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基于单片机简易数字存储示波器

摘要

随着计算机技术的发展，数字示波器也得到飞速发展，并给电子测量领域带来巨大变化，它能直接测量信号的幅度、频率等许多基本参数，不仅具有基本的波形显示功能，而且具有相当强的数据处理能力。

数字化测量仪器正越来越多地位用于电子、自动化、机械等各个领域。

比起模拟设备，数字化仪器有许多优点，如抗干扰能力强，数字化后的信号便于存储及输入计算机处理等。

本文详细介绍了一种以单片机和可编程逻辑器件为控制核心，用D/A,A/D芯片和运放进行前置信号处理和数据采集，以液晶显示模块为终端显示设备的设计方案，并分析了该方案的优缺点，同时给出了硬件和软件设计的结构及思路。

关键词：

数字存储示波器，单片机，可编程逻辑器件，液晶

Abstract

Withthedevelopmentofcomputertechnology,digitaloscilloscopehasbeenrapiddevelopmentofelectronicmeasurementandtobringaboutgreatchangesinthefield,ithasadirectmeasurementofthesignalrange,frequencyandmanyotherbasicparameters,notonlyhasthebasicwaveformdisplayfunction,butwithaverystrongdata-handlingcapacity.Digitalmeasuringinstrumentsareincreasinglybeingusedtopositionelectronic,automation,mechanicalandotherareas.Comparedwithanalogequipment,digitalequipmenthasmanyadvantages,suchasanti-interferencecapability,Digitalsignalfacilitatetheimportationofcomputerstorageandhandling.

Thispaperdescribesamicroprocessorandprogrammablelogicdevicesforthecontrolofthecore,withparallelconnectors,etc,Dchipandanalogswitchesfrontsignalprocessinganddatacollection,aliquidcrystaldisplaymodulefortheterminaldisplaydevicedesign,andanalysisoftheadvantagesanddisadvantagesoftheprogram.alsogivenpiecesofhardwareandlessonthestructureanddesignideas.

Keywords:

DigitalStorageOscilloscope,microcontroller,programmablelogicdevices,liquidcrystal

