数字存储示波器毕业设计 - 图文

摘要

在科学研究中，示波器系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具。随着计算机技术的飞速发展和普及，数字示波器技术逐渐取代了模拟示波器技术。在数字示波器技术中，常用的采样方法有两种：实时采样和等效采样。实时采样通常是等时间间隔的，它的最高采样频率是奈奎斯特极限频率。等效采样是指对多个信号周期连续样来复现一个信号波形。本设计采用实时采样的方法，实现单片机简易示波器，在试验测试和工程制作中具有广泛的用途和应用前景。本单片机简易示波器的设计，在学习了单片机原理及其编程方法，单片机应用及接口技术，ADC0809 芯片的应用和图形点阵液晶显示模块 TG12864E 的使用方法后，基于单 片机系统的精密时钟发生电路对低频信号进行实时采样的方法，设计并实现一个模拟带宽为 400Hz～500Hz 的简易数字示波器。应用输入信号幅值为 0～5V，含 8 路选通开关的A/D 器件 0809 进行数据采集转换，应用 89C51 单片机控制输入输出和数据处理，128×64 全点阵液晶显示模块 TG12864E 显示输入信号波形。实验表明本设计电路结构简单，单片机控制频率、幅度步进，输入幅度 0～7.6V，能良好的在液晶显示模块上显示幅度 0～5V,频率 400Hz～500Hz 左右的输入信号波形，波形显示可以自动刷新，也可手动刷新，本系统可用于工程制作，具有一定的实用意义。

关键词：实时采样；单片机控制；数字示波器

I

Abstract

In the Scientific research, oscillograph system can get A large amount of dynamic information, it is also a useful tool for a moment physical process. With the development at full speed and popularizing of the technology of the computer, the digitaloscilloscope technology has substituted for the simulation oscilloscope technology gradually. In the digital oscilloscope technology, there are two kinds of method for sampling , Real-timesampling and equivalent sampling. The real-time sampling is on usually the same time-gap, its highest sampling frequency is the Nyquist frequency. The equivalent sampling is As to the many signal period continual type reappears a waveform. This design uses the method of the real-time sampling, realizes Mirocontroller simple oscilloscope, it have the widespread use and the application prospect in the experimental test and the project manufacture. Before I design this Mirocontroller simple oscilloscope, I have studied the monolithic integrated circuit principle and programming method, Mirocontroller application and the connection technology, the ADC0809 chip application and the graph lattice liquid crystal display module TG12864E application method. This Mirocontroller simple oscilloscope has the electriccircuit based on Mirocontroller system precision clock to carry on the real-time sampling to the

II

low-frequency signal the method, designs and realizes a simple digital oscilloscope which simulation band width is between the 400Hz ~ 500Hz. Using the input signal peak-to-peak value is 0 ~ 5V, it contains 8 groups to elect to pass the switch A/ D component 0809 carries on the data acquisition transformation, I use 89C51 Mirocontroller to control input output and data processing, 128 ×64 entire lattices liquid crystal display module TG12864E demonstration input signal profile. The experiment Indicate the electric circuit which I design is a simple structure, Mirocontroller control frequency, the scope step-by-step, input scope 0 ~ 7.6V, it can be good demonstrates scope 0 ~ 5V in the liquid crystal display module, about frequency 400Hz ~ 500Hz input signal profile, The profile demonstrated may automatically renovate, also may manual renovate, this system may use in the project manufacture, it has the certain practical significance.

Key words: Times Sampling; Mirocontroller;Oscillograph system

III

目 录

第一章 前言 ........................................... 1 1.1选题的背景意义和研究现状 ......................... 1 1.1.1选题的背景和意义 ............ 错误！未定义书签。 1.1.2国内外研究现状 .............. 错误！未定义书签。 1.2设计的任务和要求................................. 4 1.2.1设计的基本要求 .............................. 4 1.2.2课题的具体工作内容 .......................... 4 1.2.3论文的结构安排 .............................. 7 第二章 数字示波器的基本原理 ............................ 8 2.1数字存储示波器的基本原理 ......................... 8 2.2系统的方案设计 ................................. 16 2.2.1系统的控制 ................................ 17 2.2.2输入模拟信号的处理 ......................... 18 2.2.3数字信号的采集与存储 ....................... 18 第三章 系统硬件电路的设计 ............................. 19 3.1单片机及其外围电路 .............................. 19 3.2信号输入电路单元................................ 22 3.2.1输入调理电路设计 ........................... 22 3.3 A/D转换电路 ................................... 23 3.3.1ADC芯片的选取 .............................. 23 3.3.2AD转换电路的硬件设计 ....................... 28

