe1M,andhavethedatatocollect,themanifestationmenu,singletimetrigger,savingmanifestationetc.function.Thedigitalstorageoscilloscopesdevelopatthebeginningof70’sin20centuriesakindofnewshowamachine.Thiskindoftypeshowamachineandcancarryoutexpedientlytoimitateaformofsignaltocarryonlone-termsavingcanmakeuseofthemicroprocessorsysteminsidethemachinealsotosavingthesignaldointo-theprocessingthattread,forexampletoismeasureafrequencyofform,value,infrontandbackfollowtime,averagevalueetc.automaticdiagraphandvariouscomplicatedprocessingsesoftheparameter.Thedigitalstorageoscilloscopesmakethetraditionshowafunctionofmachinetotakeplacethegravenesschange.Thedigitalstorageoscilloscopesisakindofoscilloscopesaccordingtothetechnicalnewnumeralofcalculator,itsfirsthalfdepartmentisonepieceaccordingtotheprocessingandthemanifestationsystems.Thedigitalstorageoscilloscopestothesamplingofaformandsavingwiththemanifestationofaformistoseparateof,andcankeepthesignalwithlonghours,havingtheforerunneroftriggerandtheinput/outputfunctionofthenumericalsignal.

Keywords:

Oscilloscopes，DigitalStorage，High-speedADconversion，LCD

目录

.1绪论3

.2设计任务3

3方案论证和比较3

3.1处理器的比较和选择3

3.2信号前向调整模块的设计方案4

3.3A/D转换器选型方案4

3.4显示设备的选择4

4系统硬件设计4

4.1总体设计思路4

4.2信号前向调整模块5

4.3频率计的基本原理5

4.4MC9S12DG128B单片机系统6

4.7键盘设计24

6系统测试26

6.1测试仪器26

6.2测试数据与整机指标27

7　结束语27

8参考文献28

8附录29

附录1系统电路总图29

附录2制作实物图30

.1绪论

示波器作为一种十分有效的信号测试、调试工具，已从电子示波器发展到目前功能齐全、性能先进的多种数字示波器；但由于数字示波器价格偏高，国内还普遍使用各种传统模拟示波器。

但它存在以下缺陷：

1.模拟示波器普遍采用分立元件，体积大、笨重。

2.它采用模拟电路，温漂、蠕动无法从根本上解决。

3.它智能化程度低，操作使用不便。

4.对非实验条件下的单次脉冲等信号无能为力。

因此,开发一种有信号采集、存储及分析处理的示波器，是十分有益的尝试。

.2设计任务

设计并制作一个简易数字存储示波器（简易DSO）。

2.1基本要求

（1）可以显示测量的波形，

（2）垂直灵敏度：

0.01V/div，0.02V/div，0.05V/div，0.1V/div，0.2V/div，0.5V/div，1V/div，2V/div，5V/div

误差≤5%；

（3）水平扫速：

30μs/div，50μs/div，100μs/div，200μs/div，500μs/div，1ms/div，2ms/div，5ms/div，10ms/div，20ms/div，50ms/div，100ms/div，200ms/div，1s/div，误差≤5%；

（4）可测量的模拟输入信号的电压范围在10mV-10V。

信号频率：

0.05Hz-30kHz

（5）单次触发、扩展、触发电平可调；

（6）显示波形无明显失真。

3方案论证和比较

根据设计任务的要求，必须实现信号的放大、衰减，采集和波形显示。

这需要选择合适的运放，A/D转换器，处理器和显示设备。

3.1处理器的比较和选择

方案一：

以AT89S51单片机为控制核心，对输入信号进行增益放大或衰减后，通过A/D转换将模拟信号转换成数字信号后，通过单片机将数据锁存至外部RAM，然后再通过单片机将数据送至显示屏显示，这种方案结构较为简洁，但A/D的最高采样速度比较高，无法利用AT89S51单片机直接采集这样速率的数据。

方案二：

而由Freescale公司推出的MC9S12DG128B（以下简称DG128）处理器，片内资源包括8KRAM、128KFlash、2KEEPROM；SCI、SPI、PWM串行接口模块，并且具有很高的处理速度。

检测的信号进行增益放大或衰减后，直接输入DG128单片机进行数据采集和处理，最后通过显示屏显示出波形。

方案比较：

DG128单片机的高速运算能力和较大的数据存储器，既可满足输入信号的采样速度和精度，又有足够的空间存储采集的数据，从而使得外围电路简单所以采用方案二。

3.2信号前向调整模块的设计方案

方案一：

采用集成程控放大器（例如:

PGA103）作为信号的前向输入通道，根据输入信号的幅度选择不同的放大／衰减倍数，以达到Ａ／Ｄ所要求的输入范围。

在系统前端采用集成器件，对抑制系统的噪声是很有帮助的,而且这种器件控制简单,使用方便。

方案二：

为了使不同幅度的输入信号都能被Ａ／Ｄ所采样，模拟输入信号需要放大或衰减，在采样电路的前端采用TI公司的OPA2132运算放大器应对输入信号进行一定的放大／衰减。

方案选择：

根据需要，输入信号的幅度范围为10mV～2V，则需要放大200倍，OPA2132运算放大器完全能满足要求。

因此选择方案二。

3.3A/D转换器选型方案

信号电压的数字转换决定着测量的精度与准确度，这是本设计的关键部分之一。

方案一：

采用德州公司的ADS804E器件，该器件可将模拟信号转化为12位的数字信号，输出具有自动校准功能。

采样速度能够满足采样转换的要求。

方案二：

采用MC9S12DG128B单片机自带的ADC，可将模拟信号转化为12位的数字信号，采样速度能够满足采样转换的要求。

MC9S12DG128B内部的A/D将接收到的经过处理的模拟信号进行实时采样，然后以逐次逼近的方式进行模数转换处理，最后存储在片内RAM中。

然后将RAM中的数据显示成波形。

方案选择：

DG128单片机的高速ADC完全可以满足本设计的要求，从成本和方便性考虑，选择方案二。

3.4显示设备的选择

方案一：

使用点阵图形液晶显示模块12864显示，；其显示分辨率为128×64,利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，虽然分辨率不是很高，但也可以满足本设计的要求。

方案二：

使用彩色的液晶显示屏，可以将波形显示的更加清晰，并且具有更高的分辨率。

但显示屏需要很多的I/0，还会消耗大量宝贵的RAM。

方案选择：

考虑到制作成本和简易示波器的设计要求，选择方案一比较合适。

4系统硬件设计

4.1总体设计思路

系统结构框图如图3-1。

4-1系统结构框图

4.2信号前向调整模块

输入信号在1—200倍可调放大。

电路如图4-2所示。

图4-2运放的设置

在输入信号为10mV时．运放放大200倍，幅度将达到2V，在ADC12的参考电压取2．5V时，转换数据为2／25*4096=3276。

在输入信号为200mV时，运放放大lO倍，幅度将达到2V，在ADC12的参考电压取2．5V时，转换数据为2／2．5*4096=3276。

在输入信号为2V时，运放放大1倍，幅度将达到2V，在ADC12的参考电压取2．5V时，转换数据为2／2．5*4096=3276。

根据以上分析，如此配置运放是完全可行的。

ADC12的配置为：

片内参考电压为2．5V；P60为模拟输入信号A0，采样使用主动读取方式，非ADC12中断。

为了兼顾最快采样，采样与保持的时间取最小值。

4.3频率计的基本原理

频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。

通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。

闸门时间也可以大于或小于一秒。

闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。

闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响

测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。

电子计数器测频有两种方式：

一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是