基于单片机的简易数字示波器的设计设计.docx

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基于单片机的简易数字示波器的设计设计

华北理工大学轻工学院

QingGongCollegeNorthChinaUniversityofScienceandTechnology

毕业设计说明书

设计题目：

基于单片机的简易数字示波器的设计

学生姓名：

学号：

专业班级：

测控技术与仪器

学部：

信息科学部

指导教师：

2015年5月30日

摘要

数字存储示波器是依据数字集成电路技术的发展而出现的智能化示波器，现在已经成为电子测量领域的基础测量仪器。

数字存储示波器的技术基础是数据采集，该技术已经广泛应用于数据采集产品中，对相关仪器的研发与创新具有深远意义。

随着技术与元器件的发展与创新，数字存储示波器正在向宽带化、模块化、多功能和网络化的方向发展。

数字存储示波器可以实现高带宽和强大的分析能力。

高端的数字存储示波器实时带宽已经可以达到20GHz，可以广泛的应用各种千兆以太网、光通讯等测试领域。

而中低端的数字存储示波器已经可以广泛应用于各个领域的通用测试，也可以广泛应用于高校及职业院校的教学。

但是现在国内外数字存储示波器在几千到几十万不等，普遍价格偏高，不适用于简单用途的使用与测量。

所以这里介绍了数字存储示波器的原理与基本概念并设计了一个简易的基于单片机的数字存储示波器，简化制作成成本，并能实现其基本功能与主要技术指标。

关键词数据采集、单片机

Abstract

DigitalstorageoscilloscopeisbasedonthedevelopmentofDigitalICtechnologyandintelligentoscilloscope,nowelectronicmeasurementfieldofbasicmeasurementinstrument.Thetechnologyofdigitalstorageoscilloscopeisthedataacquisition,whichhasbeenwidelyusedindataacquisitionproducts,andithasfar-reachingsignificanceforthedevelopmentandinnovationoftherelatedinstruments..

Withthedevelopmentandinnovationoftechnologyandcomponents,digitalstorageoscilloscopeisdevelopingtobroadband,modular,multi-functionandnetwork..Digitalstorageoscilloscopecanachievehighbandwidthandstronganalyticalskills.Highenddigitalstorageoscilloscopereal-timebandwidthhasbeenreached20GHz,canbewidelyusedinvariousGigabitEthernet,opticalcommunicationsandothertestareas.Andthelow-enddigitalstorageoscilloscopehasbeenwidelyusedinvariousfieldsofuniversaltesting,canalsobewidelyusedinCollegesanduniversitiesandvocationalcollegesteaching.

Butnowthedigitalstorageoscilloscopeathomeandabroad,rangingfromthousandstohundredsofthousands,thegeneralpriceishigh,notforsimplepurposesandmeasurement.SoherethebasicconceptsandprinciplesofdigitalstorageoscilloscopeanddesignasimpledigitalstorageoscilloscopebasedonMCU,simplifytheproductioncostandrealizethebasicfunctionsandmaintechnicalindicators.

Keywords:

dataacquisitionmicrocontroller

第1章绪论

1.1选题的背景意义和研究现状

1.1.1选题的背景意义

据IEEE的文献记载1972年英国Nicolet公司发明了世界第一台数字存储示波器，到1996年惠普科技发明了世界第一台混合信号示波器。

数字示波器自从上个世纪七十年代诞生以来。

应用已经越来越广泛，已成为测试工程师的必备工具。

21世纪是一个技术和科学都在飞速发展的时代，随着自动化技术、通信技术、电子技术、计算机技术的高速发展，电子测量技术也获得了巨大的发展。

数字示波器就是存储波形以及对多种信号的计算、分析、处理等优异的性能逐步取代模拟示波器。

数字示波器可以对信号进行一次性的采集，将波形存储起来，还可以通过操作波形的位移来观察波形的任何一个部分。

在测量领域示波器是最常用的电子仪器之一，但是传统的示波器都存在一定的缺点。

模拟示波器无法存储波形和监视实时信号，而示波器虽然拥有这些功能，但是却价格昂贵，而且都存在体积过于笨重、操作过于繁琐、不方便携带、耗电量大与不便于现场测试等缺点，给实际应用带来了相当多的不便。