I

3.4按键控制电路 ................................... 30 3.5液晶显示接口电路................................ 31 第四章 系统功能的软件设计 ............................. 33 4.1单片机软件开发系统 .............................. 33 4.2主程序设计及流程图 .............................. 34 4.3频率及幅值计算子程序设计 ........................ 35 4.3.1频率计算的原理及程序流程图.................. 35 4.3.2幅值计算的原理及程序流程图.................. 36 4.4显示子程序 ..................................... 37 第五章 存储示波器的制作与调试 ......................... 39 5.1调试和测试所用的仪器 ............................ 39 5.2样机的制作与调试................................ 39 5.2.1调试 ...................................... 39 5.3测试与结果分析 ................................. 42 5.3.1测试方案及方法 ............................. 42 第六章 结论和展望 ..................................... 43 6.1结论 ........................................... 43 6.2展望 ........................................... 43 致 谢 ............................................... 45 参考文献 .............................................. 1 附 录 ................................................ 2 1程序 .............................................. 2

II

2仿真图： ......................................... 18

III

第一章 绪论

1.1引言

示波器主要分为两大类：模拟示波器和数字储存示波器。 （1）模拟示波器的现状：目前主要的模拟示波器的制造厂商正在呈现逐渐减少的趋势。美国从 90 年代中期开始就已经停止了模拟示波器的生产，日本也只剩下 2-3 家。国内尚有 10 家左右。 目前，模拟示波器主要应用在高校的实验室、生产线、维修和部分特殊领域的测试。

由于模拟示波器具有三维显示中较重要的亮度信息，同时有高达几十万次的刷新速率，模拟示波器具有时间上的无限分辨力，也就是模拟示波器对输入信号的测量在时间上是连续的。因此中低档的数字示波器还不能完全取代模拟示波器。

（2）数字示波器的现状：目前主要的生产厂家是美国的安捷伦公司、泰克公司和力科公司。台湾的固维公司，还有国内的北京普源精电公司。

由于数字示波器包含的技术指标多，很多客户现在还不能在众多的技术指标中找出自己合适的需求。

数字示波器的主要技术指标：带宽、采样速率、存储深度和波形更新速率

1

带宽：为了保证测试信号幅度和上升沿的精度，选择示波器的带宽应为被测信号的3-5 倍，精确测量要 8-10 倍以上。

采样速率和储存深度：采样速率即在最快扫描时间下所达到的采样速率。在实际测量中，采样速率是个变化的指标，随着扫描时间的变慢，采样速率也相应降低。所以它的实际值取决与时基和存储深度。 目前,高等院校的示波器使用主要集中在物理实验中心和电子实验中心和信息类专业实验室。

物理实验中心一般主要使用 20MHz 的双通道模拟示波器。电子实验中心主要包括模拟电路实验室、数字电路实验室、电工实验室、EDA 实验室、PLC 实验室。目前各高校使用的一起不尽相同。 总体来看，目前高校实验室在示波器的使用中存在以下问题： （1）没有校准的校准仪。示波器作为一台定量的观测仪器，实验室很难判断示波器的准确指标，仅凭一些简单的函数源做些简单的测试是不够的。

（2）很多高校在基础实验室购买了大量的低档数字存储示波器，但实验的过程中并不需要数据的存储。而此类示波器在观测波形上又不如模拟示波器，因此造成了很多不必要的麻烦。

（3）很多购买了高档数字存储示波器的实验室由于各种原因，仪器的许多高级功能没有充分发挥作用，仅仅被当做低档的数字示波器甚至是模拟示波器来使用，造成资金的严重浪费。

数字存储示波器，从严格的意义上来说，应该是用计算机控制的对输入信号数据自动检测或巡回检测，并且能够对输入信号数据实行存

2

储、处理、分析计算以及检测的数据中提取可用的信息，然后进行显示描绘的系统。数字存储示波器一般由信号输入系统，数据存储与管理，数据处理，数据输出及显示这四个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测，采样和信号转换工作。数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库，并进行管理和调用。 数据处理就是从采集到的原始数据中，删除有关干扰噪声，无关信息和必要的信息，提取出反映被测对象特征的重要信息。另外，就是对数据进行统计分析，以便于检索；或者把数据恢复成原来的物理量形式，以可输出的形态在输出设备上输出，数据输出及显示就是把信号数据以适当的形式进行输出和显示。

不同的数字存储示波器有不同的要求和结构。但都是根据实际要求而制定的。数字存储示波器在生产产品的参数自动检测，科学技术实验研究中都有很广泛的应用。

示波器目的是把输入信号的波形完整的在显示模块上复现出来，并显示相关的参数，例如信号的幅度、频率。原始的数据信号有两种基本形式:一种是模拟的,另一种是数字的.模拟数据信号(如某些物理量的测量结果,模拟计算机的输出)是在某一数值范围内可以连续取值的信号.数字数据信号(如数字计算机的输出,数字仪表的测量结果)是只取有限个离散数值的数字序列.由于数字序列更便于存储,处理和传输,而模拟数据经过 采样,量化和编码,可以转换成数字数据。因此利用 A/D 转换器把输入信号的模拟量转换成数字量，然后在显示模块将输入信号的波形显示出来。

