简易数字存储示波器参考论文

2015 届毕业设计说明书

简易数字存储示波器设计

院、部：电气与信息工程学院

学生姓名：

指导教师：职称讲师

专业：自动化

班级：

完成时间： 2015年6月

摘要

随着示波器的发展和进步，普通模拟示波器的功能已不能满足人们的要求，数字存储示波器以其可以存储波形，稳定的输出，方便观察波形，操作简

单等特点代替了模拟示波器。

依据课题任务和要求，课题设计的简易数字存储示波器以89C52为核心，整个系统由信号采集、数据处理、A/D转换部分、D/A转换部分、波形存储部分、键盘输入、波形显示等部分组成。基于题目要求，设计的方案是先对被测波形进行A/D转换，将模拟量转换成数字量，然后对数字量进行存储，这样可以实现示波器的存储功能，即当输入波形取消后，系统仍然可以从RAM中读取波形的消息。为了使该系统更具可控性，引入了键盘操作模块，可以通过键盘输入来设定示波器的工作方式以及实现其他功能选项，该系统对数据存储、水平扫描速度输出功能进行了重点设计。此存储示波器具有一般示波器实时采样实时显示的功能，又可以对某段波形进行即时存储和连续回放显示。设计中给出了系统的整体控制方案和系统软硬件设计。运用keil对软件进行编译和调试；采用Proteus对系统进行了仿真。仿真结果表明，通过单片机控制该次设计可以实现数字存储示波器的一些简单功能。如实时显示波形、波形延伸、存储波形、显示存储波形、显示存储波形延伸等。

关键字：数字存储示波器；单片机；数/模转换器；模/数转换器

ABSTRACT

Wanting develops high speed along with the science and technology, simulates oscilloscope's function not to be able to satisfy people's request, the digital storage oscilloscope by its may save the profile, the stable output, facilitated the observation profile, characteristics and so on simplicity of operator replaces has simulated the oscilloscope. This design's simple digital storage oscilloscope, take 89C52as a core, by signal gathering, the data processing, the profile demonstrated that functional modules and so on control panel compose. The overall system divides into a/D conversion fraction, the D/A conversion fraction, the profile memory part, the keyboard entry to control four major part compositions. Based on the topic request, this system to the data storage, the horizontal scanning speed output function has carried on the key design. This storage oscilloscope namely has the common oscilloscope real-time sampling real time display function, may also carry on the immediate memory to some section of profiles and playback the demonstration continuously. The output wave shape may enlarge 2 time or 4 time of output demonstrations on the oscilloscope X axis. Concrete principle of design as well as

process under chapter detailed explanation.

Key words The digital storage ；The monolithic integrated circuit；AT89C52；D/A transform；A/D to transform

目录

1 绪论 5

1.1选题意义及发展背景 6

1.1.1选题意义 (6)

1.1.2发展背景 (6)

1.2简易数字存储示波器研究现状 6

1.3课题设计任务和设计主要内容7

1.3.1课题设计任务 (7)

1.3.2课题设计主要内容 (7)

2系统方案选择与确定7

2.1控制部分8

2.2存储模块8

2.3数据采集模块9

2.4数据存储器

2.5水平分辨率9

2.6垂直分辨率10

2.7单片机对ADC控制原理10

2.8系统总设计方案11

3系统硬件设计11

3.1控制电路设计

3.2A/D模块电路设计12

3.3D/A模块电路设计12

3.4外围电路输入模块设计13

3.5晶振电路设计14

3.6存储电路模块设计15

3.7触发信号电路设计16

3.8输入电路设计16

4系统软件设计17

4.1程序设计思路18

4.2程序设计18

4.2.1主程序设计 (18)

4.2.2显示存储波形子程序设计 (19)

4.2.2按键子程序设计 (20)

5系统仿真及仿真结果分析22

5.1系统仿真23

5.1.1仿真软件Proteus的介绍 (23)

5.1.2仿真结果 (23)

