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

It is that one developed with development of the digital circuit is new-type oscillograph which stores the function that the figure stores the oscillograph . Original ancestors see some advantages of the good simulation oscillograph , the digital oscillograph can already be accomplished at present, catching and is not repeating the signal, avoiding melting and glimmers specially emptily, reply the mark of seeking from the incident of touching off on time of the signal --Realizing it in isolating the trouble in the circuit etc., the digital oscillograph demonstrates the incomparable advantage of the simulation oscillograph . So digital oscillograph because performance , good performance price of advantage their, just coming out , demonstrated its strong vitality, all trades and professions needed urgently , there is its wide development prospect. .

T his simple and easy figure stores the oscillograph, regard one-chip computer as the core of controlling, nursed one's health, touched off by the pass-way, the wave form shows, etc. the function module makes up . Such functions as automatic establishment function (AUTOSET ) and wave form parameter that this system scanned the speed and vertical sensitivity in touching off system , level are measured have been designed especially. Have adopt the module design method in the design, has used many kinds of EDA tools, have improved design efficiency. The whole of functions of designing and realizing storing the oscillograph require , reach the higher performance index

Keyword: the memory , the converter, the figure stores the oscillograph , Micro Computer Unite

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评阅教师评阅书

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摘要 (1)

ABSTRACT (2)

第一章绪论 (3)

1.1课题背景 (3)

1.2课题研究的目的和意义 (3)

1.3课题的主要研究工作 (4)

第二章系统整体设计方案 (8)

2．1 硬件总体框图 (8)

2．2 系统实现的原理 (9)

2．3 软件整体设计 (20)

2．4 数字示波器技术参数 (20)

第三章硬件模块设计 (21)

3.1程控放大电路 (21)

3.2电源电路 (23)

3.3 高速AD转换与FIFO存储电路 (24)

3.4 时钟产生电路 (28)

3.5 MCU2单片机显示处理电路 (29)

3.6 MCU1单片机控制与信号整形电路 (31)

第四章软件设计 (33)

4.1 MCU1的软件部分设计 (33)

4.2 MCU2的软件部分设计 (36)

第五章总结与展望 (44)

参考文献 (46)

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]2[。

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中存储的内容调出，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13103~5ns。

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范围。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内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A VR Stdio 4。采用的EDA设计工具为Altium Designder 6.0和A VR Stdio 4。

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中存储的内容调出，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。

2.2.2 A/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内置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位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。

串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。

2. ADS830E介绍

该示波器采用的AD转换器是ADS830E

图 2.2 ADS830E功能图

2．2．3 AVR单片机介绍

1997年,由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash 新技术, 共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。

1）AVR单片机的优势特征

一、简便易学，费用低廉

首先，对于非专业人员来说，选择AVR单片机的最主要原因，是进入AVR单片机开发的门槛非常低，只要会操作电脑就可以学习AVR单片机的开发。单片机初学者只需一条ISP下载线，把编辑、调试通过的软件程序直接在线写入AVR单片机，即可以开发AVR单片机系列中的各种封装的器件。AVR单片机因此在业界号称“一线打天下”。

其次，AVR单片机便于升级。AVR程序写入是直接在电路板上进行程序修改、烧录等操作，这样便于产品升级。

再次，AVR单片机费用低廉。学习AVR单片机可使用ISP在线下载编程方式(即把PC机上编译好的程序写到单片机的程序存储器中)，不需购买仿真器、编程器、擦抹器和芯片适配器等，即可进行所有AVR单片机的开发应用，这可节省很多开发费用。程序存储器擦写可达10000次以上，不会产生报废品。

二、高速、低耗、保密

首先，AVR单片机是高速嵌入式单片机：

1、AVR单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行。

2、多累加器型，数据处理速度快。AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行。

3、中断响应速度快。AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断。

其次，AVR单片机耗能低。对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备。有的器件最低1.8 V即可工作。