3

本设计创新的采用由单片机、A/D器件和全点阵液晶显示模块直接构成的简易数字示波器，将模拟信号转换成数字信号处理，采样的数据点不用经过存储直接在液晶显示模块上显示出来，本系统结构简单实用，制作价格便宜。

1.2概述

1.2.1数字示波器

在数字示波器技术中，常用的采样方法有两种：实时采样和等效采样。实时采样通常是等时间间隔的，它的最高采样频率是奈奎斯特极限频率。等效采样（Equivalent Sampling）是指对多个信号周期连续采样来复现一个信号波形，采样系统能以扩展的方式复现频率大大超过奈奎斯特极限频率的信号波形。数字储存示波器是可以方便地实现对模拟信号进行储存，并能利用微处理器对存储数据作进一步处理的示波器，它有实时和存储两种模式。与一般示波器不同的地方在与，数字存储示波器需要用到高速数据的采集和处理技术。

1.2.2数据采样技术

1.采样

采样就是将时间连续的信号变成时间不连续的离散信号。这个过程是通过模拟开关来实现的。模拟开关每隔一定的时间间隔 T(称为采样周期）闭合一次，一个连续信号通过这个开关，一系列脉冲信号，称为采样信号。

理想采样是抽取模拟信号的瞬时函数值。时间是离散的，而信号

4

依然是离散的称为离散（对时间)的模拟信号。b 图数字信号 V1 是指量化的离散模拟信号，即 V1 不仅在时间上离散的，而且在数值上也是离散的。量化精度取决于最小的量化单位，称量化当量Δ，它是二进制数码最低有效位所对应的模拟信号数值。例如Δ=100mV，即数字量的最低有效位对应 100mV 时，量化取值通常采用最近的量化电平，显然当量越小，A/D 转换的精度越高。 2.采样定理

设连续信号 X(t)的最高频率分量为 Fm，以等间隔 Ts（Ts 称采样间隔，fs=1/Ts 称为采样频率）对 X(t)进行采样，得到 Xs(t)。如果 Fs>=2Fm，则 Xs(t)保留了 X(t )的全部信息（从 Xs(t)可以不失真地恢复出 X(t)）。 模拟量输入范围和分辨率

ADC 把模拟量转换为数字，模拟量输入范围可以是： -5V～+5V：双极性输入，转换后的数字量一般有 8、10、12、14、16 位。 ADC 的分辨率是指它能够分辨的最小输入信号，一般用位数来表示。

例：8 位 ADC，单极性输入 0～5V，数字量为 0～255，它能分辨的最小输入信号是Δ(5V/256)=20mV，分辨率=256 位。

12 位 ADC，双极性输入-5V～+5V，数字量为-2048～+2047，它能分辨的最小输入信号是Δ(10V/2096)=2mV，分辨率=4096 位。 转换时间和转换率

转换时间：ADC 完成一次转换所需的时间。

5

转换率：1 秒时间内能完成转换的次数，kHz，MHz

ADC 输出的实际数字量与理想数字量之间有一定误差，这种误差由两部分构成：

① 量化误差。量化误差是把连续的模拟量转换为离散的数字量（这一过程称为量化）它必然存在的，是不可避免的。例如，8 位 ADC，单极性输入 0～5V，数字量为 0～255，它能分辨的最小输入信号是Δ=(5V/256)20mV，如， 4.98～5.00V 输入对应的数字均为55，这是不可避免的。如图 8-15。

② 器件误差。器件误差是由于器件制造精度、温度漂移等造成的，可以通过提高产品质量来降低。

A/D 转换精度用数字量的最低有效位（LSB）来表示。如果模拟量在(±Δ/2)范围内，都产生相对应的唯一数字量，称为这个 ADC 是无误差的，或者称其精度为±0LSB。

如果模拟量在范围内，都产生相对应的唯一数字量，这个 ADC 的精度为±1/2LSB 。如果模拟量在(+3Δ/4～－3Δ/4)范围内，都产生相对应的唯一数字量， 这个 ADC 的精度为±1/4LSB。

转换原理与计数式 A/D 转换类似，只是数字量由“逐次逼近寄存器 SAR”产生。SAR使用“对分搜索法”产生数字量，以 8 位数字量为例，SAR 首先产生 8 位数字量的一半，即 10000000B,试探模拟量 Vi 的大小，若 Vo>Vi，清除最高位，若 Vo