5.2仿真结果分析26

结束语27

致谢27

参考文献29

附录A 电路原理图29

1 绪论

1.1选题意义及发展背景

1.1.1选题意义

数字示波器能够将人眼无法直接看到的电子束的运动状态与电信号以曲线的形式清晰地展现在荧光屏或者其他显示屏幕上，变成人眼能够直接观察到的光迹图像。通过测量传感器，用示波器可以方便地观测和研究各种非电量的变化现象和过程。示波器已成为一种直观、通用、精密的测量工具，广泛应用到化学、物理学、生物学、医学等各种学科领域和电子工程、仪器仪表、计算技术、自动控制等各种工程技术之中，进行对电量和许多非电量的测试、分析、监视，示波器发展速度都远远超过了其他电子测量仪器。随着集成电路的飞速发展，数字示波器在数量和性能上也逐渐超越了模拟示波器，并有取而代之的趋势。因为相对于经典的示波器，数字示波器有着极宽的宽带。

1.1.2发展背景

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。自布劳恩的第一台示波器问世以来，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,人们的工作主要致力于扩展频带宽度和固态化，随着技术的日益成熟，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，数字示波器自诞生以来，其应用越来越广泛，已成为测试工程师必备的工具之一。21世纪这是一个科学和技术都在飞速发展的时代，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采集，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。

1.2简易数字存储示波器研究现状

示波器已成为工业自动化领域装备制造广为关注的重要课题，国际上示波器的研究、开发走上开放发展的征程。早期的数字存储示波器取样率较低，一般不超过50MSa/s，带宽在20MHz一下，结构形式以数字存储加传统模拟示波器二合一的组合为主，功能少，性能低，数字存储示波器的发展也进入了快车道，取样率达到4Gsa/s，记录长度超过32K。随着技术的成熟，停止了模拟示波器的生产，专心培育数字示波器的市场，后来已经完全取代了模拟示波器。数字存储示波器的开始向100MHz以下带宽的通用数字存储示波器方向发展，并且性价比迅速提高，目前，100MHz以下的数字存储示波器，将与模拟示波器同时并存发展。虽然模拟示波器本身也不断的数字化，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数字存储示波器所特有的预触发、存储和数据处理等测量功能。可以预计，通用示波器全面取代模拟示波器的日子不会很远。但由于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，广泛应用到化学、物理学、生物学、数学、医学等各种学科领域和电子工程、钢铁冶炼、仪器仪表、计算技术、雷达导航、自动控制、宇宙飞行等各种工程技术之中，目前我国在这一领域还刚刚起步，了解国际上该项技术的现状与发展动向，对于我国相关行业的发展，对自动化技术、设备的更新，无疑具有重要的作用。

1.3课题设计任务和设计主要内容

1.3.1课题设计任务

设计并制作一台简易的数字存储示波器，要求所设计的示波器具有一般示波器实时采样实时显示的功能，又可以对某段波形进行即时存储和连续回放显示，能将被测的信号经A/D转换，然后将数字量进行存储，并对其采样，再经系统D/A转换，从而在显示屏显示出波形。

1.3.2课题设计主要内容

根据课题设计任务书要求，设计采用了单片机控制技术，将被测信号经A/D转换，再送入AT89C52芯片中进行存储，经D/A转换，再在液晶显示屏上进行连续显示。设计主要包括两个部分，硬件设计和软件设计，硬件部分主要包括控制模块、存储模块和数据采集模块。软件部分主要部分是设定好采样点数和采样速率,然后让出总线,由ADC0832进行数据采集，并直接送到89C52储存单元，采集数据完成后，存储在存储单元的数据送入DAC0808，然后通过示

波器显示出来。

2系统方案选择与确定

2.1控制部分

方案一：采用简单的逻辑电路组合成控制系统。可以就系统的各个部分在系统工作时的状态画出时序图，转化为真值表进行逻辑运算，设计出逻辑电路来控制系统的运行，此方案由硬件实现，设计复杂，系统庞大，多级门电路的串联造成的时延对系统的稳定产生不利的影响，而且难以对数据进行复杂的处

理。

方案二：FPGA/CPLD或带有IP核的FPGA/CPLD完成采集、存储、显示及A/D、D/A等功能，由IP核实现人机交互及信号测量分析等功能。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、操作方便；缺点是调试

过程繁琐。

方案三：纯单片机方式。即由单片机-A/D转换器、D/A转换器及存储器等组成系统。这种方案要求单片机除了完成基本处理分析外，还需要完成信号的采集、存储、显示等控制与变换工作。其优点在于系统规模较小，有一定灵活性，但是不适宜于观察高速信号或复杂信号。

