【正文】 摘 要 隨著科技高速發(fā)展，模擬示波器的 功能不能滿足人們的要求 ，數(shù)字存儲(chǔ)示波器以其可以存儲(chǔ)波形，穩(wěn)定的輸出，方便觀察波形，操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)代替了模擬示波器。 本 次設(shè)計(jì)的 簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器，以 80C51 為核心，由信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、波形顯示、控制面板等功能模塊組成。 整個(gè)系統(tǒng)分成 A/D 轉(zhuǎn)換部分、 D/A 轉(zhuǎn)換部分、波形存儲(chǔ)部分、鍵盤輸入控制四大部分組成。 基于題目要求，本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、水平掃描速度輸出功能進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)。此存儲(chǔ)示波器即具有一般示波器 實(shí)時(shí)采樣實(shí)時(shí)顯示的功能，又可以對(duì)某段波形進(jìn)行即時(shí)存儲(chǔ)和連續(xù)回放 顯示。 輸出 波形可以在示波器 X 軸上放大 2 倍或 4 倍輸出顯示。具體設(shè)計(jì) 原理以及 過(guò)程 在下面章節(jié)中詳細(xì)說(shuō)明。 關(guān)鍵字： 數(shù)字存儲(chǔ) 、 單片機(jī) 、 AT80C5 D/A轉(zhuǎn)換、 A/D 轉(zhuǎn)換 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 1 Abstract Wanting develops high speed along with the science and technology, simulates oscilloscope39。s function not to be able to satisfy people39。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 design39。s simple digital storage oscilloscope, take 80C51 as a core, by signal gathering, the data processing, the profile demonstrated that functional modules and so on control panel pose. 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 positions. 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 mon oscilloscope realtime 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, AT80C51, D/A transform, A/D to transform 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 2 目 錄 1 緒論 ......................................................... 3 簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器工作原理 .............................. 3 數(shù)字存儲(chǔ)部分介紹 ........................................ 3 模 /數(shù)變換 器和垂直分辨率 ................................ 6 時(shí)基和水平的分辨率 ...................................... 7 2 方案及器件選擇 ............................................... 9 控制部分 ............................................... 9 存儲(chǔ)模塊 ................................................ 9 數(shù)據(jù)采集模塊 .......................................... 10 器件選擇 .............................................. 12 3 軟件設(shè)計(jì) .................................................... 15 程序設(shè)計(jì)思路 ........................................... 15 程序流程及程序編制 .................................... 16 程序介紹 .............................................. 18 4 普通數(shù)字存儲(chǔ)示波器控制機(jī)構(gòu)及其存儲(chǔ)功能 ...................... 20 預(yù)觸發(fā)和后觸發(fā) ........................................ 20 特殊的 觸發(fā)方式 ......................................... 23 波形存貯 .............................................. 26 5 測(cè)試結(jié)果及總結(jié) ............................................. 28 心得體會(huì) ...................................................... 31 致謝 .......................................................... 32 參考文獻(xiàn) ....................................................... 0 附錄 1.......................................................... 2 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 3 1 緒論 簡(jiǎn)易 數(shù)字存儲(chǔ)示波器 工作原理 大部分 數(shù)字存儲(chǔ)示波 器 采 用 DMA（ 直接數(shù)據(jù)存取 )方式控制采樣、儲(chǔ)存和顯示數(shù)據(jù)，解決了單片機(jī)運(yùn)行速度上限造成的數(shù) 據(jù)帶寬瓶頸 ， 同時(shí)兼作鋸齒波發(fā)生器的輸入數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化了電路。 本次設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制采樣、存儲(chǔ)和顯示數(shù)據(jù)， 采用二進(jìn)制計(jì)數(shù)器產(chǎn)生數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址。具有示波功能，可隨時(shí)鎖存當(dāng)前波形。 