6

半 y1000000B(y 为已确定位) 试探模拟量 Vi 的大小。在 bit6 确定后，SAR 以对分搜索法确定 bit5 位，即以低 6 位的一半 yy100000B(y 为已确定位) 试探模拟量的大小。重复这一过程，直到最低位 bit0 被确定，转换结束。 3.波形显示基本原理

信号的波形可以很方便地通过示波器适时显示。一般情况下，示波器水平轴（X 轴）表示时间变量 t，垂直轴（Y 轴）表示随时间变化的被测电量 ，该被测电量通常是电压 ，因此屏幕上描绘出来的图形表示了被测电量随时间变化的情况，称为被测电量的“波形”。 广义地说，示波器实际上是一台 X—Y 图示仪，只要把两个有关系的变量（甚至是非电量），转化为电参数，分别加到示波器的 X、Y 通道，就可以在屏幕上显示这两个变量之间的关系曲线了。

1.2.3液晶显示模块的概述

液晶显示模块是一类专门用于显示字母，数字，符号,图形等的点阵型液晶显示模块。液晶显示模块是在一块双面印刷线路板上，它的一面用导电橡胶将电路与液晶显示器件连接，另一面装配所需要的驱动器和控制器以及驱动所需的分压电路。与 LED 显示方式相比，耗电省，因此在移动通讯、仪器仪表、电子设备、家用电器、高低档人机介面等工业用、民用各方面有着日益广泛的应用。显示的信息内容以图文.动画等方式,显示的信息量大,编程接口简单,提供详细的硬件接口电路和二次软件开发板,可以方便的直接嵌入你的设备系统。良好的技术支持,为你的顺利开发提供强有力的技术保障。

7

1.

第二章 数字示波器的基本原理

2.1数字存储示波器的基本原理

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，它又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。

输入 内 外

至X量转板 扫描发生器 实时 衰减器 放大器 延迟线 实时 水平放大器 至Y量转板 显示 存储 实时 垂直放大器 存储 触发电路 A/D转换器 存储器 存储 D/A转换器 逻辑控制电路 （微处理器） 地址计数器 D/A转换器 8

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，点的垂直屏幕位置由对应的存储单元的二进制数据给出，点的水平屏幕位置由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-0NH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；同时存储单元地址号从00H-0NH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。

9

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算的中间数据和计算的结果，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。由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

10

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量，并将测量结果以数字形式显示在荧光屏上。

(4)面板按键操作方式 数字存储示波器的面板按键分为执行键和菜单键两种，按下执行键后，示波器立即执行该项操作。当按下菜单键时，屏幕下方显示一排菜单，屏幕有方则显示对应菜单的子菜单，然后按子菜单下所对应的软键执行相应的操作。 3.数字存储示波器的显示方式

由于数字存储示波器可以对被测信号存储，波形的采集和显示可以分开进行，与宽带示波器相比，采集速度和显示速度可不相同，因此采集速度很高的数字存储示波器对其显示的速度要求不高。数字存储示波器的显示方式灵活多样，具有基本显示，抹迹显示，卷动显示，放大显示和XY显示等，可适应不同情况下波形观测的需要。

(1)存储显示 存储显示方式是数字示波器的基本显示方式，适用于一般信号的观测，在一次触发形成并完成信号数据的存储后，经过显示前的缓冲存储，并控制缓冲存储器的地址顺序，依次将欲显示的数据读出并进行DA变换，然后将信号稳定的显示在荧光屏上。

(2)抹迹显示 抹迹显示方式适用于观测一长窜波形中在一定条

11

件才会发生的瞬态信号。抹迹显示时，应先根据预期的瞬态信号，设置电平和极性；观测开始后仪器工作在末端触发和预置触发相结合的方式下，当信号数据存储器被装满单瞬态信号未出现时，实现末端触发，在荧光屏上显示一个画面，保持一段时间后，被存入的数据更新。若瞬态信号仍未出现，在利用末端触发显示一个画面，这样一个个画面显示下去，如同为了查找莫个内容一页页的翻书一样，一旦出现预期的瞬态信号则立即实现预置触发，将捕捉到的瞬态信号波形稳定的显示在荧光屏上，并存入参考波形存储器中。

(3)卷动显示 卷动显示方式适于观测缓变信号中随机出现的突发信号，它包括两种方式，一种是新波形逐渐代替旧波形，变换点自左向右移动；另一种是波形从右端向左一定，在左端消失，当异常波形出现时，可按下存储键，将此波形存储在荧光屏或存入参考波形存储器中，一边做更细致的观测与分析。如图2-2a所示。