再次，AVR单片机保密性能好。它具有不可破解的位加密锁Lock Bit技术，保密位单元深藏于芯片内部，无法用电子显微镜看到。

三、I/O口功能强,具有A/D转换等电路

1. AVR单片机的I/O口是真正的I/O口，能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。工业级产品，具有大电流(灌电流)10～40 mA,可直接驱动可控硅SCR或继电器，节省了外围驱动器件。

2. AVR单片机内带模拟比较器，I/O口可用作A/D转换，可组成廉价的A/D 转换器。ATmega48/8/16等器件具有8路10位A/D。

3. 部分AVR单片机可组成零外设元件单片机系统，使该类单片机无外加元器件即可工作，简单方便，成本又低。

4. AVR单片机可重设启动复位,以提高单片机工作的可靠性。有看门狗定时器实行安全保护,可防止程序走乱(飞),提高了产品的抗干扰能力。

四、有功能强大的定时器/计数器及通讯接口

定时/计数器T/C有8位和16位,可用作比较器。计数器外部中断和PWM(也可用作D/A)用于控制输出，某些型号的AVR单片机有3～4个PWM，是作电机无级调速的理想器件。

AVR单片机有串行异步通讯UART接口,不占用定时器和SPI同步传输功能,因其具有高速特性，故可以工作在一般标准整数频率下,而波特率可达576K。2）AVR 8-Bit MCU 的最大特点

与其它8-Bit MCU相比，AVR 8-Bit MCU最大的特点是：

2 哈佛结构，具备1MIPS / MHz的高速运行处理能力；

2 超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，克服了如8051 MCU采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象；

2 快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使用高级语言进行开发；

2 作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10mA-20mA灌电流的能力；

2 片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠；

2 大部分AVR片上资源丰富：带E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，IS P，AD，Analog Comparator，WDT等；

2 大部分AVR除了有ISP功能外，还有IAP功能，方便升级或销毁应用程序。

3）AVR单片机的应用区域

目前，AVR已被广泛用于：

·空调控制板

·打印机控制板

·智能电表

2 智能手电筒

2 LED控制屏

2 医疗设备

2 GPS

2．2．4 ATMega8和ATMega32单片机特点

1）该设计采用的控制器为Atmel公司生产的AVR系列单片机。ATMega系列为AVR系列的高端产品。其主要性能描述如下：

? 高性能、低功耗的 8 位AVR? 微处理器

? 先进的RISC 结构

– 131 条指令–大多数指令执行时间为单个时钟周期

– 32个8 位通用工作寄存器

–全静态工作

–工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS

–只需两个时钟周期的硬件乘法器

? 非易失性程序和数据存储器

– 32K 字节的系统内可编程Flash

擦写寿命: 10,000 次

–具有独立锁定位的可选Boot 代码区

通过片上Boot 程序实现系统内编程

真正的同时读写操作

– 1024 字节的EEPROM

擦写寿命: 100,000 次

– 2K字节片内SRAM

–可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密

? JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容)

–符合JTAG 标准的边界扫描功能

–支持扩展的片内调试功能

–通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程

? 外设特点

–两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器

–一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器

–具有独立振荡器的实时计数器RTC

–四通道PWM

– 8路10 位ADC

8 个单端通道

TQFP 封装的7 个差分通道

2 个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道

–面向字节的两线接口

–可编程的串行USART

–可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口

–具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器

–片内模拟比较器

? 特殊的处理器特点

–上电复位以及可编程的掉电检测

–片内经过标定的RC 振荡器

–片内/ 片外中断源

– 6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Stand by 模式以及

扩展的Standby 模式

? I/O 和封装

– 32 个可编程的I/O 口

– 40引脚PDIP 封装, 44 引脚TQFP 封装, 与44 引脚MLF 封装

? 工作电压

– ATmega32L：2.7 - 5.5V

– ATmega32：4.5 - 5.5V

? 速度等级

– ATmega32L：0 - 8 MHz

– ATmega32：0 - 16 MHz

? ATmega32L 在1 MHz, 3V, 25°C 时的功耗

–正常模式: 1.1 mA

–空闲模式: 0.35 mA

–掉电模式: < 1 μA

2）ATmega32 的结构框图