数字存储示波器毕业论文.docx

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数字存储示波器毕业论文

摘要

数字存储示波器是随着数字电路的发展而发展起来的一种具有存储功能的新型示波器。

原先人们看好的模拟示波器的一些优点，目前数字示波器已完全能够做到，特别是在捕获非重复信号、避免信号的虚化和闪烁、在时间上从触发事件反问寻迹——实现在电路中隔离故障等方面，数字示波器显示出了模拟示波器无可比拟的优势。

因此，数字示波器由于其优势的性能、良好的性能价格化，刚一问世,就显示出它强大的生命力,各行各业均迫切需要,有其广阔的发展前途。

本简易数字存储示波器,以单片机为控制核心,由通道调理、触发、波形显示等功能模块组成。

本系统对触发系统、水平扫描速度和垂直灵敏度的自动设置功能（AUTOSET）及波形参数测量等功能进行了重点设计。

设计中采用了模块化设计方法，并使用了多种EDA工具，提高了设计效率。

整个设计实现了存储示波器的所有功能要求，达到较高的性能指标。

关键词：

存储器，转换器，数字存储示波器，单片机

ABSTRACT

Itisthatonedevelopedwithdevelopmentofthedigitalcircuitisnew-typeoscillographwhichstoresthefunctionthatthefigurestorestheoscillograph.Originalancestorsseesomeadvantagesofthegoodsimulationoscillograph,thedigitaloscillographcanalreadybeaccomplishedatpresent,catchingandisnotrepeatingthesignal,avoidingmeltingandglimmersspeciallyemptily,replythemarkofseekingfromtheincidentoftouchingoffontimeofthesignal--Realizingitinisolatingthetroubleinthecircuitetc.,thedigitaloscillographdemonstratestheincomparableadvantageofthesimulationoscillograph.Sodigitaloscillographbecauseperformance,goodperformancepriceofadvantagetheir,justcomingout,demonstrateditsstrongvitality,alltradesandprofessionsneededurgently,thereisitswidedevelopmentprospect..

Thissimpleandeasyfigurestorestheoscillograph,regardone-chipcomputerasthecoreofcontrolling,nursedone'shealth,touchedoffbythepass-way,thewaveformshows,etc.thefunctionmodulemakesup.Suchfunctionsasautomaticestablishmentfunction（AUTOSET）andwaveformparameterthatthissystemscannedthespeedandverticalsensitivityintouchingoffsystem,levelaremeasuredhavebeendesignedespecially.Haveadoptthemoduledesignmethodinthedesign,hasusedmanykindsofEDAtools,haveimproveddesignefficiency.Thewholeoffunctionsofdesigningandrealizingstoringtheoscillographrequire,reachthehigherperformanceindex

Keyword:

thememory,theconverter,thefigurestorestheoscillograph,MicroComputerUnite

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要2

ABSTRACT3

第一章绪论4

1.1课题背景4

1.2课题研究的目的和意义5

1.3课题的主要研究工作6

第二章系统整体设计方案9

2．1硬件总体框图9

2．2系统实现的原理11

2．3软件整体设计22

2．4数字示波器技术参数22

第三章硬件模块设计23

3.1程控放大电路23

3.2电源电路25

3.3高速AD转换与FIFO存储电路26

3.4时钟产生电路30

3.5MCU2单片机显示处理电路31

3.6MCU1单片机控制与信号整形电路33

第四章软件设计35

4.1MCU1的软件部分设计35

4.2MCU2的软件部分设计38

第五章总结与展望46

参考文献48

第一章绪论

1.1课题背景

在电子测量技术的发展史上，没有一种仪器产生过比示波器更大的影响。

今天，在科学研究、工业生产等领域，示波器已成为最灵活、多用的电子仪器。

自布劳恩（G.F.Braun）的第一台示波器（1897年）问世以来，示波器的发展迅速，方兴未艾。

示波器的功能可以概括为捕获、显示和分析时域波形，后人在这三个方面进行了大量的改进工作。

本世纪60年代末，人们的工作主要致力于扩展频带宽度和固态化，从70年代开始，注意力转向自动化、实用化和提高准确度。

微计算机和仪器通用接口的出现，给示波器的自动化发展推到一个崭新的水平。

微计算机引入示波器，给传统示波器带来了巨大的冲击和革命性的影响，使示波器在设计、性能、功能、使用与操作以及鼓掌诊断等方面都产生了巨大的变化。

为适应迅速发展的电子计算机工业中设计、测试的需要，示波器的功能已从时域分析扩展到数据域分析。

当前，高精确度、功能多样、使用灵活、操作方便、性能可靠，已成为示波器生产厂家追求的主要目标。

1.2课题研究的目的和意义

随着电子工业的发展，电子技术已渗透到国民经济各个领域中。

利用电子技术进行的测量——电子测量技术发展很快，已经形成一门学科，并在一定程度上反映该国的科学技术水平。

在电子测量仪器中，示波器所占的地位是非常重要的。

对于电量和许多非电量的测试来说，是一种主要的、通用的测量工具。

其使用面之广，发展速度之快，都远远超过其它测量仪器。

它已广泛地应用于国防、科研、学校以及工农商业等各个领域和部门。

迄今40多年来，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、记忆、数字存储、逻辑、智能化示波器等近十大系列、几百个品种。

就美国Tektronix公司而言，建于1947年，目前已有9大系列，100多个品种，产品的销售遍及全球，已被世界公认为示波器的权威。

1951年以来，我国在示波器生产方面也有很大进展，形成了一支和生产示波器的专业队伍，已能生产宽带、取样、高灵敏度、记忆、数字存储、逻辑等各门类的示波器，有些门类的主要技术指标已接近国际先进水平。

现在主要门类的示波器有通用示波器（宽带示波器）、取样示波器，高灵敏度示波器、记忆示波器、数字存储示波器、逻辑分析仪（逻辑示波器）、数字化、智能化示波器。

数字存储示波器是随着数字电路的发展而发展起来的一种具有存储功能的新型示波器。

它与记忆示波器一样，都具有记忆功能，但其工作原理却截然不同。

它是采用数字电路，把输入信号经过A/D转换，将模拟波形变换成数字信息，并存入存储器中。

待需读出时，在通过D/A转换，能捕捉触发前的信号，可通过接口与计算机相连接等特点。

是与计算机连成系统。

分析复杂的单次瞬变信号的有效仪器。

刚一问世，就显示出它强大的生命力，各行各业（包括电子、机械、纺织、水力等）均迫切需要，有其广阔的发展前途。

现在，原先人们看好的模拟示波器的一些优点，即具有迅速的响应特性、面板直接控制操作、可直接观测输入信号、价格低廉等，目前数字示波器已完全能够做到，特别是在捕获非重复信号、避免信号的虚化和闪烁、在时间上从触发事件反问寻迹——实现在电路中隔离故障等方面，数字示波器显示出了模拟示波器无可比拟的优势。

因此，数字示波器由于其优势的性能、良好的性能价格化，现已成为示波器的主流产品

。

1.3课题的主要研究工作

自然界里各种电信号或现象可归纳为二大类：

一类是周期性重复信号，另一类是非周期的、单次的或随机的信号。

对于第一类低频到高频的信号，利用模拟示波器（例如宽带示波器和取样示波器）可以满意地解决观测问题；对于第二类信号的观测，虽然可以利用宽带示波器单次照相的办法进记录，但是使用很不方便，对于那些变化很快的非重复信号，在示波器屏幕上一闪而过，则无法记录。

本世纪70年代起，数字集成电路和微处理机技术获得了迅速发展，示波器也开始应用这些新技术来适应各种需要。

数字存储示波器就是70年代初发展起来的一种新颖示波器，它将模数（A/D）转换器和存储器引入了示波器。

数字存储示波器利用A/D转换把被测模拟信号变成数字信号，然后存入随机存储器（RAM）中，需要显示时将RAM中存储的容调出，通过相应的电路控制显示器，将RAM中的波形数据显示到屏幕上。