（4）放大显示 放大显示方式适于观测吸信号波形的细节，此方式是利用延迟扫描的方法实现的，此时荧光屏一分为二，上半部分显示原波形，下半部分显示放大了的部分，其放大位置可用光标控制，放大比例也可调节，还可以用光标www.docin.com 8测量放大部分的

12

参数。如图2-2b所示。

（5)XY显示 与通用示波器的显示方法基本相同，一般用于显示丽萨如图形，此处不做详述。

(6)显示的内插 数字存储示波器是将取样数据显示出来由于取样点不能无限增多，能够做到正确显示的前提是足够的点来重新构成信号波形。考虑到有效存储带宽问题，一般要求每个信号显示20-25个点。但是较少的采样点会造成视觉误差可能使人看不到正确的波形。数据点插入技术可以解决显示中视觉错误的问题。数据点插入技术常常使用插入器将一些数据插在所有相邻的取样点之间，主要有线性插入和曲线插入两种方式。 4.数字存储示波器的特点

与模拟示波器相比，数字存储示波器具有以下几个特点：

(1)波形的取样存储与波形的显示是独立的 在存储工作阶段，对快速信号采用较高的速率进行取样和存储，对慢速信号采用较低速率进行取样和存储，但在显示工作阶段，其读出速度可以采用一个固定的速率，不受采样速率的限制，因而可以清晰而稳定的获得波形，可以无闪烁的观测被测极慢变化信号，这是模拟示波器无能为力的。对观测极快信号来说，数字存储示波器采用低速显示，可以使用低带宽，高精度，高可靠性而低造价的光栅扫描示波管。

(2)能长时间的保存信号 由于数字存储示波器是把波形用数字方式存储起来，其存储时间在理论上可以是无限长。这种特性是对观察单次出现的顺便信号极为重要，如单次冲击波，放电现象。

13

(3)先进的触发功能 它不仅能显示触发后的信号，而且能显示触发前的信号，并且可以任意选择超前或滞后的时间。除此以外，数字存储示波器还可以提供边缘触发，组合触发，状态触发，延迟触发等多种方式，来实现多种触发功能。

(4)测量准确度 高数字存储示波器由于采用晶振做高稳定时钟，有很高的测时准确度，采用高分辨率AD转换器也能使幅度测量准确度大大提高。

(5)很强的数据处理能力 数字存储示波器由于内含微处理器因而能自动实现多种波形参数的测量和显示，例如上升时间，下降时间，脉宽，峰峰值等参数的测量与显示，能对波形实现取平均值，取上下限值，频谱分析以及对两波形进行加减乘除等多种复杂的运算处理，还具有自检与自校等多种操作功能。

(6)外部数据通信接口 数字存储示波器可以很方便的将存储的数据送到计算机或其他的外部设备，进行更复杂的数据运算和分析处理。还可以通过GPIB接口与计算机一起构成自动测试系统。 5.数字存储示波器的主要技术指标

数字存储示波器与波形显示有关技术指标与模拟示波器相似，下面仅讨论与波形存储部分有关的主要技术指标。

(1)最高取样速率 最高取样速率指单位时间内的取样的次数，也称数字化速率，用每秒钟完成的AD转换的最高次数来衡量。常以频率来表示，取样速率越高，反应仪器捕捉高频或快速信号的能力愈强。取样速率主要由AD转换速率来决定。数字存储示波器的测量时

14

刻的实时取样速率可根据被测信号所设定的扫描时间因数(即扫描一格所用的时间)来推算。其推算公式为

(1-1)

式中，N为每格的取样点数，t为扫描时间因数。

(2)存储带宽(B) 存储带宽与取样速率密切相关，根据取样定理，如果取样速率大于或等于二倍的信号频率，便可重现原信号。实际上，为保证所显示波形的分辨率，往往要求增加更多的取样点，一般取N=4-10倍或更多，即存储带宽。

(3)分辨率 分辨率指示示波器能分辨的最小电压增量，即量化的最小单元。它包括垂直分辨率(电压分辨率)和水平分辨率(时间分辨率)。垂直分辨率与AD转换的分辨率相对应，常以屏幕每格的分级数(级/div)或百分数来表示。水平分辨率由取样速率和存储器的容量决定，常以屏幕每格含多少个取样点或用百分数来表示。取样速率决定了两个点之间的时间间隔，存储容量决定了一屏内包含的点数。一般示波管屏幕上的坐标刻度为8*10div(即屏幕垂直显示格为8格水平显示格为10格)，如果采用8位的AD转换器(256级)，则垂直分辨率表示为32级/div，或用百分数来表示为1/256=0.39%：如果采用容量为1k的RAM，则水平分辨率为1024/10=100点/div。