目录

第一章方案选择和确定………………………………………………………4

1.1方案选择…………………………………………………………………………4

1.1.1控制器选择…………………………………………………………………4

1.1.2数据采集……………………………………………………………………4

1.1.3数据存储器…………………………………………………………………5

1.1.4幅度控制……………………………………………………………………5

1.1.5显示…………………………………………………………………………6

1.2方案确定…………………………………………………………………………6

第二章硬件设计…………………………………………………………………8

2．1前级信号处理模块……………………………………………………………8

2.1.1TLC7528芯片介绍…………………………………………………………8

2.1.2程控衰减……………………………………………………………………9

2.1.3放大电路……………………………………………………………………10

2.2数据采集电路…………………………………………………………………12

2.2.1TLC5510介绍………………………………………………………………12

2.2.2数据采集电路………………………………………………………………15

2.3触发电路设计…………………………………………………………………15

2.3.1触发电路作用………………………………………………………………15

2.3.2触发电路原理图……………………………………………………………16

2.4存储控制及数据处理电路……………………………………………………17

2.4.1AT89C52的简介…………………………………………………………17

2.4.2EPM7128SLS84-15介绍……………………………………………………18

2.4.3存储控制及数据处理电路…………………………………………………21

2.5显示电路设计…………………………………………………………………23

2.5.1JRM19264A介绍……………………………………………………………23

2.5.2液晶驱动电路………………………………………………………………26

第三章软件设计………………………………………………………………27

3.1主程序…………………………………………………………………………27

3.2显示程序………………………………………………………………………28

3.2.1液晶驱动程序………………………………………………………………28

3.2.2波形绘制程序………………………………………………………………29

3.3信号采集及存储程序…………………………………………………………30

3.4键扫程序………………………………………………………………………31

第四章调试……………………………………………………………………32

4.1软件调试………………………………………………………………………32

4.2硬件调试………………………………………………………………………33

4.3实测波形………………………………………………………………………33

结束语………………………………………………………………………………35

1设计体会…………………………………………………………………………35

2谢辞………………………………………………………………………………35

参考文献……………………………………………………………………………36

附录…………………………………………………………………………………37

毕业设计任务书

一、任务

设计并制作一台简易数字存储示波器，示意图如下。

二、要求

1．基本要求

（1）信号频率：

DC~50kHz，Ri>100kΩ；

（2）垂直：

32级/div，水平20点/div，屏幕面积8×10div2；

（3）垂直灵敏度：

0.1V/div，1V/div，误差≤5%；

（4）水平扫速：

0.2s/div，0.2ms/div，20μs/div，误差≤5%；

（5）单次触发、扩展、内触发、上升沿、电平可调；

（6）显示波形无明显失真。

2.发挥部分

（1）连续触发存储方式，并有“锁存功能”；

（2）双踪显示；

（3）水平移动扩展一倍；

（4）垂直灵敏度0.01V/div，低输入噪声电压。

第一章方案选择和确定

数字存储示波器是可以方便地实现对模拟信号进行存储，并能利用微处理器对存储数据进一步处理的示波器，它有实时和存储两种模式。

与模拟示波器不同的地方在于，数字存储示波器需要用到高速的数据采集和处理技术，因而，高数数据采集、存储和回放以及双踪显示是设计的要点和难点。

下面将对这几个重要环节的设计方案做论证和比较。

1.1方案选择

1.1.1控制器选择

方案一：

纯单片机方式。

即由单片机、ADC、及存储器等组成系统。

这种方案要求单片机除了完成基本处理分析外，还需要完成信号的采集、存储、显示等控制与变换工作。

其优点在于系统规模教小，有一定的灵活性，但是不适于观察高速信号或复杂信号，难以达到题目的要求。

方案二：

FPGA/CPLD或带IP核的FPGA/CPLD方式。

即用FPGA/CPLD完成采集、存储，显示及A/D、D/A等功能，有IP核实现人机交互及信号测量分析等功能。

这种方案的优点在于结构紧凑、可以实现复杂测量与控制、操作方便；缺点时调试过程繁琐。

