便携式数字存储示波器的研究与设计

ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｗ７７Ｅ５８ ｏｆ Ｗｉｎｂｏｎｄ Ｉｎｃ．ｃｏｎｔｒｏｌｓ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｉｔ
ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｔｈｅ ＥＰＭ７０６４Ｓ ｏｆ Ａｌｔｅｒａ Ｉｎｃ．ｗｏｒｋｓ嬲ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ’ｓ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ
右【１］。 示波器的发展先后经历了电子管示波器阶段，晶体管示波器阶段和集成化示波器阶
段。现在示波器正朝着数字化．智能化发向飞速发展，示波器面貌日新月异，新产品层 出不穷。 随着科学技术的发展，示波器的种类、型号也是逐年更新。通常，根据其用 途和特点，示波器可划分为以下几种类型［２］：
１）通用示波器：它是利用单束示波管的示波器，运用了基本的显示原理，可对电 信号进行定性、定量的测量。
ａ ｋｉｎｄ ｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ：ｗａｖｅｆｏｒｍ ｄｉｓｐｌａｙ，ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅ，ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ，
ａｎａｌｙｚｅ，ｓｔｏｒａｇｅ，ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｔｈｅ Ｄｉ百ｔａｌ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ∞ＳＯ）ｗｉｌｌ ｒｅｐｌａｃｅ Ａｎａｌｏｇ
通过具体的开发设计，解决了关于实时嵌入式系统的一些有意义的实际问题，基本 实现了本文的设计目标。
关键词：数字存储示波器；单片机；复杂可编程逻辑器件；液晶显示
便携式数字存储示波器的研究与设计
Ｓｔｕｄｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ
ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｅａｔｕｒｅ ｉｓ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｇｅｎｅｒａｌ ｕｓａｇｅ．Ｉｔ ｅｎａｂｌｅｓ ｄｅｓｉｇｎｅｒ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ
ｐｒｏｄｕｃｔ ｗｉｔｈｉｎ ｓｈｏｒｔｅｒ ｔｉｍｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ Ｃａｎ ｂｅ ｅｘｐａｎｄｅｄ ｅａｓｉｌｙ．Ｔｈｅ Ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ
本文设计的便携式数字存储示波器采用ＣＰＵ＋ＣＰＬＤ（复杂可编程逻辑器件）的智 能仪器结构，使用液晶显示器（ＬＣＤ）显示。ＣＰＵ＋ＣＰＬＤ系统的最大特点是结构灵 活，有较强的通用性，适用于模块化设计，从而能够提高算法效率；同时其开发周期较 短，系统易于维护和扩展。Ｗｉｎｂｏｎｄ公司的单片机Ｗ７７Ｅ５８作为系统的核心，调控整个 系统正常运行，同时完成对数据的处理。Ａｌｔｅｒａ公司的ＥＰＭ７０６４Ｓ作为系统的外围控 制器，实现对系统的ＦＩＦＯ（先进先出存储器）与采样时钟的控制。采用液晶屏显示， 为用户提供友好的界面，并实现了系统的小型化和便携式。
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅｓ，ａｓ ｃｏｒｎ／ｎｏｎ
ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，ｈａｖｅ ｍａｄｅ ｇｒｅａｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ．Ｗｉｔｈ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅｓ ｈａｖｅ ｂｅｃｏｍｅ
大连理工大学 硕士学位论文 便携式数字存储示波器的研究与设计 姓名：武举 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：张元良
20050301
大连理工大学硕士学位论文
摘要
随着科学技术的发展，作为常用的检测工具，示波器的面貌也焕然一新。由于数字 技术的采用，示波器成为集显示、测量、运算、分析、记录等各种功能于一体的智能化 测量仪器。数字存储示波器（ＤＳＯ）将取代模拟示波器。目前，国内具有自主知识产权 的数字存储示波器产品还非常少，高昂的价格阻碍了数字存储示波器在生产和试验中广 泛的应用。在研究剖析数字存储示波器产品工作原理的基础上，本文提出了一种新的设 计思路，并详细论述了其设计和实现过程。
大连理工大学硕士学位论文
品之一，近几年来数字示波器的发展速度放慢，由于基础雄厚，仍然有高档产品推出。 因此，在高档数字存储示波器市场是泰克、力科、安捷伦三家最具竞争力。
以下是一些公司的产品简介：
表１．１美国ＴＥＫ的ＴＤＳ家族
ＴＤ￥３００
ＴＤＳ４００Ａ ＴＤＳ５００Ａ ＴＤ￥６００Ｂ ＴＤＳ７００Ａ ＴＤ￥８００
ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｒｔａｂｌｅ．
Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ＤＳＯ ａｒｅ ａｍｐｌｙ ｉｎ扛ｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ－ｓｏｆｔｗａｒｅ
ｄｅｓｉｇｎ ｆｒａｍｅ ａｎｄ ｔｈｏｕｇｈｔ ａ∞ｇｉｖｅｎ．Ｓｉｇｎａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ，Ａ／Ｄ ｃｋｃｕｉｔ．ｔｉｍｅ－ｈａｓｔ ｃｋｃｕｉｔ ａｎｄ
２０世纪６０年代是晶体管示波器阶段。由于采用晶体管器件，示波器带宽在驻足９ 年之后突破１００删ｚ达到１５０删ｚ。