(4)存储容量 存储容量又称记录长度它由采集存储器(主存储器)最大存储容量来表示，常以字为单位。数字存储器常采用256，512，1K等容量的高速半导体存储器。

15

(5)读出速度 读出速度是指将数据从存储器中读出的速度，常用“时间/div”来表示，其中，时间为屏幕上每格内对应的存储容量乘以读脉冲周期。使用中应根据显示器，记录装置或打印机等对速度的要求进行选择。

2.2系统的方案设计

上世纪大规模集成电路的出现，使得CPU、存储器、I/O接口得到了迅速的发展，在各个技术领域中得到了广泛的应用。尤其简易的数字存储技术已经很发达。由此我想到，可以利用存储器的存储功能和普通模拟示波器相结合，来实现数字示波器的存储功能。利用模拟转换器及时的对上述类型的信号进行一次性的采集，并把数据存储到存储器中，这样我们可以随时随意的再从存储器读取数据进行分析，也可以把数据再通过数摸转换器转换成原来的模拟信号，送到普通模拟示波器中进行显示，而存储器中的数据得以保存而不会消失。

出于以上的考虑，我们借助于数摸和模数转换器和单片机、存储器组成的系统能对任意波形实现存储和再现。一次性瞬间信号的数据被采集到存储器中存储，如果再反复的存储器中读取数据，送到示波器显示，这样就使随机的非周期信号、瞬间信号，一次性信号，能够在普通模拟示波器显示频目显示稳定的波形。 为了能较简单的实现题目的功能，我们只借助A/D转换器将输入信号进行量化处理后，在液晶显示器上进行显示，并将处理的显示数据存入存储器中，当需要波形再现时，通过单片机控制只需将存储器中的数据取出再次处理，

16

然后再送到液晶显示器上进行显示。

本设计以AT89S52 单片机为中心，通过模数转换器，实时采样实现对输入信号的提取，并进行数字化的显示。显示采用MFC-12864液晶显示屏。

由于待测信号为模拟信号，存储过程为数字方式，故应将模拟信号进行量化处理，然后存储到存储器中,当需要显示的时候，送往液晶显示器进行显示。因此，设计的重点是模拟信号的处理与采样，液晶显示器的显示控制，的控制3个方面。

2.2.1系统的控制

控制器是系统中最为重要的器件，也是设计的难点。其中，涉及按键的控制控制，存储器的写入和读取控制，液晶显示器的控制。可以由多种方法实现：一种是单纯的采用单片机，使用单片机控制数据的采样，存储和回放，这种方法实现起来比较简单也在所学课程的范围之内；另一种是采用可编程逻辑器件CPLD或者FPGA，这种方法对ADC采样控制，存储器的操作比较方便，而且速度也比较快，但在人机接口方面的操作就困难一些；还有一种方法是将以上两种方法结合起来，用可编程器件做相应的逻辑电路设计，比如ADC的采样频率，存储器操作等，使用单片机来做人机接口，单片机和CPLD互相协调完成整个系统的功能，这种方法可以发挥出各个器件的长处，有效的完成整个控制系统的设计，但是就目前的学习能力用此方案还不足以将该系统完善并完成设计内容。故最终采取第一种方法单片机直接控制。

17

2.2.2输入模拟信号的处理

信号的处理主要是对被测输入信号在幅度与偏移方面进行线性

处理，使信号在垂直方向上处于A/D转换器的输入范围内。待测模拟信号输入到数字示波器时首先要经过相关的处理才能够送给ADC，因为ADC对输入电压的幅度有一定的要求，一般为0-5V，或者0-2V等。对于输入的模拟信号，要根据不同的垂直灵敏度做出调整，具体说就是把小电压信号放大，将大电压信号衰减使之符合ADC的输入电压范围。因此，需要对电压大小不同的信号进行增益调整。通常可以使用增益可调的放大电路。需要注意的是放大电路的增益系数和频带的关系。同时，为防止ADC因输入大的电压信号而烧毁，可以加入限幅电路。处理过的模拟信号需要经过ADC进行量化编码。通常在进行A/D转换之前要加上比较电器，作为模拟电路和数字电路之间的接口电路。

2.2.3数字信号的采集与存储

在数字存储示波器中，模数转换电路在给定采样时钟的节拍下把输入模拟信号转换为离散的数据值；A/D转换器始终以最高取样率进行工作。ADC参数的选取需要考虑多方面的因素；ADC的取样频率取决于待测信号的频率范围，或者示波器对扫描速度的要求；而ADC的编码位数与垂直分辨率相关。根据这两个条件选择合适的ADC芯片。

