【正文】 器 （ DSO）： 將信號(hào)數(shù)字化后再 立建波形， 有記憶、存儲(chǔ)被觀測(cè)信號(hào)的功能，可以用來(lái)觀測(cè)和比較單次過(guò)程和非周期現(xiàn)象、低頻和慢速信號(hào)，以及不同時(shí)間不同地點(diǎn)觀測(cè)到的信號(hào) 數(shù)字熒光示波器 （ DPO） ：通過(guò)多層次輝度或彩色可顯示長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)信號(hào) 混合信號(hào)示波器 （ MSO） ：把數(shù)字示波器對(duì)信號(hào)細(xì)節(jié)的分析能力和邏輯分析儀多通道定時(shí)測(cè)量能力組合在一起，可用于分析數(shù)?；旌闲盘?hào)交 互影響 。 . 重要 指標(biāo) 帶寬是示波器最重要的指標(biāo)之一。模擬示波器的帶寬是一個(gè)固定的值，而數(shù)字示波器的帶寬有模擬帶寬和數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬兩種。數(shù)字示波器對(duì)重復(fù)信號(hào)采用順序采樣或隨機(jī)采樣技術(shù)所能達(dá)到的最高帶寬為示波器的數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬，數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬與最高數(shù)字化頻率和波形重建技術(shù)因子 K 相關(guān)（數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬 =最高數(shù)字化速率 /K），一般并不作為一項(xiàng)指標(biāo)直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出，模擬帶寬只適合重復(fù)周期信號(hào)的測(cè)量，而數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬則同時(shí)適合重復(fù)信號(hào)和單次信號(hào)的測(cè)量。廠家聲稱示波器的帶寬能達(dá)到多少兆，實(shí)際上指的是模擬帶寬，數(shù)字實(shí)時(shí) 帶寬是要低于這個(gè)值的。例如說(shuō) TEK 公司的 TES520B 的帶寬為 500MHz，實(shí)際上是指其模擬帶寬為 500MHz，而最高數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬只能達(dá)到 400MHz蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè) 遠(yuǎn)低于模擬帶寬。所以在測(cè)量單次信號(hào)時(shí)，一定要參考數(shù)字示波器的數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬，否則會(huì)給測(cè)量帶來(lái)意想不到的誤差。 采樣速率是數(shù)字示波器的一項(xiàng)重要指標(biāo)，采樣速率也稱為數(shù)字化速率，是指單位時(shí)間內(nèi)，對(duì)模擬輸入信號(hào)的采樣次數(shù)，常以 MS/s 表示。如果采樣速率不夠，容易出現(xiàn)混迭現(xiàn)象。采樣速率與 t/div 的關(guān)系 :每臺(tái)數(shù)字示波器的最大采樣速率是一個(gè)定值。但是，在任意一個(gè)掃描時(shí)間 t/div，采樣速率 fs 由下式給出： fs = Ntdiv N 為每格采樣點(diǎn) 當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù) N 為一定值時(shí)， fs 與 t/div 成反比，掃速越大，采樣速率越低。 綜上所述，使用數(shù)字示波器時(shí)，為了避免混迭，最好置于掃速較快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，則最好置于掃速較慢的位置。 第 設(shè)計(jì) 要實(shí)現(xiàn)的 目標(biāo) 本文設(shè)計(jì)的目的主要是利用 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)、液晶顯示模塊等配合外圍電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入量的波形、 幅值、 頻率顯示。 用戶只需要把待測(cè)信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換器，不用其他的操作，示波器自動(dòng)在顯示器上顯示波形、幅值、頻率 。 第 設(shè)計(jì)的主要 內(nèi)容 本設(shè)計(jì)中， 對(duì)于輸入的信號(hào)，首先由信號(hào)調(diào)理電路將信號(hào)進(jìn)行整 形，濾波處理，然后將處理后的信號(hào)送入到 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，由 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，數(shù)字化處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 AT89S52 的 RAM 中， 數(shù)據(jù)采集完成后，經(jīng)過(guò)一定的數(shù)字信號(hào)處理算法，計(jì)算出波形的相關(guān)參數(shù)，并對(duì)波形進(jìn)行重建送入到 LCD 液晶顯示器中顯示。 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) 第 2章 簡(jiǎn)易 數(shù)字 示波器 系統(tǒng) 總體 設(shè)計(jì) 第 硬件 系統(tǒng) 方案 選擇 . 