方案三：

单片机与CPLD结合方式。

即用单片机完成人机界面、系统控制、信号分析、处理、变换，用CPLD完成采集控制逻辑及显示控制逻辑。

这种方式兼顾了前两个方案的优点。

显然第三种方案比较好。

1.1.2数据采集

方案一：

采用中高速模数转换器，用CPLD准确定时给单片机发送中断信号，单片机在中断服务程序中控制采样速率。

由于中高速模数转换器无法实现整个频段内（DC~100kHz）的实时采样。

考虑用“等效实时取样法”实现对较高频段波形数据的采集，即先将周期性的高频信号经过取样变成波形与之形状相似的周期性低频信号，然后做进一步处理。

这样虽然对高频信号也可以进行采样回放，但限于周期信号。

方案二：

采用高速模数转换器AD7822直接用CPLD准确定时控制ADC的采用速率。

AD7822的转换时间是460ns，若用高速器件控制则可以实现整个频段的全速采样。

CPLD内部的门延时一般为10ns左右，用此器件来控制AD7822，速度上完全可以满足，即实现2MHz的最高采样速率。

此方法即为“实时采样法”。

比较两种方案，虽然都能满足整个频段采样量化的要求，但方案一无法采集频率较高的非周期信号，而方案二可实现整个频段的全速采样，因而本设计采用方案二。

1.1.3数据存储器

方案一：

采用静态RAM（6264）存储采样量化后的波形数据，CPLD控制RAM的地址线，单片机的P1口协同控制高位地址。

由于数据不但要高速存储，还要高速读取、转换输出，因而需要考虑一方工作而另一方要高阻态隔离的问题，这样就使硬件，软件的设计都变得繁琐复杂。

方案二：

采用双口RAM（IDT7132）存储采样量化后的波形数据，同样用CPLD控制地址线。

IDT7132有两组相互隔离的数据线、地址线、片选线和读写控制线，他们可对RAM内部的存储单元同时进行读写操作，并且互不影响，这样就解决了高速存储和读取的问题。

比较上述两种方案，虽然都能实现高速数据存储和读取，但方案二较方案一简捷，因而本设计采用方案二。

1.1.4幅度控制

方案一：

采用模拟开关，运放，配合精密电位器实现从0.01V/div到1V/div的多档的垂直分辨率。

P2口的三条控制线控制4051选通不同的通道的介入电阻值，从而实现不同的放大倍数，达到程控放大的目的。

方案二：

采用D/A芯TLC7528实现程控电压衰减。

信号有TLC7528的参考电压端输入，单片机通过改变送入TLC7528的数据值控制输入信号的幅度，即VO=（D×VIN）/255。

比较上述两种方案，方案一，涉及器件较多，设计相对方案一要复杂。

方案二，TLC7528的转换频率可达10MHz，且能用软件方便的控制垂直分辨率的多档切换。

所以本设计采用方案二。

1.1.5显示

方案一：

采用传统的模拟显像管显示器。

信号处理完后需要在进行D/A转换供给显示器显示，且体积、和功耗大。

方案二：

采用LCD显示模块，应为LCD是数字电路控制的，所可以直接用软件控制LCD来显示波形。

比较上述两种方案。

方案一，要进行数模转换，且显示器体积较大。

方案二，可直接控制，体积较小。

故本设计采用LCD显示模块做为显示器。

1.2方案确定

方案确定为该数字存储示波器以单片机和可编程逻辑器件为控制核心，控制其他外围芯片和模块实现A/D转换、数据存取、键盘操作、液晶显示等功能。

整个系统有两个控制芯片：

单片机AT89C52和可编程逻辑器件MAX7128S。

单片机实现的功能主要是完成人机界面的操作，即键盘操作和液晶显示；可编程逻辑器件实现的功能主要是A/D转换和数据存取。

系统功能框图如图1-1所示。

图1-1系统总体框图

   设计的方案是先对被测波形进行A/D转换，将模拟量转换成数字量，然后对数字量进行存储，这样可以实现示波器的存储功能，即，当输入波形取消后，系统仍然可以从RAM中读取波形的消息。

波形的显示主要是通过将数字量转换成液晶显示屏上点的坐标来实现的，因为数字示波器的显示原理与传统示波器的显示原理不同，传统示波器的显示原理是将偏转的电子束打到荧光屏上以显示波形，而数字示波器则是通过点亮液晶显示屏上某些点来显示波形的。

于是，只要编写一段程序实再次地数字量转换成液晶显示屏上点的坐标，再编写将液晶显示屏上某点点亮的程序，这样，就可以实现在液晶显示屏上显示输入的波形。

由于有液晶显示，人机界面比较友好，因为，液晶显示屏上可以显示下一步操作的提示和当前的信息。

为了使该系统更具可控性，引入了键盘操作模块，可以通过键盘输入来设定示波器的工作方式以及实现其他功能选项。

   从图1-1可看出，各外围芯片均由CPU和CPLD来控制，而CPLD与CPU之间可通过相互之间的通信来获取当前系统的工作状态，系统主要分成两个模块：

数据采集模块和数据处理模块。

第二章硬件设计

2．1前级信号处理模块

考虑到本系统输入信号的动态范围较大，本设计采用先衰减后放大的电路结构。

此部分分为程控衰减和放大两个部分。

分别采用TLC7528和高性能仪表放大器AD620。

2.1.1TLC7528芯片介绍

TLC7528c,TLC7528e,TLC7528i都是双8位数模类比转换器，独立的片内的数据锁存器和极其密切的AC-DAC匹配特征.数据通过一个共用的8位输入口传给两个DAC数据锁存器中的任一一个，控制输入DACA/DACB决定数据传送给哪个.这些器件的数据传送周期和RAM的写周期时相似,这使得它与大多数微处理器的总线和输出端口的连接变得容易.在重要的位变化期间，分开高位将典型的强脉冲干扰减到最小。

