Atmega16多功能示波器毕业设计.docx
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Atmega16多功能示波器毕业设计
主要
研究
内容
目标
特色
数字存储示波器是随着数字集成电路技术的发展而出现的新型智能化示波器，已经成为电子测
量领域的基础测试仪器。
随着新技术、新器件的发展，它正在向宽带化、模块化、多功能和网络化的方向发展。
数字存储示波器的优势是可以实现高带宽及强大的分析功能.现在高端数字存储示波
器的实时带宽已达到20GHZ，可以广泛应用于各种千兆以太网、光通讯等测试领域。
而低端数字存储示波器几乎可以应用于国民经济各个领域的通用测试，同时可广泛应用于高校及职业学校的教
学，为社会培养众多的后备人才。
数字存储示波器的技术基础是数据采集，其设计技术可以应用于更广泛的数据采集产品中，具有深远的意义。
数字存储示波器，是对被观测的电子信号进行波形采集、显示、测量、存储及分析的仪器。
成果
描述
数字存储示波器是随着数字集成电路技术的发展而出现的新型智能化示波器，已经成为电子测
量领域的基础测试仪器。
随着新技术、新器件的发展，它正在向宽带化、模块化、多功能和网络化的方向发展。
许多学校已示波器作为一
在各类院校的教学过程中,电学实践、实验的内容在整体教学中的比例不断增加，将电学、电子学的实验课程作为基础性实践教学而开展起来。
在这些实验室建设中，
种常用的测量仪器而被广泛使用。
本系统具有如下功能：
（1）
成果
价值
需要接入前级
要求单边输入,不需要加入前级，可测0-5V20K以下任意波形。
双边输入，电路。
+-5V范围。
（2）要求仪器的输入阻抗大于100k,垂直分辨率为12级/div，水平分辨率为12点/div;设示
波器显示屏水平刻度为7div，垂直刻度为4-5div。
（3）要求设置2s/div、0.2ms/div二档扫描速度，仪器的频率范围为DC~500hz误差w5%,。
（4）要求设置1.0V/div、1.2V/div二挡垂直灵敏度，误差w5%
一、开展本课题的意义及工作内容：
课题意义：
数字存储示波器是集数据采集和模拟示波器优点于一身的一种精密测量设备，可以将其
看作带有显示功能的数据采集系统，亦可将其看作是具有量化存储功能的模拟示波器。
与数据采集系统
比，它一般有很多优点：
如
（1）更宽的输入频带；
（2）更高的采样速率；（3）更深的存储深度，并有着数据采集系统所不具备的：
直观屏幕显示功能；等效采样等等。
工作内容：
利用单片机设计数字存储示波器。
用软件和硬件相结合快速把模拟信号转换为数字量，
核心是用avr单片机内带的10位AD的转换器技术。
其模拟量通过示波器显示出来。
包括：
数据采集模
块，数据存储模块，数据输出模块。
二、课题预期达到的效果：
（1）要求单边输入，不需要加入前级，可测0-5V20K以下任意波形。
双边输入，需要接入前级电路。
+-5V范围。
（2）要求仪器的输入阻抗大于100k,垂直分辨率为12级/div，水平分辨率为12点/div;设示波器
显示屏水平刻度为7div，垂直刻度为4div。
（3）要求设置2s/div、0.2ms/div二档扫描速度，仪器的频率范围为DC~500hz误差w5%。
（4）要求设置1.0V/div、1.2V/div二挡垂直灵敏度，误差w5%
（5）观测波形无明显失真。
二、文献综述
⑴前言
示波器是最常用的一种电子测量仪器，能够直接有效地将被测信号显示出来，方便观察和测试被测
信号的各种参数，完成其它测量仪器达不到的目的，是电子工程师完成电路设计、调试的有利工具。
数字示波器诞生之后，性能不断得到提高。
首先，提高取样率，从最初的21倍信号带宽，提高到
5倍甚至10倍带宽；其次，提高数字示波器的更新率，达到并超过模拟示波器的水平，使观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲的能力大为增强；再次，采用多处理器加快信号处理能力，降低操作难度；最后，采用多种显示工艺，达到与模拟示波器同样的显示效果，可以直观有效地反映出被测信号的诸多参数，提供更全面、准确的测量信息。
数字示波器通常分为三种类型：
数字存储示波器（DSO、数字荧光示波器（DPO）和采样示波器。
数字存储示波器常常采用大规模集成电路和微处理器构成，在微处理器统一指挥下完成工作。
数字存储示波器将波形存储在数字存储器当中，理论上具有无限长的存储时间，便于对存储的信号进行加工处理，并且有能力捕获和显示触发前的信号。
数字荧光示波器是在DSO的基础上发展起来的性能更高的数字示波器，具有DSO所拥有的特点，并
