【正文】 單片，也只能執(zhí)行30條左右而已。因而若用單MCU來實現(xiàn)，則須用更高性能的單片來實現(xiàn)。因此只用一片普通51單片來實現(xiàn)是不現(xiàn)實的。針對以上分析，提出以下方案：方案一：采用高性能單CPU系統(tǒng)實現(xiàn)，比如32位的ARM芯片作為控制系統(tǒng)核心。： 應用高性能CPU實現(xiàn)的系統(tǒng)框圖如果采用此方案，可以很好的解決同時采樣和控制顯示的功能，但是ARM系統(tǒng)設計調試復雜，且由于作者本人知識的局限性，不能很好的應用該方案實現(xiàn)系統(tǒng)設計，在此僅提出一種設想。所以不宜采用此方案。方案二：針對分析中提出的問題，我們也可以采用兩片普通51單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)設計，一片51實現(xiàn)數(shù)據采集，存儲；另一片51實現(xiàn)控制示波器實時顯示功能，兩片51之間采用串行通信來解決數(shù)據通信問題，這樣的方案可以滿足題目提出的設計要求。： 采用雙單片機實現(xiàn)的系統(tǒng)框圖方案三：采用大規(guī)模FPGA來實現(xiàn)系統(tǒng),采用FPGA來實現(xiàn)相應功能，一般是使用狀態(tài)機方式來實現(xiàn)，即所解決的問題都是規(guī)則的有限狀態(tài)轉換問題。分析本題目的要求，可以看出，其中的邏輯控制靈活多變，適合于采用程序控制的cpu執(zhí)行方式，如使用FPGA來實現(xiàn)，大部分的資源會消耗用來控制鍵盤和顯示等輔助功能，用在主邏輯控制方面的資源相對比較少。另外，此種規(guī)模PLD系統(tǒng)設計復雜，容易出錯。： 采用FPGA實現(xiàn)的系統(tǒng)框圖綜合分析上述各方案，比較其優(yōu)缺點，包括靈活性、可靠性、可擴展性和易操作性，所以選用方案二。第三章 信號發(fā)生器實現(xiàn)方案 硬件組成： 信號發(fā)生器硬件結構框圖信號發(fā)生器由3個小模塊構成 輸出滯留穩(wěn)壓電源模塊： 穩(wěn)壓電路原理圖本模塊主要完成對個電路供電的功能，主要由電源變壓器、橋式整流器、電容濾波器、三端集成穩(wěn)壓器等組成。其作用是將交流電轉換為平穩(wěn)的直流電，核心部分是整流電路和穩(wěn)壓電路。，經由橋式電路全波整流作用以后，得到脈動直流電，經C1濾波后得到9V的直流電，電容器C3為三端穩(wěn)壓器W7805的輸入端補償電容，其作用是消除輸入端引線過長引起的自激振蕩，抑制電源的高頻干擾，安裝時盡量靠近集成穩(wěn)壓器，CC7為輸出端補償電容，以改善輸出瞬態(tài)響應。 信號發(fā)生器模塊: 信號發(fā)生器電路原理圖采用89C51產生邏輯循環(huán)序列信號，由P0口輸出，即Q0Q7的八路信號輸出。輸出序列信號由T0計數(shù)器溢出中斷產生，采用方式1。MAX813L具有上電復位、Watchdog輸出、掉電電壓監(jiān)視、手動復位四大功能。WDI（Watchdog Input）主要是作為Watchdog計數(shù)器重定用的。，則WDO（Watchdog Output）將輸出低電平。復位電路分為手工復位與上電復位。上電復位用比較器產生觸發(fā)信號觸發(fā)觸發(fā)器，以此產生復位信號。同時，對時基產生的脈沖進行定時，當復位時間達140毫秒時，Reset發(fā)生器產生一脈沖使復位信號無效。上電復位時，復位信號Reset就有效；，Reset信號仍將繼續(xù)保持140毫秒左右，以保證CPU復位可靠后無效。