基于单片机的数字存储示波器设计.docx

1、基于单片机的数字存储示波器设计1 前言 11.1选题的背景意义和研究现状 11.1.2国内外研究现状 11.2设计的任务和要求 21.2. 1设计的基本要求 21.2. 2课题的具体工作内容 21.2. 3论文的结构安排 32数字示波器的基本原理 42.1数字存储示波器的基本原理 42.1.1数字存储示波器的组成原理 42.1.2数字存储示波器的工作方式 52.1.3数字存储示波器的显示方式 62.1.4数字存储示波器的特点 72.2系统的方案设计 82.2. 1系统的控制 92.2. 2输入模拟信号的处理 92.2. 3数字信号的采集与存储 103系统硬件电路的设计 103.1单片机及其外围

2、电路 113.2信号输入电路单元 123.2. 1输入调理电路设计 123.2.2阻抗变换电路设计 133.2.3电平移位电路设计 143.2.4频率计算电路设计 143.3 A/D转换电路 183.3. IADC芯片的选取 193.3. 2AD转换电路的硬件设计 223.4存储单元电路 233. 4. 1存储芯片的选取 233. 4.2存储单元硬件电路设计 233. 5按键控制电路 243.6液晶显示接口电路 264系统功能的软件设计 284.1单片机软件开发系统 284.2主程序设计及流程图 284.3频率及幅值计算子程序设计 294.3. 1频率计算的原理及程序流程图 294.3. 2幅

3、值计算的原理及程序流程图 304.4按键子程序 314.5显示子程序 325结论和展望 345.1结论 345.2展望 34致谢 34参考文献 361前言1.1选题的背景意义和研究现状1.1.1选题的背景和意义1909年的诺贝尔物理奖得主Karl Ferdinand BraUn于1897年发明世界上第一 台阴极射线管示波器，至今许多德国人仍称CRT为布朗管(BraUn TUbe)O根据IEEE 的文献记载1972年英国的NiCOlet公司发明了第一台的数字示波器(DSO),到1996 年惠普科技(安捷伦科技前身)发明了全球第一台混合信号示波器(MSO),数字示波器 自上个世纪七十年代诞生以来，

4、其应用越来越广泛，已成为测试工程师必备的工具 之一。时间到了 21世纪这是一个科学和技术都在飞速发展的时代，随着电子技术、 计算机技术、通信技术和自动化技术的高速发展,电子测量仪器也有了巨大的发展。 数字式示波器就以其存储波形及多种信号分析、计算、处理等优良的性能从而逐步取 代模拟示波器。用数字示波器能完成对信号的一次性釆集，把波形存储起来，还可 以通过移位操作观察波形的任何一部分等等。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

5、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儿乎可以应用 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釆集，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。为了巩固大学4年来所学的知识，将课本上的理论知识运用到实际中，而且能掌 握和了解本专业的仪器测量这块的先进发展趋势，我选择了简易数字存储示波器这个 题目作为的大学毕业设计题目。1.1.2国内外研究现状自从1972年世界上第一台数字存储示波器

6、(DSO , 乂称数字示波器)问世以来，经 历了三个发展阶段。1986年以前为DSo发展的初期阶段，当时的取样率较低，一般不 超过50MSas,带宽在20MHZ以下，结构形式以数字存储加传统模拟示波器二合一的 组合式为主，功能少，性能低。主要代表性产品有美国哥德(GOUId)公司生产的4035, HP公司生产的HP54200o 1986年-1994年，伴随拓速ADC和高速RAM的迅速发展，DSO 的发展也进入了快车道，取样率达到了4GSas,记录长度超过32K。每年各示波器生 产厂商都推出新的型号，技术上开始走向成熟。1989年，HP公司率先停止了模拟示 波器的生产，专心培育数字示波器市场。到

7、1993年，DSo的销售额就超过了传统模拟 示波器，使持续将近半个世纪的模拟示波器市场发生动摇。1995年以后，DSo在技术 上己经成熟，带宽在1OOMHZ以上，DSo已经完全取代了模拟示波器。20（M年10月， AGlLENT公司推出了具震撼性的DS081304A数字存储示波器，带宽3GHz,上升时间23ps, 最高釆样率40GHz o这时,除了继续提高取样率（最高达40GSa/s）、带宽（达20GHZ） 和增加记录长度（达16MB）外，DSo制造商开始向IooMHZ以下带宽的通用DSo方向发展， 并且性价比迅速提高。1996年，AGlLENT公司面向通用DSo市场推出了IOOMHZ带宽的数

8、 字存储示波器54645A及首款混合信号示波器54645D。AGlLENT公司在后续推出的 54620/40A/D系列混合信号示波器中提供了强大的串行触发能力，包括SPI、USB、IZE、 LIN.和EAX等。通用DSo的单台价格己接近同档次的模拟示波器水平。口前，IOOMHZ 以下的DSO,将与模拟示波器同时并存发展。虽然模拟示波器本身也在不断的数字化, 增加数字显示和光标测量的功能。但是，模拟示波器无法具备DSo所特有的预触发、 存储和数据处理等测量功能。可以预计，通用DSo全面取代模拟示波器的日子不会很 远了。Lr前，IooMHZ数字存储示波器的代表性产品，国外的主要有AgiIent公司