综合考虑，该论文采用方案三。

2.2存储模块

方案一：由单片机启动A/D转换，读入采集到的数据，然后存储到RAM 内，期间可以把数据送到D/A转换芯片输出。此方案设计简单，易于实现。但是在一个采样周期内单片机要完成多个读写外部数据的操作，严重制约了数据

的采样速度。

方案二：采用DAM（直接存储器存取）方式实现数据的高速采样和存储。DAM控制器、RAM、D/A转换器等器件，全部挂在总线上。当启动DMA方式时，单片机让出数据和地址总线，由DMA控制器控制数据的读写；当DMA控制器完成工作后，单片机再接管总线控制权，执行其他读写操作。采用DMA 方式存取数据时，在时钟脉冲的上升沿启动发送设备送出数据，同时在地址总线发出相应的目标地址并选通相应的接受设备，然后在时钟脉冲的下降沿将数据直接通过数据总线送入接收设备，实现了数据的直接传送（即不经过CPU的传送）。期间由于并不经过转存数据的过程，因此传输速率基本上只取决于数据的发送设备和接受设备的速度或DMA控制器的速度。

方案三：采用双口RAM同时配合FPGA控制RAM的地址线，从而达到波形数据的存储。双口RAM可以同时进行读和写操作，很适合题目的要求，但

控制要求比较复杂，成本也比较高。

该设计采用方案一。考虑到数据传输不是很快，而且是单向传输（数据存到RAM），在没有专用DMA控制器的情况下，单纯用单片机控制系统的数据

采集和存储。

2.3数据采集模块

方案一:采用中高速模数转换器，用CPLD准确定时给单片机发送中断信号，单片机在中断服务程序中控制采样速率。考虑用“等效实时采样法”实现对较高频段波形数据的采集，即先将周期性的高频信号经过取样变成波形与之行传相似的周期性低频信号，然后进一步处理。这样虽然对高频信号也可以进行

采样回访，但限于周期信号。

方案二：采用A/D芯片ADC0832和精密低噪运放0P37组成程控运放模块，由单片机控制其放大倍数，改变DI的置数，可以改变模块的放大倍数，它可以实现以10倍为1档的灵敏度调节。这种方法只适合输出电压在较低的幅度，对于大信号来说实际上增大了噪声幅度。

比较两种方案，虽然都能满足整个频段采样量化的要求，但方案一无法采集频率较高的非周期信号，该设计采用方案二，考虑到转换的速率不必严格等同于采样时的速率，可以选一个固定的速率，精度也不需要很高，只要不使屏幕发生闪烁就行，只要求建立的时间要求尽可能的小就行，因此方案二足以满

足要求了。

2.4简易数字存储示波器指标分析

2.4.1水平分辨率

在数字存储示波器中，水平系统的作用是确保对输入信号采集足够数量的采样值，并且每个采样值取自正确的时刻，和模拟示波器一样，水平偏转的速度取决于时基的设置（s/格）。通常，示波器沿着水平轴显示512采样点，为了便于使用，这些采样点以每格50个采样点的水平分辨率来进行显示，这就是说水平轴的长为512/50=10.24格。据此，两个采样之间的时间间隔可按下式计

算：

采样间隔=时基设置（s/格）/采样点数

若时基设置为1ms/格，且每格有50个采样，则可以计算出采样间隔为采样间隔=1ms/50=20us 采样速率是采样间隔的倒数：采样速率=1/采样间隔通常示波器可以显示的采样点数是固定的，时基设置的改变是通过改变采样速率来实现的，因此一台特定的示波器所给出的采样速率只有在某一特定的时基设置之下才是有效的。在较低的时基设置之下，示波器使用的采样速率也比较低了