手動復位時，MR（Manual Reset）接地時間不小于150納秒，則可產生一個手動復位過程。即在復位端產生140毫秒的有效復位信號（高電平有效）。若將WDO端與MR連接，則可組成上電復位及看門狗復位電路。：管腳MR_VCCGNDPF1PFO_WDI.RESET_WDO_RESET功能手動復位輸入電源接地掉電電壓監(jiān)視輸出電壓監(jiān)視看門狗輸入無連接復位看門狗輸出復位 MAX813L各管腳功能 顯示部分 液晶顯示選用CA1602A,LCD顯示數(shù)據輸出接P1口。液晶顯示內容第一行為標題信息，第二行開始的8位0、1數(shù)字是循環(huán)輸出的邏輯信號序列，接著輸出的是信號的頻率值。CA1602A ：管腳1234567141516名稱VSSVCCVDRSR/WEDB0DB7LED_ALED_K功能電源地電源液晶顯示偏壓信號H:數(shù)據L:命令字H:讀L:寫使能端數(shù)據背光源正極背光源負極 CA1602A LCD管腳功能列表 軟件組成 流程圖：。 信號發(fā)生器程序流程圖軟件說明：在初始化部分，其頻率值F的具體計算如下所示：100HZ信號的周期為：1/100==10000VS12MHZ的單片機機器周期為：12/12=1VST0的計數(shù)初值：NUM= 65536－10000=55536 輸出時鐘頻率為：F=100HZ，則一個時鐘周期循環(huán)輸出8位序列中的一位。要輸出較為精確的頻率，用計算到的常數(shù)進行循環(huán)產生脈沖，并按執(zhí)行實際情況適當進行調整計數(shù)初值，使實際周期準確。第四章 簡易邏輯分析儀方案實現(xiàn) 結構組成本分析儀由數(shù)據采集存儲和控制顯示兩部分構成：數(shù)據采集存儲模塊由信號輸入電路、89C51單片機、小鍵盤和液晶顯示模塊組成；邏輯狀態(tài)與波形顯示模塊由D/A變換器（TLC7226）和89C51構成。兩模塊之間采用串行通信方式。： 簡易邏輯分析儀結構框圖框圖解釋：首先，通過鍵盤和LCD進行人機交互，設置相應的閾值信息和觸發(fā)信息，然后MCU1通過串行通信把這些控制信息傳給MCU2，由MCU2控制D/A轉換器產生閾值電壓，該電壓作為電壓比較器的基準電壓，與8位循環(huán)移位數(shù)字信號進行比較，產生數(shù)字信號到MCU1，該單片機把采集到的數(shù)據存儲起來，然后通過串行通信把數(shù)據傳給MCU2，MCU2把這些數(shù)據經過拼裝整理以后，在示波器上顯示出來。 數(shù)據采集和存儲部分此部分對應框圖中的MCU電壓比較器、鍵盤和LCD液晶顯示 輸入電路：八路輸入信號通過電壓比較器LM339和D/A轉換器TLC7226提供的基準電壓作比較后，作為存儲單片的輸入，8路信號接入LM339同相輸入端，可以獲得較大阻抗。LM339集成塊內部裝有四個獨立的電壓比較器，該電壓比較器的特點是：1）失調電壓小，典型值為2mV；2）電源電壓范圍寬，單電源為236V，雙電源電壓為177。1V177。18V；3）對比較信號源的內阻限制較寬；4）共模范圍很大；5）差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。： LM339引腳圖 觸發(fā)和存儲原理：本部分功能主要依靠51單片機來實現(xiàn)。根據題目要求，對邏輯信號的采集我們采用觸發(fā)字來觸發(fā)的方式。觸發(fā)字又分單級觸發(fā)字和三級觸發(fā)字兩種，單級觸發(fā)字的預置依靠小鍵盤輸入實現(xiàn)。