为了将书本上的专业知识运用到实际当中，而且了解到作为电子仪器将来有非常广阔、巨大的发展空间，所以我选择了数字存储示波器这个毕业设计题目。

1.1.2国内外研究现状

从示波器发明至今，微处理技术和数字集成电路得到了迅速发展，示波器也已经开始融合这些技术了来使用各种需要。

经过几十年的发展，示波器由电子管发展到晶体管，又发展到集成电路；由模拟电路发展到数字电路；由通用示波器发展到取样、数字、逻辑、记忆、存储、智能化示波器等十大系列、几百样品种。

美国Tektronix公司建立于1947年，已经有了9大系列，100多种产品，产品遍及全球，已经是是世界公认的示波器权威。

目前主要的生产厂家是美国的安捷伦公司、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。

自1951年以来，我国在示波器生产研发方面也取得了非常大的进展，现在已经可以生产宽带、记忆、高灵敏度、逻辑、数字存储等各类示波器，而且一些种类示波器的主要技术指标已经达到国际先进水平。

在20世纪30年代是电子示波器时代，1985年示波器宽带达到了100MHz。

20世纪50年代是晶体管示波器阶段，由于采用了晶体管元件，示波器宽带突破了100MHz达到了150MHz，在1969年又达到了300MHz。

20世纪70年代是集成化示波器阶段，集成电路技术实现了示波器的小型化和高性能、高准确性。

1971年问世的微处理器，让示波器的宽带达到了500MHz，1979年达到了1GHz的高峰。

1972年第一台数字示波器问世，它对示波器的发展产生了巨大的影响。

1973年同时出现了逻辑定时分析仪和逻辑状态分析仪标志着示波器测量已经跨入了数领域。

1974年发表的带微处理器的示波器，预示着示波器的发展进入了一个崭新的阶段。

80年代以来，示波器正朝着智能化、数字化飞速发展，示波器的技术日新月异，新的产品层出不穷。

1.2设计的任务和要求

1.2.1设计的主要任务

数字存储示波器是利用模/数转换器（A/D）把被测模拟信号转换成数字信号,然后存入随机存储器（RAM）中,需要显示的时候将RAM中的内容调出,通过相应的数/模转换器（D/A）在恢复为模拟信号显示在示波器屏幕上,便于人们记录、观察波形，而且可以将获得的信息进一步的处理、分析。

所以要求设计能对被测信号进行采集、存储和显示，扫描频率可调，波形无明显失真，设计硬件控制电路，画出硬件设计原理图，编写相应的控制软件，并进行对信号的实际测试与调试。

1.2.2设计的基本要求

设计的需求是利用单片机进行控制，基于51单片机和液晶显示的示波器。

适合-5V—5V信号的采集，频率测量0—10000Hz，频率误差小于0.1%，宽带可达到0—10KHz，电压测量范围0V—5V，精度为0.1V，液晶显示使用LCD12864，触发电平（+/-），耦合方式有交流耦合和直流耦合，可以识别正弦波、三角波、方波。

第2章数字存储示波器的基本原理

2.1数字示波器的基本原理

2.1.1数字存储示波器的组成原理

数字示波器是数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。

数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能。

还有一些示波器可以提供存储，实现对波形的保存和处理。

目前高端数字示波器主要依靠美国技术，对于300MHz带宽之内的示波器，目前国内品牌做的示波器在性能上已经可以和国外品牌抗衡，且具有明显的性价比优势。

数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，其使用日益普及。

由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异，如果使用不当，会产生较大的测量误差，从而影响测试任务。

带宽是示波器最重要的指标之一。

模拟示波器的带宽是一个固定的值，而数字示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。

数字示波器对重复信号采用顺序采样或随机采样技术所能达到的最高带宽为示波器的数字实时带宽，数字实时带宽与最高数字化频率和波形重建技术因子K相关（数字实时带宽=最高数字化速率/K），一般并不作为一项指标直接给出。

从两种带宽的定义可以看出，模拟带宽只适合重复周期信号的测量，而数字实时带宽则同时适合重复信号和单次信号的测量。

厂家声称示波器的带宽能达到多少兆，实际上指的是模拟带宽，数字实时带宽是要低于这个值的。

例如说TEK公司的TES520B的带宽为500MHz，实际上是指其模拟带宽为500MHz，而最高数字实时带宽只能达到400MHz远低于模拟带宽。

所以在测量单次信号时，一定要参考数字示波器的数字实时带宽，否则会给测量带来意想不到的误差。

2.2数字存储示波器的工作方式

2.2.1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计算的结果，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。

2.2.2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

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。

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。

由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