这种示波器不仅可用于记录、观察波形，而且可将获得的信息进一步作数据处理。

在有突发性异常情况时，为便于分析产生的原因，用它记录下异常情况发生前的波形数据是很方便的。

随着数字存储示波器的出现，使得由传统的模拟示波器占统治地位的情况发生了变化。

虽然它出现的时间不长，但在性能上已经达到了较高的水平。

数字存储示波器能以数字化的形式处理并记录波形，为其它设备提供了研究波形的方便。

模拟（通用）示波器在对连续的实时波形进行测量时，具有较宽的频带,在研究高频信号时占有优势，价格也较便宜。

对于数字存储示波器来说，观察非重复信号的带宽比观察连续信号时要低。

数字存储示波器中应用了微处理器，使波形测量的精确度提高了。

使用者可以在屏幕上利用移动光标的方法测量时间和幅度，并且直接读出测量结果，省去了烦琐的数格和考虑比例因子的工作。

数字存储示波器具有把波形“冻结”供以后进行详细分析的能力。

一般来说，这一特点可用来研究变化缓慢的信号、随机信号、非重复信号。

在数字存储示波器问世以前，屏幕照像是“冻结”波形所采用的主要方法。

另外，采用记忆示波器管构成的记忆示波器也可以达到这数字存储示波器在捕捉波形方面具有较大的优势。

它对波形进行密集的采样，采样植被数字化并被存储，然后从存储器中取出，然后从存储器中取出，并把重建的波形用清晰的、均匀一致的轨迹重现在屏幕上。

不过，数字存储示波器也有它的局限性。

其中之一是多数数字存储示波器使用等效时间采样来达到最大存储带宽。

由于数字存储示波器的采样密度可以超过重复触发脉冲，因此对连续波形是可行的。

但对瞬时脉冲的存储，实时采样速率便成为一个限制因素，这一速率在较快的数字存储示波器中为1~200M/s,时间分辨率为1×10³~5ns。

由于采样速率的限制，使得数字示波器不能用于较高的频率围。

如果需用10MHZ以上的宽带对瞬时信号做细致观察的话，采用记忆示波器要更好一些。

在低于10MHZ时，数字存储示波器有一系列吸引人的方面。

其中之一是可以重建一个清晰的存储波形。

还可以捕捉并显示预触发波形，这一特征可用来查找那些导致未知或间断相应的过程。

多个波形可被单个或成组调出，取数目取决于存储容量。

这种存储能力是非常有用的，可用来对存入的波形和参考波形进行比较，还可以把工作现场取到的波形带到其它地方进行研究。

另外，使用者还可以把存储的波形转移到其它设备中做后期处理和分析，还可以把它们存入其它磁性介质中长期保存。

屏幕更新速率是数字存储示波器另一个限制因素，它不象模拟示波器那样实时显示波形的变化，在数字存储示波器中，波形的显示被延迟了，被测信号总要经过一段时间才能在屏幕上显示出来。

在数字存储示波器中，还有一个触发间隔问题，为了解决在低速扫描时的触发间隔问题，一些数字存储示波器采用滚动模式，它通过存储器滚动数字化波形，使其连续不断地被显示在屏幕上，它的工作情况很象图表记录器。