當單片機采集到的狀態(tài)字和用戶所提供的觸發(fā)字8位邏輯狀態(tài)完全一致時，開始一次數(shù)據采集，連續(xù)采集24位，然后存儲到顯示緩沖區(qū)中，這樣每個顯示通道的存儲深度為 24bit；對于三級觸發(fā)字方式，設定從外部采兩位的狀態(tài)，連續(xù)取三次，都和我們設定的兩位邏輯狀態(tài)一樣的情況下，將進入3級觸發(fā)采集狀態(tài)，開始采集。采集完24位數(shù)據后，存儲起來。為了同時顯示8路信號，所以數(shù)據送去顯示前要把采集到的數(shù)據進行拼裝處理，把采集到的24個字節(jié)排列成適合顯示的8通道數(shù)據組合，每一通道存放從同一輸入端口采集到的24BIT信息即組合形成8個存儲深度為24BIT的數(shù)據顯示通道，這樣就可以把數(shù)據依次送到示波器上按行掃描顯示。 邏輯狀態(tài)與波形顯示部分此部分對應框圖中的MCUD/A轉換器和示波器。本部分的主要難點集中在示波器顯示控制上，我們先對示波器的顯示方法進行分析討論：顯示方法分析：要能同時在示波器上看到8路信號波形，模擬示波器需要用外接掃描信號方式工作示波器上顯示數(shù)字信號發(fā)生器的8路信號和1路觸發(fā)點位置標識，共需9個通道。同時顯示這9個通道的信號，需要采用動態(tài)掃描的方法：借助9個不同的基準電壓，使顯示的9路波形分別處在不同的位置上，即把要在示波器上顯示的信號電平Qi+Vi偏置電平（i=0～7)加與示波器Y軸輸入端。X軸輸入則是由TLC7226提供的線性鋸齒波。顯示的信號電平Qi+++所示： 信號電平Qi+Vi疊加效果圖具體掃描方式有三種方案可供選擇：（1）按行掃描方式，X用外觸發(fā)方式，掃描10次掃完一屏。Ｘ要外接線性的鋸齒波信號，Ｙ和上述說明中沒有變化。按行掃描送的數(shù)據是把數(shù)據采集存儲24BIT深度后，把Q0Q7的數(shù)據串行送到示波器，即先送Q0的24BIT,再依次送Q1Q7的24BIT,掃完一屏要送9次（還有時標數(shù)據）。時標的掃描方法：掃描光標是單獨進行的一行掃描。我們在掃描光標亮點的時候，給Ｘ提供一個小平臺電壓，這樣掃描光點在平臺電壓的持續(xù)時間內水平方向不移動，而與此同一時間，Ｙ方向上快速掃描，形成一豎直的時標線。這樣X軸的電壓是帶一個小平臺的鋸齒波。（2）按行掃描方式，X用外觸發(fā)方式，掃描9次掃完一屏，X、Y接法和方案一一樣。此掃描方法沒有單獨去實現(xiàn)時標的顯示掃描，時標的掃描顯示通過將時標分成9次顯示分別在各頻道的掃描顯示中打點顯示，由于一屏的掃描時間為(1/25)S,眼睛是覺察不到時標的分段顯示過程的。這樣也可減少一次掃描時間，提高顯示質量，且同樣可以實現(xiàn)方案二中的豎直時標線，也不至于造成產生小平臺鋸齒波的問題。此方法較簡單，且效果也不錯。（3）按列掃描方式，X采用外觸發(fā)方式,故X、Y接法同方案2。具體掃描過程是：按列掃描時送數(shù)據的順序是8位為一組，即單片機采集一次的Q0Q7共8BIT數(shù)據，掃完一屏需送24次。掃描第一個通道的10點（即1BIT)結束后，X輸入的電平立刻變?yōu)榇薆IT的起始處的電平值，Y方向同時變化一臺階，再掃描第二個頻道的10點，重復第一頻道的操作，一直掃描到存儲深度24（第0頁），則掃完一屏。此方案中X端的不規(guī)則鋸齒輸入的提供也是一個問題，這種方案情況下的時標輸入也是先計算好位置，在單BIT掃描中打點實現(xiàn)的。綜合以上幾種方案的分析比較，我們選用方案2，此方案靈活簡單，實現(xiàn)起來相對方便，而且可以達到較好的效果。具體硬件實現(xiàn)：（1）D/A轉換器： TLC7226引腳圖TLC7226提供的基準電壓變化范圍大（0～5V)，可適應各種輸入信號的邏輯電平，提高了測量范圍和測量精度。