解这一时基设置值是非常重要的，因为这个值是示波器采集非重复性信号时的最快的时基设置，使用这个时基设置时示波器能给出其可能的最好的时间分辨

率。

此时基设置值称为“最大单次扫描时基设置值”，在这个设置值之下示波器

使用“最大实进采样速率”进行工作。

2.5.2垂直分辨率

示波器的垂直方向共8格，要求每格32级，共有32*8=256级。n=㏒2256=8，因而，采用8位A/D即可，垂直分辨率为8位。扫描速度与采样频率

的关系：

假设扫描速度为ts/div,每格点数为n，采样频率为fs,则：fs=n/t,当n=20时，针对不同的扫描速度，可得到不同的采样频率见表1。

在n一定的情况下，扫描速度的改变是通过改变采样频率实现的。对于50kHz的正弦波，采样频率为1MHz时，每周期可采样20个点，由采样值可以很好地恢复采样前信号。因而，选用采样频率为1MHz以上的A/D即可满足单路输入时对频率范围的要。若考虑到双路输入的情况，所需A/D最高采样频率应为2MHz。因而，应选择采样频率为2MHz以上的A/D。考虑到是通过分频得到相应频率，在控制信号作用下通过数据选择器的切换，实现不同采样率，

即不同扫描速度。

2.6单片机对ADC控制原理

正常情况下ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1 个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示起始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2 位数据用于选择通道功能。当此2 位数据为“1”、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2 位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。到第3 个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数

据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0。随后输出8位数据，到第19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。

作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0~5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终

为00H。

2.7系统总设计方案确定

数据采集和存储采用了单片机控制，所以软件主要功能是控制采样，存储和输出以及对系统各部分工作进行协调。在系统初始化时，由CPU控制总线，在需要进行数据采集时,先设定好采样点数和采样速率,然后让出总线,由ADC0809进行数据采集，并直接送到89C52储存单元，采集数据完成后，存储在存储单元的数据送入DAC0832，然后通过示波器显示出来。最后设计的简易

数字存储示波器的方框图如图1所示。

图1系统总体方框图

3系统硬件设计

3.1 A/D模块电路设计

将连续变化的模拟量转换成数字量的器件称为模/数转换器（ADC），A/D 转换器选用ADC0832，ADC0832是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，可处理8路模拟量的输入，且有三态输出能力，即可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入／输出与TTL兼容，转换时间约为100μs。ADC外围电路连接

如图2所示。

3.2D/A模块电路设计

数/模转换器（DAC）是一种把数字信号转换为模拟信号的器件。数字量是二进制代码的位组合，每一位数字代码都有一定的权，并对应一定大小的模拟量。为了将数字量转换成模拟量，应将数字量的每一位都转换成相应的模拟

量。

DAC0808是使用非常普遍的8位D/A转换器，由于片内有输入数据寄存器，故可以直接与单片机接口，DAC0808以电流形式输出，当需要转换为电压输出时，可外接运放大器。单一电源供电，逻辑电平输入与TTL电平兼容。电流建立时间1us。该芯片具有双锁存器的工作方式，即在输出模拟信号的同时，送入下一个数据，这样可有效地提高转换速度。另外，有了两级锁存器以后，可以在多个DAC同时工作时，利用第二级锁存信号来实现多个DAC的同时输出。DAC0808的外围连接电路如图3所示。

图3 DAC0808的外围连接电路

数字信号由单片机输出后经D/A转换后才可以输入到示波器中，写信号都有ATC89C51的WR端来控制。当地址线选通DAC0832后，只要输出WR控制信号，DAC0832就能完成数字量的输入锁存和D/A转换输出。

3.3输入模块电路设计

系统通过按键能得到设计所需要的波形，K1键为存储波形，K2键为显示存储波形，K3键为显示2倍存储波形延伸，K4键为显示4倍存储波形延伸，K5键实时显示波形，K6键实时2倍显示波形幅度，6个键的一端都接地，另一端分别接AT80C51单片机的P2.7口、P2.6口、P2.5口、P2.4口、P2.3口和

P2.2口。其接线图如图4所示。

图4按键电路图

3.4晶振电路设计

AT89C52芯片中的高增益反相放大器，XTAL1是芯片振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端的引脚，XTAL2是芯片振荡器反相放大器输出端的引脚。RST是复位输入端，当振荡器工作时，ALE当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节．一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。PSEN端是程序储存允许PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。EA脚欲使CPU 仅访问外部程序存储器 EA端必须保持低。EA端状态在这XTAL1和XTAL2引脚中间并接石英晶体振荡器(X1)和两个只电容器。其中两个电容器去22PF，另外一个取10PF。并连接一个10K欧姆的电阻，这样就构成了震荡回路，为片内放大器提供了震荡所需的相移条件和正反馈，从而构成了一个相对稳定的自激振荡器，如图5

