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。
成果
价值
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，许多学校已将电学、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，示波器作为一种常用的测量仪器而被广泛使用。
本系统具有如下功能：
（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≤5%，。
（4）要求设置1.0V/div、1.2V/div二挡垂直灵敏度，误差≤5%。
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≤5%，。
（4）要求设置1.0V/div、1.2V/div二挡垂直灵敏度，误差≤5%。
（5）观测波形无明显失真。
二、文献综述
（1）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。
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、手持式数字示波表等等，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。
目前市场上模拟示波器应用最为广泛，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，工科学生必须掌握它的使用方法，模拟示波器不能淘汰。
（3）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，通过外部附加设备，把模拟示波器改造成数字存储示波器。
去掉外部附加设备，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有科研意义。
数字化测量是技术发展所需，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优点已经应用到国民经济的各个领域。
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结构的低功耗8位CMOS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的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
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，ISP下载口线设计。
数据采集方面直接输送到单片机内部。
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+-5V之间，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0~5V。
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，而且能够实现其充分的功能。
使得本系统可靠，实用。
论文（设计）的进度计划
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。
目前已经完成的内容
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。
尚须完成的内容
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。
存在的问题和拟采取的办法
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LCDN5110上显示出来。
本系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。
目录
1.绪论.................................................................................3
1.1选题背景..........................................................................3
1.2选题研究的目的与意义..............................................................3
1.3本文主要工作及要求................................................................3
2.方案论证............................................................................4
2.1方案设计与选择....................................................................4
2.2系统设计方案的设计................................................................4
2.3系统总体框图......................................................................4
3.系统硬件电路的设计.................................................................5
3.1MCU主控模块硬件电路设计..........................................................5
3.1.1Atmega16单片机简介.........................................................5
3.1.2最小系统设计................................................................6
3.2数据采集模块......................................................................7
3.2.1AD转换.....................................................................7
3.2.2前级电路TL082结构及应用....................................................8
3.3信号频率测量......................................................................8
3.4LCD显示模块......................................................................9
3.5电源设计模块.....................................................................11
4.系统软件设计.......................................................................11
4.1主程序设计.......................................................................11
4.2A/D转换程序的设计...............................................................12
4.3液显程序的设计...................................................................13
5.系统测试...........................................................................14
5.1测试仪器.........................................................................14
5.2测试数据表格.....................................................................14
6.总结......................................................................14
致谢词................................................................................15
参考文献.............................................................................15
附录..................................................................................15
1.绪论
1.1选题背景
示波器作为一种十分有效的信号测试、测试工具，已从20世纪五六十年代的电子管示波器，发展到目前功能齐全、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。
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，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。
与数据采集系统相比，它一般具有如下特点：
（1）更宽的输入频率；
（2）更高的采样速率；
（3）更深的存储深度；
（4）并有着数据采集系统所不具备的直观屏幕显示功能；
（5）等效采样功能；
（6）多样触发功能；
（7）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）。
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。
这个采集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。
由于数字存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。
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，以及整个系统的性能的优化技术处理。
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 要求设置10ms/div、2ms/div二档扫描速度，仪器的频率范围为AC/DC~5khz，误差≤5%，。
4 要求设置1.0V/div、1.2V/div二挡垂直灵敏度，误差≤5%。
5 观测波形无明显失真。
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/CPLD方式。
即FPGA/CPLD完成采集、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。
2.2.系统设计方案的设计
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，尽可能降低系统成本。
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ATMEGA系列单片机具有扩展性强等特点，本系统采用ATMEGA系列单片机。
根据系统设计的要求，选择ATMEGA公司的ATMEGA16单片机。
单片机使用有助于仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减小体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ATMEGA16作为简易数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。
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A/D的转换周期一般为几十毫秒，速率低，不适合系统频率的要求。
由于本系统IO资源够用，因此，该系统频率采用串行式A/D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结构的低功耗8位CMOS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的数据吞吐率高达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EEPROM，1K字节SRAM，32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USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/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
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