（Segmentingthehigh-orderbitsminimizesglitchesduringchangesinthemostsignificantbits,whereglitchimpulseistypicallythestrongest.）。

芯片工作电压为5V到15V，功耗小于15mW（典型）.2或4象限的成倍增长,使这些芯片成为许多微处理器的增益设置控制和信号控制应用的一个良好选择（The2-or4-quadrantmultiplyingmakesthesedevicesasoundchoiceformanymicroprocessor-controlledgain-settingandsignal-controlapplication-

ns）。

它可以以电压方式运行,产生电压输出而不是电流输出.

这些芯片包含两个相同的8位乘法D/A转换器,DACA和DACB每个DAC由倒立的R-2R阶梯,模拟开关和输入数据锁存器组成的.二进制加权电流在DAC输出和AGND之间切换,从而保持了在开关状态的电流恒定（Binary-weightedcurrentsareswitchedbetweenDACoutputandAGND,thusmaintainingaconstantcurrentineachladderlegindependentoftheswitchstate）。

大多数应用仅需要增加一个外部运算放大器和电压参考.

图2-2tlc7528内部功能模块

图2-3时序图

2.1.2程控衰减

如图2-1所示，电路前级采用8位双D/ATLC7528构成程控衰减器，将输入信号作为参考电压，此时D/A的输出电压为：

（1）

其中：

VIN为输入电压，DIN为D/A输入的数字量，改变DIN即可改变衰减器的衰减倍数。

TLC7528的转换频率可达10MHz，说明其模拟带宽远大于题目中DC～50kHz的要求。

TLC7528输入阻抗为20k

低于任务中输入阻抗100k

的要求，故前面增加一级电压跟随器。

图2-1程控衰减原理图

电压跟随器采用有“运放之王”之称的NE5532运放。

该运放为音频运放。

在信号为DC～100kHz时，能不失真的再现信号。

2.1.3放大电路

放大部分用高性能仪表放大器AD620构成放大器。

图2-2仪表放大电路是由3个放大器所共同组成，其中的电阻R与RX需在放大器的电阻适用范围内（1k

～10k

）。

藉由固定的电阻R，我们可以调整RX来调整放大的增益值，其关系式如式下

（2）

唯须注意避免每个放大器的饱和现象（放大器最大输出为其工作电压）。

图2-2仪表放大电路示意图

图2-3所示为AD620仪表放大器的脚位图。

其中1、8接脚要跨接一电阻来调整放大倍率（作用同式

（2）中之RX），4、7接脚需提供正负相等的工作电压，由2、3接脚输入的放大的电压即可从接脚6输出放大后的电压值。

接脚5则是参考基准，如果接地则接脚6的输出即为与地之间的相对电压。

AD620的放大增益关系式如式（3）、式（4）所示，藉由此式我们即可推算出各种增益所要使用的电阻值了。

（3）

（4）

图2-3AD620脚位图

图2-4AD620放大电路图

图3-4所示电路与程控衰减电路一起能完成从0.01～100倍精确放大。

后级电路时一个加法器实现+1V电平平移，以使输入信号的幅度满足模数转换器所要求的范围0V～2V。

2.2数据采集电路

本系统采用高速A/D转换器TLC5510。

2.2.1TLC5510介绍

TLC5510是美国TI公司生产的新型模数转换器件（ADC），它是一种采用COMS工艺制造的8位高阻抗并行A/D芯片，能提供的最小采样率为20MSPS。

由于TLC5510采用了半闪速结构及COMS工艺，因而大大减少了器件中比较器的数量，而且在高速转换的同时能够保持较低的功耗。

在推荐工作条件下，TLC5510的功耗仅为130mW。

由于TLC5510不仅具有高速的A/D转换功能，而且还带有内部采样保持电路，从而大大简化了外围电路的设计；同时，由于其内部带有了标准分压电阻，因而可以从+5V的电源获得2V满刻度的基准电压。