所示。

图5单片机振荡电路

3.5存储电路模块设计

要将输入信号显示在示波器上，那么采样到的数据要进行重组，则必然要求将ADC0832的转换数据先存放在存储器中，然后再通过对存储器的读写操作将数据进行与示波器显示相对应的重组操作。在单片机的处理下实现对输入信号的重现，即实现存储示波器的存储功能。数据存储器的硬件电路连接如图6

所示。

图

图6存储电路图

3.6触发信号电路设计

触发电路的作用最终产生统一的上升沿有效的触发信号，触发信号产生电路的核心就是比较电路。比较器采用MC3486，该芯片可处理10MHz的输入信号，输出同TTL电平兼容；最大幅度触发产生电路通过峰值保持电路记录信号的峰值，并与输入信号进行比较，当输入信号幅度低于峰值保持电路的输出电平时，比较器输出上升沿触发信号。电路原理如图所示，图中晶体管T1器取样

保持开关作用。如图7所示。

图7触发信号产生电路图

3.7输入信号调理电路设计

信号由输入端进入经LF356进行后，再进入由U18和CD4052组成的程控放大与衰减电路。程控放大与衰减电路实际上就是一个反相器，由模拟开关CD4052切换不同的反馈电阻，实现放大倍数的调整。当垂直灵敏度为1V/div 时，输入信号峰峰值最大为1V/div×8div =8V，而A/D转换器TLC5510的输入电压范围为0～2V，所以要衰减4倍。如图8 所示。

图8输入调理电路图

在信号输入时一般信号都是有负电压信号和正电压信号组成，而ADC0809的输入电压范围是0-5V，所以必须加一信号提升电路。其采用加法器原理外加提升电压，使整个信号得以提升以达到ADC0809的输入要求。

3.8电源电压电路设计

4系统软件设计

4.1程序设计思路

数据采集和存储采用了单片机控制，软件主要功能是控制采样，存储和输出以及对系统各部分工作进行协调。在系统初始化时，由CPU控制总线，在需要进行数据采集时,先设定好采样点数和采样速率,然后让出总线,由ADC0832进行数据采集，并直接送到89C52储存单元，采集数据完成后，存储在存储单元的数据送入DAC0808，然后通过示波器显示出来。

软件关键部分为按键控制部分，数据采集部分和D/A转换部分。

按键控制部分主要控制存储波形，输出存储波形，波形在时间轴上的放大。把存储在平片内RAM中的数据按照设定的时间送给D/A转换器，改变送出数据时间间隔从而改变波形的延伸倍数。

数据采集部分通过单片机控制存储在片内或片外RAM中的数据，D/A转换部分包括读取片内RAM或片外RAM判断间隔时间然后输出波形送给示波器显示，实现存储波形的显示、实时显示、在时间轴上的延伸等子功能。

4.2程序设计与介绍

4.2.1主程序设计

主程序中先判断是否有按键按下，如果没有按键按下，程序继续执行，转入A/D转换，结果依次送入单片机内部存储器的200个存储单元，存储结束转入D/A转换，数据读取中间有时间间隔,控制波形输出频率。如果有按键按下，则程序判断是哪个键按下，从而跳转执行各个子程序。A/D转换结果由单片机控制依次存入外部存储器的1000个存储单元，当这1000个存储单元存储完毕，程序自动转入扫描键盘继续执行主程序。主程序的流程图如图9所示。

图9主程序流程图

4.2.2波形存储子程序设计

显示存储波形子程序，按片外RAM存储数据顺序读取数据进入D/A转换，数据转换中间有一定的时间间隔，可以控制波形的单倍、双倍、四倍延伸输出。延长时间隔通过软件实现，循环读取数据进入D/A转换，每次循环会判断是否复位拨码开关是否开启，如果开启程序自动转入扫描键盘继续执行主程序。实时显示及信号幅度加倍程序，控制继电器从而控制运放电路的放大倍数，然后转到扫描键盘继续执行主程序。显示存储波形子程序流程图如图10所

示。

图10波形存储子程序流程图

4.2.3按键子程序

电路中K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8按键的地址分别是0X01、0X02、0X04、0X08、0X10、0X20、0X40、0X80，按键子程序流程图如图11

所示。