使用这一方法后触发间隔的影响可以被消除。

另外，微弱的噪声在模拟示波器上是显示不出来的，因此观察者将看不到噪声。

但是这种噪声信号可以在数字存储示波器上明显地被看到，这是因为任何噪声或颤动都会在采样时被捕捉。

较好的数字存储示波器都带有IEEE——488接口，使示波器可广泛用于自动测量和波形分析。

对这种可通过总线编程的示波器，使用专用的仪器控制器或通用的微型计算机可对其面板操作及部功能进行自动控制。

此外，还可把存储在示波器中的波形数据保存在外部存储器中，或进行全面的脉冲参数分析及傅立叶变换。

总之，与通用的模拟示波器相比，数字存储示波器有以下优点：

（1）具有存储触发前信息的功能。

用数字存储示波器的预触发功能（负延迟功能）能观测触发前的信号，因而可捕获和显示故障发生前的信号，便于故障检测。

（2）长久保存波形，在观察缓慢信号时无闪烁现象。

因为数字存储示波器采用了RAM，可以慢速写入，快速读出，所以无闪烁。

有的示波器有电池备用，在切断外部电源后仍能保存数据。

（3）数据输出可加至数据采集系统，用快速傅立叶变化进行处理。

（4）可同时将已存储的波形与实时波形同时显示，以便进行比较。

（5）精确度高。

数字存储示波器采用光标测量时，能减少输入放大器和示波管线性度的影响，可以获得较高的精确度。

数字存储示波器首先是美国尼科莱特公司于1972年研制成功的，近年来各国都先后研制出多种规格的这种示波器，为示波器和计算技术的结合创造了良好条件，其发展前途是相当广阔的。

第二章系统整体设计方案

该示波器的设计分为硬件设计和软件设计两部分。

示波器的控制核心采用atmel公司生产的avr单片机。

由于整个系统控制复杂，所以采用了两片ATmega单片机。

模拟/数字转换芯片采用BB公司的8位高速A/D转换器ADS830E,官方资料给出的采样频率为10kSa/s~60MSa/s，可以满足本设计要求。

A/D转换器采集到的数据送至FIFO芯片进行缓存。

软件部分采用C语言进行设计，设计环境为AVRStdio4。

采用的EDA设计工具为AltiumDesignder6.0和AVRStdio4。

2．1硬件总体框图

图2.1系统整体框图

该示波器由6部分电路构成，分别是：

1.输入程控放大（衰减）电路；

2.高速AD转换电路；

3.FIFO存储电路；

4.显示控制电路；

5.时钟产生电路；

6.测频与控制电路；

信号从探头输入，进入程控放大（衰减）电路进行放大（衰减），再对被放大（衰减）的信号进行电平调整后送入高速AD转换器对信号进行采样，采样所得的数据存入FIFO存储器中，当FIFO存满后通知MCU2，MCU2从FIFO存储器中读出数据进行处理，将波形显示在LCD模块上。

时钟电路为高速AD转换器和FIFO存储器提供从600Hz~60MHz的8种不同的频率信号作为不同水平扫速时的采样时钟频率。

从程控放大器输出的信号一路送入AD转换器，另一路送入整形电路对输入信号进行整形，作为测频率的待测信号送入MCU1的16位计数器外部触发引脚T1（PD5），进行频率测量，程控放大器的放大（衰减）倍数和时钟电路的输出频率均由MCU1控制。

MCU1将被测信号的频率、程控放大器的放大倍数和时钟电路的输出频率等数据通过SPI总线发送给MCU2，MCU2以这些数据作为频率、水平扫速、灵敏度和峰峰值计算、显示的依据。

2．2系统实现的原理

2．2．1实时取样

数字存储示波器（DSO）是利用A/D转换器把被测模拟信号变换成数字信号，然后存入RAM中，需要时可将RAM中存储的容调出，通过相应的D/A转换器再恢复为模拟量显示在示波器屏幕上。

示波器每隔一定的时间间隔，由A/D转换器将模拟信号变换成数字信号存储在RAM的过程，称为存储器的写过程，然后再将这些点从存储器中依次取出顺序排列起来，用这些点的包络线重新输入的模拟信号。

在数字存储示波器中，每隔一个时钟周期取样一次，它是采用实时取样方式进行的，故能观察单次信号。

与取样示波器一样，在观察波形时取样点的密度要足够大，这样显示器才能重现被观察的波形，否则会产生“频谱叠混”效应，使示波器得出错误的测量结果。

2.2.2A/D转换器介绍

1.AD转换器的分类

下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点：

积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、∑-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。

1）积分型（如TLC7135）

积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值。

其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。

初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。

2）逐次比较型（如TLC0831）

逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。

其电路规模属于中等。

其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。

3）并行比较型/串并行比较型（如TLC5510）

并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash（快速）型。

由于转换速率极高，n位的转换需