能实时显示、存储和分析复杂信号的三维信息，捕捉到当今复杂动态信号的全部细节和异常情况，并以人眼所能接受的速度显示出来。
手持式数字
随着技术的不断进步，数字示波器出现新的成员：
混合信号数字示波器、万用示波表、示波表等等，这些类型的示波器将成为数字示波器未来发展的主力军。
衡量一台示波器的优劣主要考虑性能、可用性和具有针对性的应用功能，这也是所有示波器研究、开发所着力解决的问题。
性能主要体现在带宽方面，是指示波器在频域内处理信号的能力；可用性主要体现在仪器智能化方面，是指示波器自主处理信号的能力；针对性主要体现在应用方面，是指示波器能否满足特殊测试需要的能力。
只有这三个方面的功能都比较完善，才能称这台示波器为理想示波器。
（2）主题
在我国，数字存储示波器是随着数字集成电路技术的发展而出现的新型智能化示波器，己经成为电
子测量领域的基础测试仪器。
随着新技术、新器件的发展，它在向宽带化、模块化、多功能和网络化的方向发展。
数字存储示波器的优势是可以实现高带宽及强大的分析功能。
现在高端数字存储示波器的实
时带宽已20GHz[3]，可以广泛应用于各种千兆以太网、光通讯等测试领域。
而低端数字存储示波器几乎可以应用于国民经济各个领域的通用测试，同时可广泛应用于高校及职业学校的教学，为社会培养众多的后备人才。
数字存储示波器的技术基础是数据采集，其设计技术可以应用于更广泛的数据采集产品中，具有深远的意义。
凡是有电子技术的地方都离不开它，是基本的常规的测量仪
工科学生必须掌握它的使用方法，模
目前市场上模拟示波器应用最为广泛，器，有些信号必须用模拟示波器测量，在实验教学中有着重要位，拟示波器不能淘汰。
（3）
通过外部附加设备，把模拟示波器改被改造的模拟示波器恢复原功能。
研制数字存储示波器也具伴随着时代的进步和科学技术的发展，数字技术因其独有的在测量技术领域，数字测量技术相对于模拟测量技术来说有其独
总结
本论文研制的数字存储示波器，不改变模拟示波器内部结构，造成数字存储示波器。
去掉外部附加设备，有科研意义。
数字化测量是技术发展所需，优点已经应用到国民经济的各个领域。
到的优点。
在示波器方面，用模拟示波器可以观测一般信号的波形，如规则的周期信号，但对于复杂的随机信号，观测是比较困难的，原因在于信号的随机性，此时就要用到数字存储示波器，它能够较容易地实现对高速信号、随机瞬态信号的实时捕捉，可以人为的设置触发方式进行观测。
所以本设计采用Atmega系列单片机，充分体现了示波器的简易性，可行性。
ATmega16是基于增强的AVRRISC吉构的低功耗8位CMO微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmegal6勺数据吞吐率高达1MIPS/MHz从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
ISP下载口线设
设计用到了ATmega内部自带的10位AD转换功能，且方便AD转换滤波线路的设计，计。
数据采集方面直接输送到单片机内部。
+-5V之间，
0~5V。
在
而且能够实现其充分
智能控制由Atmega16控制，外部输入信号进过前级转换，可以双边控制，电压值在且可以通过不同的短接，产生AC和DC的测试；不接外部输入，可产生单边控制，电压值在
显示波形方面，采用较为实惠的NOKIA5110液显，这种显示器不仅体现了简易行，
的功能。
使得本系统可靠，实用。
第一阶段:
时间：
2008年12月至2009年01月任务：
查阅相关资料，完成初步的知识积累，对系统的设计有基本的认识，并且有大概的研究方向基本的设计思路。
第二阶段：
时间：
2009年01月至2009年02月任务基本完成各模块的设计，能够实现系统的基本功能即能够实现示波器的基本功能。
在现有条件下完成系统的实际电路安装。
第三阶段：
时间：
2009年02月至2009年04月任务：
对系统做整体的测试，尽量发现错误，根据实际情况对系统作微小的调整使系统性能达到最佳，并编写毕业论文，准备论文答辩。
硬件部分和软件设计基本完成，能够产生正弦波，可以从液显上读出频率值和幅度值，实现一档扫描速度2ms/div，设置了1.0v/div,1.2v/div两档垂直灵敏度，误差<5%,实现了垂直分辨率1.2v/div，水平分辨率1.2v/div。
波形在显示无明显失真。
目前只实现了一档的扫描速度2ms/div，还有一档10ms/div未能实现，在按键实现切换两档
扫描没能实现。
由于液显太小，不能一起显示幅度值和频率值，只能通过小格数读出数值。
由于本人水平有限，只是粗略完成了数字存储示波器关键技术的研究和探索，完成了硬件和部分软件，距离完善整个系统仍然有差距，在下一步的研究过程中，可以从以下几个方面着手考虑：