波形重组是根据所用的显示器将采集到的离散数字信号进行调整之后，将其在显示器的垂直方向和水平方向重新定位 (与显示屏幕上的像素点对应)，存储到波形存储器中。

18

数字信号保存到存储器中，RAM的位数须根据ADC的位数来选择，如果ADC为8位输出，那么RAM也应该为8位，超过8位则可以选用16位的RAM。RAM的容量取决于每次采样的采样点数，这和水平分辨率相关。写入RAM的数据来自于ADC，读出之后再经过单片机处理进行波形重组，然后在液晶显示器上进行显示。

综合以上分析，拟采用一种简单可行的方法，如图1-3所示，直接由单片机控制采样，按键，存储器的读写操作及液晶显接口。

第三章 系统硬件电路的设计

3.1单片机及其外围电路

单片机系统主要完成系统的人机接口和对整个系统的控制功能。单片机采用的AT89S52单片机，该芯片内部包含有8KB的可在线编程(ISP)的FLASH程序存储器，256B的RAM，带有看门狗功能。AT89S52是一个低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K字节在系统可编程Flash存储器。该设备使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业标准的80C51产品指令集和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，也适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式

19

控制电路把逐次逼近寄存器最高位置1，即它的输出为100?0，使得DAC的输出电压Vo成为满量程值的一半。这时，如果Vo>Vi表明试探置的100?0值大了，比较器输出低电平，控制电路据此清除逐次逼近寄存器最高位的1：反之，如果Vo≤Vi，比较器输出高电平，控制电

路使最高

位元的

1

保留下

来

.

图3-9

n位逐次逼近式ADC经过n次比较后，逐次逼近寄存器中得到的值就是转换的数字量。转换结束后，控制电路送出一个低电平作为结束信号，这个信号的下降沿将逐次逼近寄存器中的数字量送入输出缓冲寄存器，供CPU读取。 采用逐次逼近法，首先将最高位置1，这相当于取最大允许电压的1/2与入电压比较。如果搜索值在最大允许电压的1/2范围内，那么最高位置0，再将次高位置1，这相当于在1/2范围内再作对半搜索。依次类推，逐次逼近相当于在不断缩小1/2的范围内再作对半探索。因此，逐次逼近法也称为二分搜索法或对半搜索法。

25

3.ADC0809的内部结构 ADC0809的内部结构如图3-10所示，分成三部分：①8路模拟开关、地址锁存与译码；②8位A/D转换；③三态输出缓冲器。其中A/D转换部分是由8位元DAC、比较器、逐次逼近寄存器和控制逻辑组成。

START和EOC分别为启动信号和变换结束信号，EOC还可以作申请中断或供查询。 ADC0809通过引脚IN0-IN7可输入8路模拟输入电压。ALE将3位地址信号ADDA，ADDB，ADDC进行锁存，然后经3-8译码选通8路中的1路进行A/D转换。

图3-10

4.ADC0809的引脚特性 ADC0809是28引脚的双列直插式芯片。 VCC：电源，+5V。GND：地。CLOCK：工作时钟。

IN0-IN7：8位模拟输入线。DB0-DB7：8位转换资料三态输出线。

ADDA，ADDB，ADDC：模拟通道地址选择线。

ALE：地址锁存允许信号。其上升沿将ADDA，ADDB，ADDC3位地址信号锁存，由三八译码选通过对应模拟通道。

26

VREF（+），VREF（-）：基准电压输入端，且要求VREF（+）+VREF（-）=VCC，其偏差值≤±0.1V。

START：启动转换信号。在模拟通道选通地址锁存之后，由START的正脉冲启动转换。脉冲上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D转换开始。

EOC：转换结束信号。在转换进行时，EOC为低电平，当转换结束，资料锁存到输出缓冲器后，EOC变为高电平。

OE：输出允许信号。当高电平时，打开三态输出缓冲器，把资料送到数据总线上，供CPU读取。

ADC芯片的选取涉及以下两个参数，ADC的位宽和ADC的转换速率。根据题目要求，应该根据垂直分辨率来选取位宽，根据扫描速度选择采样频率。根据题目要求垂直分辨率为8级/div，垂直刻度为8div，即要分为64级(N=8*8)，因此可选用8位A/D。 又由于水平分辨率为8点/div，所以对应于二档扫描速度0.6ms/div、1.2ms/div的采样速度应分别是14KHZ和7KHZ分析如下： 设扫描速度为Xs/div，要求水平分辨率为8点/div，所以每点的取样时间间隔为X/8s。即取样信号的频率为8/X HZ。因此，当要求二档扫描速度分别为0.6ms/div，1.2ms/div时，相应的二档采样频率应分别是14KHZ，7KHZ。 综合以上要求，可以选用8位ADC0809，该芯片最高的时钟频率为1280KHz，典型时钟频率为640KHz，每一通道的转换时间约为100us，其最高采样频率为10Ksps。输入模拟信号为单极性，电压范围是0—5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程