此輸入電路在本設計中，由于信號發(fā)生器輸出TTL電平，沒有將這一優(yōu)點體現(xiàn)出來。數(shù)據顯示模塊用一片162A液晶顯示,用高四位傳輸數(shù)據，接法與信號發(fā)生器中一樣。TLC7266加示波器顯示模塊產生周期相同的X和Y信號，便于波形顯示的同步，且可以顯示較復雜的波形。但單片機通過D/A轉換器產生波形產生信號波形時，輸出頻率會受到單片機本身工作速度的限制（12MHZ晶振主頻時，機器周期為1us)。其次，要有一定的顯示質量，在信號的一個周期內取樣點不能太少，這進一步限制了信號的頻率。TLC7226是高性能D/A轉換器，片內包含四路8位電壓輸出數(shù)/模轉換器(DAC)，每個DAC都有分離的片內鎖存器，數(shù)據通過一個公共的8位TTL/CMOS兼容(5V)輸入口送入這些數(shù)據寄存器之一。由A0和A1決定/WR變低時哪個DAC被加載。在/WR的上升沿，數(shù)據被鎖存在被尋址的輸入寄存器，只有保存在DAC寄存器中的數(shù)據決定轉換器的模擬輸出。由D/A轉換器TLC7226和示波器組成，采用一片TLC7226產生三路模擬信號，OUT C提供基準電壓，使邏輯信號門限電壓在0~5V范圍內按32級變化；OUT B提供線性鋸齒波作為示波器X方向輸入，用這個線性增長的電壓作為掃描電壓控制電子束移動，以產生示波器上光點的水平移動；OUT A提供Y軸偏置電平以區(qū)分各頻段顯示位置，一共需要9個電平以區(qū)分9個頻段的輸出顯示。此9個偏置電平和T0輸出的信號相疊加，實現(xiàn)T0信號在示波器上的分通道顯示。（2）產生和使用門限單片機通過對D/A設置不同輸出電壓，得到門限電平從D/A轉換器輸出到LM339反相輸入端。（3）產生Y軸偏置信號針對分通道顯示時，并不是簡單的疊加偏置電平就可以的，因為疊加到偏置電平上的信號電壓本身可能就很高，超過相鄰偏置電平的變化值，這樣就會發(fā)生相鄰頻道信號甚至多頻道信號波形的疊加，這樣分通道實現(xiàn)多路顯示也就已經沒有了任何意義?？紤]到這種情況，就需要對信號疊加偏置電壓前進行限幅處理，以使各路頻道信號均勻的分布于示波器的屏幕上得以清晰顯示。并且要保證各信號之間要有一定的空白間隔，以區(qū)分顯示9個頻段。針對此問題，此電路不僅解決了上面我們注意到的存在問題即輸入電平的幅度問題，同時簡單的實現(xiàn)了時標的掃描顯示。這是一個同相求和的運算電路，運放接成電壓跟隨器形式： 示波器輸入電路原理圖 Vdot、Vdat、Vbase分別通過RRR3接運算放大器的同相輸入端V2，并通過電阻R4接地，運算放大器的輸出端接入反相輸入端，接成電壓跟隨器。由電壓跟隨器的特點可列寫：Vo=V1 ,V1=V2V2／R4 + (V2－Ｖdot)／R1＋(V2－Ｖdat)／R2+(V2－Ｖbase)／R3=0所以 V0=K1*Ｖdot 　+　K2*Ｖdat　+ K3*Ｖbas其中： K1=K／R1 ；　 K２=K／R２；　K３=K／R３ ；１／Ｋ＝１／R1＋ １／ R２＋１／ R３＋１／R４ 。Vbas是在0～5v范圍內變化的模擬電壓則在V0處的變化范圍是0～△V0=。要在示波器上實現(xiàn)9頻道的輸出，則每一頻道所占的變化電壓是：△V=△V0 / 9=。要使各頻段的波形由空白間隔的顯示，則讓顯示波形占頻道的4/5，而留下1/5的空白區(qū)分各頻道的波形使之不會發(fā)生相鄰波形的重影現(xiàn)象，這樣由于加法器的輸入端接法，使得本來應該是0～5V的大幅度變化變?yōu)?～，再被9個頻段平分，這時可計算得到每頻道內顯示的波形電壓幅值為：△V2=△V* 4 / 5=；使Ｖdat的