（1）在前级仅设计了驱动放大电路，在今后还可以设计告诉程控放大电路，以弥补量程足;
（2）
在LCD显示界面的开发存在较大的研究空间。
一部良好的测试仪器，显示是一个重要环节，在
今后可以丰富显示信息，完善显示界面。
基于Atmega16的简易示波器
【摘要】本系统是利用avr单片机内部具有的10位AD转换对模拟信号进行采样，然后将转换好的10位二进制数迅速存储到存储器RAM中，在完成对模拟信号一个或多个周期的采样后，由外部
LCDN5110上显示出来。
本系
电路系统（如单片机）将存储器中的采样数据读出处理，在液晶显示器统的重点在于是否通过前级接入来改变显示波形电压的范围。
1.绪论
3
......3
1.1选题背景
1.2选题研究的目的与意义
1.3本文主要工作及要求
2.
方案论证
2.1
2.2
1.绪论
2.3
1.1选题背景
20世纪五六十年代的电子管示波器，发展
示波器作为一种十分有效的信号测试、测试工具，已从到目前功能齐全、性能先进的多种数字示波器。
数字示波器以其高精度、高性能在示波器家族中脱颖而出。
它使示波器不仅能收集和显示信息发展到能够计算和分析信息。
根据预先编好的程序，示波器可进行微分、积分、平均、平方根、有效值等多种运算，并能自动校准、纠错、自动进行数据交换等功能等。
但通常这样一台仪器价格比较昂贵，不适合实验教学的需要。
因此在这里我们提出一种采用单片机控制，由一些数字集成芯片和LCD构成的简易
便携式数字存储示波器的设计方案。
1.2选题研究的目的与意义
数字存储示波器是随着电子计算机技术的发展而产生并发展起来的一种具有存储功能的新型仪器，主要用于观察、分析和测量非重复信号、重复信号、单次信号、单次冲击信号等。
它使用微处理器，利用A/D转换器和数字式存储器采集和存储波形。
可以将其看作带
数字存储示波器是集数据采集系统和模拟示波器优点于一身的一种精密测量设备，有显示功能的数据采集系统，亦可将其看作是具有量化存储功能的模拟示波器。
与数据采集系统相比，它一般具有如下特点：
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
更宽的输入频率;更高的采样速率;更深的存储深度;并有着数据采集系统所不具备的直观屏幕显示功能;
等效采样功能;多样触发功能;丰富的分析处理功能。
与模拟示波器相比，它一般具有如下特点：
（1）更高的时间测量准确度（由于使用晶体振荡器）;
（2）更高的幅度测量准确度（由于采用了数字显示技术,减少了误差源）。
这个采集模块
由于数字存
本课题的设计目的是设计一个具有数据采集，数据存储，数据测量的逻辑电路模块。
与模拟示波器分开独立，把采集存储模块与模拟示波器组合使用即是简易数字存储示波器。
储示波器属于数据采集系统与模拟示波器技术相结合的产物，其中出现了许多诸如A/D转换位数，采样
速率，存储深度等模拟示波器所没有的重要技术指标，同时扫描速度，垂直灵敏度，水平与垂直分辨率
等这些技术指标也与传统的模拟示波器指标的定义不一样。
因此，通过基本的电路设计初步了解数字存
储示波器的工作原理及各项参数的意义，然后对系统进行硬件扩展及开发相应的应用软件来扩展系统的功能和提高各项参数指标以达到实际运用的目的。
以及整个系统的性能
本课题的研究主要在于数字存储示波器的硬件电路与应用程序的设计与实现，的优化技术处理。
1.3本文主要工作
本文的主要工作体现在一下几点：
（1）给出了系统软件设计思想，并予以实现。
用AVR单片机编写程序实现输入信号经过数据采集
AVR内部AD转换，从而产生波形，并且在液显上显示波形。
（2）将所设计的硬件与软件系统结合，对系统进行了调试、测试，发现波形的频率、幅度的调节精度和抗干扰性等技术性能指标基本上达到预期的设计目标。
预期目标如下：
1要求单边输入,不需要加入前级，可测0-5V20KHZ以下任意波形。
双边输入，需要接入前级电路，电压可测+-5V范围。
2要求仪器的输入阻抗大于100k,垂直分辨率为12级/div，水平分辨率为12点/div;设示波器
显示屏水平刻度为7div，垂直刻度为4div。
3
AC/DC~5khz误差w5%。
要求设置10ms/div、2ms/div二档扫描速度，仪器的频率范围为
4要求设置1.0V/div、1.2V/div二挡垂直灵敏度，误差w5%。
观测波形无明显失真。
⑤
2.方案论证
2.1方案设计和选择
方案一：
51单片机,这种方案要求单片机除完成基本处理分析外，还需要完成信号的采集、存储、显示等控制与交换工作。
该方案外部电路繁杂，系统规模增大，不具有灵活性。
方案二：
FPGA/CPLD或带有IP核的FPGA/CPLDT式。