27

中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

3.3.2AD转换电路的硬件设计

ADC0809通过引脚IN0-IN7可输入8路模拟输入电压。ALE将3

位地址信号ADDA，ADDB，ADDC进行锁存，然后经3-8译码选通8路中的1路进行A/D转换。相关引脚功能已在第二章中详细描述过。START和EOC分别为启动信号和变换结束信号，EOC还可以作申请中断或供查询。 单片机的地址线通过译码器输出端作为ADC0809的片选信号。地址线ADDA，ADDB，ADDC分别接到数据总线的低3位上。ADC0809的8位数据输出直接与系统数据总线连接。 ADC0809的时钟频率为640KHz，转换时间为100μs。由于微机的时钟频率为11.0592MHz，因此，系统时钟必须经四分频后接到ADC0809芯片的CLOCK要求频率在10KHz—1MHz，典型值为640KHz引脚上。其时钟频率的计算如下：

fosc=11.0592MHz

fALE=1/6*fosc=1.84326MHz fclk=1/4*fALE=460.8KHz≈500KHz

28

图3-11

当A/D转换结束后，ADC0809将输出一个转换结束信号EOC，通

知单片机读取转换结果。单片机查询A/D转换是否结束通常有三种方式。单片机对转换结束信号EOC的处理方式不同，对应的硬件电路和程序设计方法就不同。本设计转换电路如图3-11所示。

查询方式：把转换结束信号EOC作为状态信号经三态缓冲器送到单片机的数据总线的某一位上。单片机启动ADC0809开始转换后，就不断地查询这个状态位，当EOC有效时，便读取转换结果。这种方式程序设计比较简单，实时性也较强，是比较常用的一种方法。 中断方式：把转换结束信号EOC作为中断请求信号接到单片机的中断请求线上。ADC0809转换结束，向单片机申请中断。单片机响应中断请求后，在中断服务程序中读取转换结果。这种方式ADC0809与单片机并行工作，适用于实时性较强和参数较多的数据采集系统。 延时方式：在这种方式下，不使用转换结束信号EOC。单片机启

29

动转换后，延时一段时间略大于A/D转换时间，此时转换已经结束，可以读取转换结果。这种方式。通常采用软件延时的方法也可以采用硬件延时电路，无须硬件连接线，但是占用单片机大量时间，多用于主机处理任务较少的系统。

3.4按键控制电路

对于输入键盘设计，首先要从功能上保证进行各种设置的合理性与简便性。然后要从人体工程学上保证各个按键、输入旋钮操控的舒适与方便性；对于数字存储示波器，主要是各操控部件的大小、间距要设置合理，各操控部件操作舒适。最后从视觉上要保证输入键盘及整个仪器外观的协调性与美观性。 本课题设有四个按键，为了方便操作及显示板子的美观性，紧靠显示屏幕右边缘设置，在不同的按键下实现不同的控制，电路图如图

3-13

所示。

图3-13

30

3.5液晶显示接口电路

1.LCM12864液晶模块的特点是：

* LCM12864显示内容128×64点阵，点大小0.48×0.48mm2，点间距0.04mm

* 显示类型：STN蓝白模式、LED背光；工作电压：5V * 控制器为KS0107 2.芯片管脚与功能见下表 标号 VSS VDD VO R/S R/W E DB0-DB7 CS1 CS2 /RST Vout A

引脚 1 2 3 4 5 6 7-14 15 16 17 18 19 31

功能 地 逻辑部分电路 对比度调节 指令/数据器 读写选择信号 使能信号 数据线0-7 左半屏片选信号 右半屏片选信号 复位信号 负电源输出 背光负极

K 20 3.液晶模块的读写时序

背光正极 液晶模块的读写时序如图3-15所示。

图3-15

E为使能信号，高电平有效，在E的下降沿锁存数据。

液晶显示接口电路如上图所示，

32

第四章 系统功能的软件设计

4.1单片机软件开发系统

keil uVision简介 keil uVision是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。keil uVision软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 C51工具包的整体结构，其中uVision是C51 for Windows的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A5l编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存储器如EPROM中。

33

4.2主程序设计及流程图

仪器是一个以硬件为基础的、软硬件紧密结合的系统，软件是智能仪器的灵魂。示波器软件采用C语言来编写，完成对人机界面、系统控制、系统硬件、波形参数分析等的控制。 系统的软件设计主要是单片机程序设计，对于单片机控制程序，采用C语言来编写。输入信号频率计算，A/D转换，数据存储，键盘扫描，液晶显示等。整个系统由键盘驱动，不同的按键对应不同的事件处理。整个主程序的软件框图如下图4-1所示。 系统的主程序采用一个do-while循环语句，判断条件设置为死循环，不停地扫描按键，以执行相应的操作。

34

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1py6.html