TCL5510可应用于数字TV、医学图像、视频会议、高速数据转换以及QAM解调器等方面。

TLC5510为24引脚、PSOP表贴封装形式（NS）。

其引脚排列如图１所示。

各引脚功能如下：

AGND：

模拟信号地；

ANALOGIN：

模拟信号输入端；

CLK：

时钟输入端；

DGND：

数字信号地；

D1-D8：

数据输出端口。

D1为数据最低位，D8为最高位；

OE：

输出使能端。

当OE为低时，D1～D8数据有效，当OE为高时，D1～D8为高阻抗；图2-5TLC5510

VDDA：

模拟电路工作电源；

VDDD：

数字电路工作电源；

REFTS：

内部参考电压引出端之一，当使用内部电压分压器产生额定的２Ｖ基准电压时，此端短路至REFT端；

REFT：

参考电压引出端之二；

REFB：

参考电压引出端之三；

REFBS：

内部参考电压引出端之四，当使用内部电压基准器产生额定的２Ｖ基准电压时，此端短路至REFB端。

TLC5510的内部结构如图2-6所示。

由图中可以看出：

TLC5510模数转换器内含时钟发生器、内部基准电压分压器、1套高4位采样比较器、编码器、锁存器、2套低4位采样比较器、编码器和１个低４位锁存器等电路。

TLC5510的外部时钟信号TLC5510通过其内部的时钟发生器可产生3路内部时钟，以驱动3组采样比较器。

基准电压分压器则可用来为这3组比较器提供基准电压。

输出A/D信号的高4位由高4位编码器直接提供，而低4位的采样数据则由两个低4位的编码器交替提供。

图2-6TLC5510的内部结构

TLC5510的工作时序见图2-7。

时钟信号CLK在每一个下降沿采集模拟输入信号。

第N次采集的数据经过2.5个时钟周期的延迟之后，将送到内部数据总线上。

图2-7TLC5510的工作时序

2.2.2数据采集电路

数据采集电路如图2-8所示，参考电压采用其芯片内部提供的标准2V。

/OE、CLK和数据口均连至CPLD，由CPLD控制数据的采集，然后送入存储器。

图2-8数据采集电路

2.3触发电路设计

2.3.1触发电路作用

触发器使重复波形能够在示波器屏幕上稳定显示，实现方法是不断地显示输入信号的相同部分。

可以想象，如果每一次扫描的起始都从信号的不同位置开始，那么屏幕上的图象会很混乱，如图3-9所示。

图2-9未经触发的显示

2.3.2触发电路原理图

本电路采用最大幅度触发产生电路，即通过峰值保持电路记录信号的峰值，并与输入信号进行比较，当输入信号幅度低于峰值保持电路的输出电路的电平时，比较器输出下降沿触发信号。

电路原理如图2-9所示，图中的晶体管T1起取样保持开关作用。

单片机采样到触发信号后，即马上进行数据采集。

图2-9触发电路

2.4存储控制及数据处理电路

本部分由单片机和CPLD组成。

单片机完成人机界面、系统控制、信号分析、处理、变换，用CPLD完成采集控制逻辑及显示控制逻辑。

2.4.1AT89C52的简介

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含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，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

AT89C52芯片的管脚、引线与功能AT89C52芯片图如图3-10：

（1）引脚信号介绍：

P00～P07：

P0口8位双向口线

P10～P17：

P1口8位双向口线

P20～P27：

P2口8位双向口线

P30～P37：

P3口8位双向口线

访问程序存储器控制信号：

当

信号为低电平时，对ROM的读操作限

定在外部程序存储器；而当

信号为