即FPGA/CPLD^成采集、存储、显示及A/D等功能，由IP核实现人机交互等功能。
这种方案的优点在于系统结构紧凑、可以实现复杂测量与控制；缺点是操作过程烦琐，成本昂贵。
方案三：
AVR单片机，此单片机具有内部自带的AD转换器，即由单片机完成人机界面，系统控制、
信号分析、处理、变换来完成采集控制逻辑，可通过前级切换实现单边，双边输入。
这种方案充分体现了性价比，充分发挥了单片机的功能，且价格低廉，可靠性高等特点，开发也较为容易。
所以本系统采用方案三。
22系统设计方案的设计
尽可能降低
按照系统设计的要求，作为一种简易数字存储示波器应在保证实现基本功能的基础上，系统成本。
本系统采用单片机作为数据处理和控制核心，将设计任务分解为通道信号调理、触发信号产生、采
集存储、采集融合处理、显示、掉电保护等功能模块。
整个系统可从功能上划分为以下几大模块：
（1）主控制模块
由于系统设计要求能独立到测试现场采集信号，主控模块应当是以AVR单片机为核心的最小系统。
由于ATMEG系列单片机具有扩展性强等特点，本系统采用ATMEG系列单片机。
根据系统设计的要求，
简化结构，减小体
ATMEGA1作为简易数
选择ATMEG公司的ATMEGA1单片机。
单片机使用有助于仪器仪表的精度和准确度，积且易于携带和使用，加速仪器仪表向智能化、多功能化方向发展。
所以我选用字存储示波器的主控芯片。
（2）数据采集模块
数据采集模块即前向通道，主要负责对模拟信号的采样。
该模块中，核心是A/D转换的方式主要有并行式A/D、串行式A/D以及积分式A/D。
积分式十毫秒，速率低，不适合系统频率的要求。
转换。
（3）信号复现模块
信号复现模块主要负责将采集的数据还原为模拟信号，在液显上显示。
（4）键盘控制模块
键盘控制模块主要是用来选择波形类型。
（5）LCD显示模块
LCD显示模块就是把D/A转换后的数据波形显示出来。
2.3系统的总体框图
根据上述系统方案得到的系统总框图如图1-1所示:
图2-1系统总框图
3.系统硬件电路设计
3.1MCU主控模块硬件电路设计
主控模块是整个系统的核心，包括单片机及其扩展外接存储和外接扩展接口，即要将外接扩展及扩
展接口按其信息传输流程连到单片机扩展总线上。
同时要考虑地址分配及译码电路设计和控制电路设
计。
其结构框图如图2-1所示:
3-1主控模块结构图
3.1.1ATMEGA16单片机简介
ATmega16是基于增强的AVRRISC吉构的低功耗8位CMO微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16勺数据吞吐率高达1MIPS/MHz从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与算逻单元（ALU）相连接，
使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率，并且
具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
ATmega16有如下特点：
16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW）512字节EEPROM1K字节SRAM32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时
器/计数器（T/C）,片内/外中断，可编程串行USART有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有
可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串
行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。
工作于空闲模式时CPU停止工作，而USAR丁两
线接口、A/D转换器、SRAMT/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一
个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以
Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式
外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，
片内ISPFlash允许程序存储器通过ISP串引导程序可
下则允许振荡器和异步定时器继续工作。
本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。