２０世纪７０年代是集成化示波器阶段。集成电路技术为示波器的小型化和向高性 能、高可靠发展创造条件。１９７２年，第一台数字存储示波器诞生，它对示波器的发展 产生了重大的影响［３］。
８０年代以来，数字示波器异军突起，成果累累，大有全面取代模拟示波器之势。 现代示波器具有数字存储、数据处理、光标（游标）测量和ＣＲＴ读出等多种功能，借助 于总线能与主控电子计算机联网。这使得示波器在当今人类探索物理、化学、生物与生 命现象等内在奥秘的科学研究、试验以及现场监控等领域里，不仅起着显示波形的作 用，还能同时测得被测量的数值大小。比起数字频率计、数字电压表等数字化电子仪 器，示波器还具备测量、显示波形、存储、比较、光标数字读出、计算、程控、接口连 接等许多重要功能。现在，每个科学技术人员的试验台上几乎都必备一台测量示波器
ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｔｏｒａｇｅ ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ ｓｙｓｔｅｍ Ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ．
Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ ｈａｓ ｔｈｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｂｕｉｌｔ谢ｔｌｌ ＣＰＵ ａｎｄ ＣＰＬＤ （ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ），ａｎｄ ｕｓｅ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ（ＬＣＤ）．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ’Ｓ
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ＤＳＯ；Ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ；ＣＰＬＤ；ＬＣＤ
一Ⅱ
独创性说明
作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。
ｗａｖｅｆｏｒｍ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．
Ｓｏｍｅ ｓｉｇｎａｌｉｔｙ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｗｈｉｌｅ
ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｈｅ ｐｏｒｔａｂｌｅ ＤＳＯ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ’Ｓ ｄｅｓｉｇｎ ｏｂｊｅｃｔ ｉｓ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ａｃｈｉｅｖｅｄ．
典型应用 基本检修 电子机 设计研究 数字设 设计研究 集成电路
ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｎｃｌｕｄｅ ＦＩＦＯ（ｆｉｒｓｔ ｉｎ ｆｉｒｓｔ ｏｕＯ ｍｅｍｏｒｙ ａｎｄ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｃｌｏｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＬＣＤ， ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｆｒｉｅｎｄｌｙ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｏｒ ｕｓｅｒ’ｓ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ
［４］。
国际上，示波器行业主要有美国的泰克，力科，安捷伦，ＨＰ公司，日本的岩崎， 日立，建伍，台湾地区的固维等几十家制造商，其产品占据了国际示波器市场的大部分 份额。这些制造商的产品，基本上反映了国外示波器技术的发展历程、现状和趋势。其 中，１９４７年成立的美国泰克公司，目前已有九大系列产品，１００多个品种，几乎各个门 类示波器的最高指标均由它所占据，己成为示波器领域公认的权威。力科公司一直都是 数字存储示波器专门提供商，在高档产品方面以赶超泰克产品为目标，并发挥自己的高 能物理测量特长。安捷伦公司是测量仪器产品最全面的供应商，示波器只是多种品牌产
作者签名：－二榉 日期： ’ｆ
大连理工大学硕士学位论文
１绪论ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
１．１示波器简介
人类在认识自然和改造自然的过程中，必定要进行测量活动。电子测量，从广义上 来说是利用电子技术进行的测量。电子测量仪器则是采用电子技术测量电量或者非电量 的测量仪器。它是电子工业的基础和先行，近年来发展极为迅速，已成为一门独立的学 科。可以说，一个国家的电子测量技术水平，在一定程度上反映了该国的电子技术水
测。
５）特征示波器：指满足特殊用途或有特殊装置的示波器，如电视示波器、矢量示 波器等。
１．２示波器的国内外研究现状
从第一台商品示波器的出现到今天，已经有六十多年的历史了，其间的发展大致分
为以下几个阶段：
２０世纪３０～５０年代是电子管示波器阶段。到１９５８年示波器带宽达到１００ＭＨｚ后便 长期停滞不前。
２）多束示波器：它是采用多束示波管的示波器。屏幕上的每个波形均由独立的电 子束产生，能同时观察和比较多个波形。
３）取样示波器：通常采用取样技术把高频信号转换为低频信号，再运用通用示波 器的基本原理观测信号。一般用于观测频率高、速度快的脉冲信号。
便携式数字存储示波器的研究与设计
４）记忆、存储示波器：是具有存储信息功能的示波器。虽然两种示波器的存储元 件不同，但它们都能对单次瞬变过程、非周期现象、低重复频率的信号进行观
平。
电子示波器能够将人眼无法直接看见的电子束运动状态与电信号的瞬变信号以曲 线、图形、字符或数据域参数的形式清晰地展现在荧光屏或者其他显示器屏幕上，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。