方案一、使用 AT89S52 單片機(jī) 采用 AT89S52 單片機(jī)為控制核心，將 輸入信號(hào)通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換 后 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò) AT89S52 單片機(jī)將數(shù)據(jù)鎖存至外部 RAM，然后由單片機(jī)控制將數(shù)據(jù)送至D/A 輸出。 該方案結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)潔， A/D 的最高采樣速度 也 比 較低 ， 但是 對(duì)于 本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的數(shù)字示波器是 足夠 的 。單片機(jī) 價(jià)格也便宜 ， 無(wú)需花費(fèi)太大的成本就能完成設(shè)計(jì)。 . 方案二、使用 FPGA 可編程邏輯器件 用 FPGA 可編程邏輯器件作為控制和 數(shù)據(jù)處理的核心，利用 FPGA 的層次化存儲(chǔ)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使用 FPGA 內(nèi)部集成的基本邏輯功能塊配置成雙端口同步 RAM 對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，完成設(shè)計(jì)指標(biāo)。 因?yàn)?FPGA 可在線編程，從而 大大加快了開(kāi)發(fā)速度。電路中的 絕 大部分邏輯控制功能都 是 由單片 FPGA 完成。同樣 多個(gè)功能模塊如采樣頻率控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊都集中在單個(gè)芯片上， 因此 大大簡(jiǎn)化了外圍硬件電路設(shè)計(jì)，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 FPGA的高速性能比其他控制芯片更適合于高速數(shù)據(jù)采集和處理， FPGA 是由存放在片內(nèi) RAM 中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的 RAM 進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式 。 . 方案三、以 CortexM3 內(nèi)核的 STM32 為主控制器 微處理器采用意法半導(dǎo)體的 32 位處理器 STM32F103VET6,其內(nèi)部是 ARM 公 司CortexM3 內(nèi)核 ,再在其上面移植開(kāi)源的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 181。C/OSII 系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。由于高速 A/D 轉(zhuǎn)換器的速度太快， STM32 處理數(shù)據(jù)的速度跟不上，所以在中間加入 FIFO 高速緩存器。利用 STM32 內(nèi)部自帶的 FSMC(靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器 )來(lái)控制TFT 液晶屏刷新波形，可實(shí)現(xiàn)更高頻率的信號(hào)的波形刷新和顯示。此為，利用 STM32 的高級(jí)定時(shí)器可輸出 很高 的時(shí)鐘，可以作為高速 A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)鐘和 FIFO 存儲(chǔ)器的控制時(shí)鐘，從而避免了一大堆由有源晶振和數(shù)字芯片組成的時(shí)鐘電路。 . 方案比較： 方案一 簡(jiǎn)單能夠在短時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)且做成實(shí)物，而且這種示波器能夠簡(jiǎn)易的顯示常規(guī)信號(hào)的波形、幅度、頻率，實(shí)現(xiàn)數(shù)字示波器的基本指標(biāo)； 方案二采用 FPGA 雖然能深入開(kāi)發(fā)數(shù)字示波器，然而，其成本偏高，即使加入 可編程片上系統(tǒng) （ SOPC)，其軟件壓力也很大。 難度 大難以在短時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。 方案三是能夠?qū)崿F(xiàn)嵌入式數(shù)字示波器基本指標(biāo)的方案， 雖然 該方案是完成該任務(wù)的最蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 好的方案， 能夠 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)簡(jiǎn)化編程，提供系 統(tǒng)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性， 但是 ARM 成本目前較高， 短時(shí)間內(nèi)不能夠完成設(shè)計(jì)及做成實(shí)物。因此，本設(shè)計(jì)最終選擇方案一開(kāi)展設(shè)計(jì)。 第 軟件 系統(tǒng)方案選擇 . 方案一 采用 C 語(yǔ)言環(huán)境編寫 C 是結(jié)構(gòu)式語(yǔ)言。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻?晰，便于使用、維護(hù)以及調(diào)試。它簡(jiǎn)單、靈活、對(duì)各種需要的適應(yīng)性強(qiáng)。 C 語(yǔ)言功能齊全，具有各種各樣的數(shù)據(jù)類型、運(yùn)算符、表達(dá)式、數(shù)組、結(jié)構(gòu)體以及共用體，并引入了指針的概念，可使程序效率更高，而且C 語(yǔ)言是以函數(shù)形式提供給用戶的，這些函數(shù)可方便的調(diào)用，用戶還可以自定義函數(shù)，這使得 C 語(yǔ)言的使用更加方便。 