行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。
以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区（ApplicationFlashMemory）。
在更新应用Flash存
储区时引导Flash区（BootFlashMemory）的程序继续运行，实现了RWW操作。
通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制
应用提供了灵活而且低成本的解决方案。
3.1.2最小系统设计
（1）复位线路和晶振电路的设计
士CIO
[jHD
（2）AD转换滤波线路的设计
GHD
图3-2AD转换滤波线路
为减小AD转换的电源干扰，Mega16芯片有独立的AD电源供电。
官方文档推荐在VCC串上一只10uH的电感（L1）,然后接一只0.1uF的电容到地（C7）。
Megal阳带2.56V标准参考电压。
也可以从外面输入参考电压，比如在外面使用TL431基准电压源。
不
过一般的应用使用内部自带的参考电压已经足够。
习惯上在AREFW接一只0.1uF的电容到地（C8）。
AVC（直接接到VCCAREF悬空。
即这部分不
重要说明：
实际应用时，如果你想简化线路，可以将需要任何的外围零件。
（3）ISP下载口线设计
J』
FM㈣CD
图3-3ISP下载线路
PC2（TCK、
ISP下载接口，不需要任何的外围零件。
使用双排2*5插座。
由于没有外围零件，故
PC4（TD0、PC3（TMS、PC5（TD1）、复位脚仍可以正常使用，不受ISP的干扰。
重要说明：
实际应用时，如果你想简化零件，可以不焊接2*5座。
但在PCB设计时最好保留这个空
位，以便以后升级AVR内的软件。
3.2数据采集模块
数据采集模块的核心是A/D转换。
A/D转换是通过A/D转换器来实现的。
A/D转换器的作用就是把模拟量转换成数字量，以便于计算机进行处理。
实现该功能的器件叫做A/D转换器。
对理想的A/D转换器，起模拟输入值和数值量输出的关系是：
NVa/Vr
3.2.1AD转换
根据前面的论述，我们使用Atmega16内部自带的A/D转换器，AD（具有专门的时钟。
这样可以在ADCT作的时候停止CPI和I/O时钟以降低数字电路产生的噪声，从而提高ADC转换精度。
Atmega16A/D转换器的基本特点和参数如下：
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
（9）
（10）
（11）
（12）
（13）
（14）
Atmega16有一个10位的逐次逼近型ADCAD与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A的
8路单端输入电压进行采样。
单端电压输入以0V（GND）为基准。
器件还支持16路差分电压输入组合。
两路差分输入（ADC1、ADC0与ADC3ADC2有可编程增益级，在A/D转换前给差分输入电压提供0dB（1x）、20dB（10x）或46dB（200x）的放大级。
七路差分模拟输入通道共享一个通用负端（ADC1）,而其他任何ADC
输入可做为正输入端。
如果使用1x或10x增益，可得到8位分辨率。
如果使用200x增益，可得到7位
分辨率。
ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。
ADC由AVCC引
脚单独提供电源。
AVCC与VCC之间的偏差不能超过±0.3V。
标称值为2.56V的基准电压，以及AVCC
都位于器件之内。
基准电压可以通过在AREF引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。
322前级电路TL082吉构及应用
TL082是一通用的J-FET双运算放大器。
其特点有：
较低的输入偏置电压和偏置电流；输出设有短路
保护；输入级具有较高的输入阻抗；内建频率补偿电路；较高的压摆率。
最大工作电压：
VCCmax=+18v。
其内部结构图如下：
本系统前级电路用到两个TL082双运放，第一级是电压跟随，电压跟随器一般作用就是做缓冲级及隔离级，没有电压跟随器的时候阻抗高，带载能力差，于是有可能输出电压达不到理想值，增加电压跟
随之后，输出阻抗变低，带载能力强了，电压就不会下跌了。
第二级是电压反相放大，实际放大倍数是
3.3信号频率测量
利用信号的一个周期作为时间闸门信号，在这个周期内部，对单片机内部的已知
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