9、的5000 系列,TektroniX公司的TDSIOO0. TDS2000系列。国内DSo的研制工作起步较晚,第 一台DSo于1993年在电子部41研究所研制成功，但是起步水平较高，最先推出的是取 样率为40MSas,带宽分别为750MHZ和800MHZ的两个型号产品。到96年就把带宽提高 到TIGHZ o 98年把取样率提高到lGSa/so研制中的IOOMHZ带宽的深存储型DSo已经取 得了阶段性成果。目前主要的生产厂家是美国安捷伦公司、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。1.2设计的任务和要求1.2.1设计的基本要求1.要求仪器的输

10、入阻抗大于100Ko2.要求设置0.6msdiv 1.2msdiv二档扫描速度，误差W 10%。3.要求设置0.5Vdiv 0.75Vdiv二挡垂直灵敬度，误差W 10%。4.仪器的频率范围为DC10kHz,触发方式釆用内触发。5.观测波形无明显失真。1.2.2课题的具体工作内容1.原始数据（1） 输入信号：05V、频率（0IKHZ）O（2） 存储深度320Be2.技术要求：（1） 测量准确度：10%（2） 点阵式液晶显示3.工作要求：（1） 组建基于单片机的简易数字示波器的总体结构框图，如图1-3所示；（2） 根据设汁测量范围和准确度要求，通过理论分析和汁算选择电路参数;（3） 根据操作功能

11、要求，确定键盘控制功能；（4） 按设计要求确定显示位数、指示类型和单位；（5） 采用C语言编写应用程序并调试通过；（6） 对系统进行测试和结果分析；（7） 撰写论文。图1-3系统的原理框图1.2.3论文的结构安排1前言，2示波器的基本原理，3系统硬件电路的设计，4系统功能的软件设 计，5存储示波器的制作与调试，6结论与展望。2数字示波器的基本原理2.1数字存储示波器的基木原理2.1.1数字存储示波器的组成原理一个典型的数字示波器原理框图如图2-1所示，它乂分实时和存储两种工作模 式，当处于实时工作模式时，其电路组成原理和一般模拟示波器是一样的。当处于 存储工作模式时，它的工作过程一般分为存储和

12、显示两个阶段，在存储工作阶段，模 拟输入信号先经过适当的放大或衰减，然后经过取样和量化两个过程的数字化处理, 将模拟信号转化成数字化信号，最后，数字化信号在逻辑控制电路的控制下一次写 入到RAM中。图2-1数字示波器原理框图上述取样是获得模拟输入信号的离散值，而量化则是每个取样的离散值经A/D转 换器转换成二进制数字 且取样,量化及写入过程都是在同一时钟频率下进行的。在显 示工作阶段，将数字信号从存储器中读出来，并经DA转换器转换成模拟信号，经垂 直放大器放大加到CRT的Y偏转板。与此同时，CPU的读地址计数脉冲加之DA转换器， 得到一个阶梯波的扫描电压，加到水平放大器放大，驱动CRT的X偏转

13、板，从而实现在 CRT上以稠密的光点包络重现模拟信号。显示屏上显示的每个点都表示数字存储示波器捕获的一个数据字，点的垂直屏幕 位置山对应的存储单元的二进制数据给出，点的水平屏幕位置山对应的存储单元二 进制地址给出。若经DA转换的模拟信号内插器的插值处理，还可以使点显示变为连 续显示。数字存储示波器对模拟量进行实时取样。实时取样是对一个周期内的信号的不同 点取样，它与取样示波器的跨周期取样是不同的。N个取样点得到的数字量分别存储 于地址号为OOH-ONH的N个RAM存储单元中，这样，采样点所存储的地址信息即表示了 采样点的时间信息。在显示时依序取出采样离散化数据，经DA变换后的输出送到Y 偏转板

14、；同时存储单元地址号从OOH-ONH也经过DA转换，形成阶梯波，并送到X偏转板。 在共同作用下，荧光屏上将显示离散的亮点。只要X方向和Y方向的量化程度足够精 细，这些离散的亮点就能准确代表被测波形。将数字存储技术和微处理器用于取样 示波器，可以构成存储取样示波器。2.1. 2数字存储示波器的工作方式(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

15、算的中间数据和讣算的 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)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1)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。2)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。山于触发点位置的不 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。预置触发对显示数据的选择 带来了很大的灵活性。(3)测量和计算工作方式数字存储示波器对波形参数的测量分为自动测量和手动测量两种。一般参数的测 量为自动测量，及示波器自动完成测量工作，并将测量结果以数字的形式显示在荧光 屏上，特殊值的测量使用手动光标进行测量，即光标测量。光标测量指的是在荧光屏 上设置两条水平光标线和两条垂直光标线，这四条光标线可在面板的控制下移动，光 标和波形的交点，对应于信号存储器中的相应的数据。测量时，示波器在测量程序 控制下，根据光标的位置来完成测