且 我們學(xué)的就是 C 語(yǔ)言，有一定的功底 運(yùn)用 比較方便 。 . 方案 二采用匯編語(yǔ) 言 環(huán)境 編寫 匯編語(yǔ)言比機(jī)器語(yǔ)言易于讀寫、易于調(diào)試和修改，同時(shí)也具有機(jī)器語(yǔ) 言執(zhí)行速度快，占內(nèi)存空間少等優(yōu)點(diǎn)，但在編寫復(fù)雜程序時(shí)具有明顯的局限性，匯編語(yǔ)言依賴于具體的機(jī)型，不能通用，也不能在不同機(jī)型之間移植。 雖然 學(xué)過(guò)匯編 ， 但是編寫難度較大。 為了 方便編寫 、 修改， 后期 維護(hù)選擇了方案一。 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 第 3章 簡(jiǎn)易 數(shù)字 示波器系統(tǒng)分析 第 硬件系統(tǒng) . 硬件 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖 31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 信號(hào)輸入之前手動(dòng)調(diào)整信號(hào)電平調(diào)整成為符合 A／ D 轉(zhuǎn)換要求的 0～ 5 V 電壓。之后輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)高速 A／ D 轉(zhuǎn)換器 TLC2543 實(shí)時(shí)采樣變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò) AT89S52 單片機(jī)后儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中。單片機(jī)從存儲(chǔ)器中讀出信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，將波形顯示在 LCD 液晶屏上。 . 示波器 的硬件設(shè)計(jì) 本 數(shù)字示波器 設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)易， 所需 硬件 數(shù)量 少 、 簡(jiǎn)單。只要有信號(hào)輸入無(wú)需調(diào)節(jié)直接顯示波形、幅值、頻率。 主要 硬件為 AT89S5 TLC254 KXM12864M 等 AT89S52 圖 32 AT89S52引腳圖 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 圖 33 AT89S52 部分 接線圖 主要性能 與 MCS51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器、 1000 次擦寫周期、 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz、 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器、 32 個(gè)可編程 I/O 口線、三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器八個(gè)中斷源、全雙工 UART 串行通道、低功耗空閑和掉電模式、掉電后中斷可喚醒、看門狗定時(shí)器、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標(biāo)識(shí)符。 功能特性描述 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上， 擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控 制應(yīng)用系統(tǒng)提 供靈活、 有效的解決方案。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器， 一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 8 位微控制器 8K 字 節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash AT89S52 P0 口： P0 口是一個(gè) 8 位漏極開(kāi)路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL邏輯電平。對(duì) P0 端口寫“ 1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。 當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0 具有內(nèi)部上拉電阻。 在 flash 編程時(shí)， P0 口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn) 時(shí)，需要外部上拉電阻。 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) P1 口： P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì) P1 端口寫“ 1” 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。此外， 和 分別作定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入（ ）和時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ），具體如下所示： 在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口接收低 8 位地址字節(jié)。 引腳號(hào)第二功能 T2（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T2 的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出 T2E