每隔一段時(shí)間對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，然后經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換，把這些數(shù)字化后的信息按一定的順序存入 RAM 中，當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的不失真存儲(chǔ)。當(dāng)需要觀察這些信息時(shí)，只要以合適的頻率把這些信息從存儲(chǔ)器 RAM 按原順序取出，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換和 LPF 濾 波后送至示 波器就可以觀察到穩(wěn)定的還原后的波形。 數(shù)字存儲(chǔ)部分介紹 何謂數(shù)字存儲(chǔ) ， 從字意上不難看出，所謂數(shù)字存儲(chǔ)就是在示波器中以數(shù)字編碼的形式來(lái)貯存信號(hào)。 當(dāng)信號(hào)進(jìn)入數(shù)字存儲(chǔ)示波器，或稱 DSO 以后，在信號(hào)到達(dá) CRT的偏轉(zhuǎn)電路之前（圖 ），示波器將按一定的時(shí)間間隔對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行采樣。然后用一個(gè)模 /數(shù)變換器（ ADC）對(duì)這些瞬時(shí)值或采樣值進(jìn)行變換從而生成 代表每一個(gè)采樣電壓的二進(jìn)制字。這個(gè)過(guò)程稱為數(shù)字化。 獲得的二進(jìn)制數(shù)值貯存在存儲(chǔ)器中。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣的速度稱為 采 樣速率。采樣速率由采樣時(shí)鐘 控制。對(duì)于一般使用情況來(lái)說(shuō)，采樣速 率的范圍從每秒 20 兆次（ 20MS/s）到 200 兆次（ 200MS/s） 。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 4 圖 11 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的方框圖 存儲(chǔ)器中貯存的數(shù)據(jù)用來(lái)在示波器的屏幕上重建信號(hào)波形。 所以，在 DSO 中的輸入信號(hào)接頭和示波器 CRT 之間的電路不只是僅有模擬電路。輸入信號(hào)的波形在 CRT 上獲 得顯示之前先要存貯到存儲(chǔ)器中去我們?cè)谑静ㄆ髌聊簧峡吹降牟ㄐ慰偸怯伤杉綌?shù)據(jù)重建的波形，而不是輸入連接端上所加信號(hào)的立即的、連接的波形顯示。 數(shù)字存儲(chǔ)分兩步來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一步，獲取輸入電壓的采樣值。這是通過(guò)采樣及保持電路來(lái)完成的，見(jiàn)圖 12。 +A1+A2輸出輸入控制保持電容.. .. 圖 12 基本的采樣保持電路 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 5 當(dāng)開(kāi)關(guān) S 閉合時(shí)，輸入放大器 A1，通過(guò)開(kāi)關(guān) S 對(duì)保持電容進(jìn)行充放電，而當(dāng)開(kāi)關(guān) S 斷開(kāi)時(shí)保持電容上的電壓就不再變化，緩沖放大器 A2將此采樣值送往模 /數(shù)變換器（ ADC）， ADC 則測(cè)量此采樣電壓值，并用數(shù)字的 “ 字 ” 的形式表示出來(lái)。 模 /數(shù)字變換器圍 繞一組比較器而構(gòu)成，見(jiàn)圖 ，每一個(gè)比較器都檢 查輸入 采 樣電壓是高于或低于其參考電壓。如果高于其參考電壓則該比 ++++++++數(shù) 碼.轉(zhuǎn)換器數(shù)字輸出模擬輸入 圖 13 模數(shù)變換器基本電路 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 6 較器的輸出為有效；反之則輸出為無(wú)效。 各個(gè)比較器的參考電壓彼此略有不同，這此參考電壓都是用一個(gè)電阻鏈從 一個(gè)基準(zhǔn)電壓源而得到的。對(duì)于某一采樣電壓值來(lái)說(shuō)，若干個(gè)比較器輸出為有效，而其余的比較器輸出為無(wú)效，接著 ADC 中的編碼變換器就把該采樣電壓值變?yōu)橐粋€(gè) “ 數(shù)字 ” ，并將其送往數(shù)字存儲(chǔ)器 或單片機(jī)內(nèi)存單元 。 這種類型的 ADC 稱為閃其速式（ flash)模 /數(shù)字變換器。 因?yàn)樗茉?“ 一閃 ” 間把一個(gè)模擬輸入電壓變換為一個(gè) “ 數(shù)字 ” 。除此之外，還可以使用其它類型的模 /數(shù)變換器。其模 /數(shù)變換是由幾步動(dòng)作來(lái)完成的，但是其缺點(diǎn) 是完成一個(gè)采樣壓的變換所需時(shí)間較長(zhǎng)。 模 /數(shù)變換器和垂直分辨率 ADC 通過(guò)把采樣電壓和許多參考電壓進(jìn)行比較來(lái)確定采樣電壓的幅度。構(gòu)成 ADC 所用的比較器越多，其電阻鏈越長(zhǎng)， ADC 可以識(shí)別的電壓層次也趙多。這個(gè)特性稱為垂直分辨率，垂直分辨率越高，則示波器上的波形中可以看到的信號(hào)細(xì)節(jié)越小 （見(jiàn)圖 ）。 垂直分辨率用比特來(lái)表示，垂直分辨率就是構(gòu)成輸出的字 的總比特?cái)?shù)（即數(shù)字輸出字的長(zhǎng)度大小）。 這樣 ADC可以識(shí)別并進(jìn)行編碼的電壓層次數(shù)可以用下式來(lái)計(jì)算： 層次 數(shù) =2 比特 數(shù) 多數(shù)示波器使用比特的模 /數(shù)變換器，所以能夠按 28=256個(gè)不同的電壓層次來(lái)表示信號(hào)電平，這樣就能夠提供足夠的細(xì) 節(jié)以便研究信號(hào)和進(jìn)行測(cè)量，在這種垂直分辨率下，可以顯示的最小分辨 率大約和 CRT 屏幕上光點(diǎn)的直徑大小相同，代表采樣電壓值 的一個(gè) ADC 輸出字包含 8個(gè) 比特，并稱為一個(gè)字節(jié)。 在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，增加垂直分辨率的限制因素之一是成本問(wèn)題，在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 7 制造 ADC 時(shí)，輸出字每多增加一個(gè)比特，就需要將所 用的比較器數(shù)增加一倍并使用更大的編碼變換器，這樣一 來(lái)就使得 ADC 電路在電路板上占據(jù)大一倍的芯片空間，并消耗多一倍的功率（這又將進(jìn)一步影響周圍電路）結(jié)果，增加垂直分辨率又帶了價(jià)格的提高。 時(shí)基和水平的分辨率 在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中，水平系統(tǒng)的作用是確保對(duì)輸入信號(hào)采集足夠數(shù)量的采樣值，并且每個(gè)采樣值取自正確的時(shí)刻，和模擬示波器一樣，水平偏轉(zhuǎn)的速度取決于時(shí)基的設(shè)置（ s/格）。 構(gòu)成一個(gè) 波形的組全部的采樣叫 做 一個(gè)記錄，用一個(gè)記錄可以重建一個(gè)或多個(gè) 屏幕 的波形，一個(gè)示波器可以貯存的采樣點(diǎn)數(shù)稱為記錄長(zhǎng)度或采集 長(zhǎng)度，記錄長(zhǎng)度用字節(jié)或千字節(jié)來(lái)表示， 1 千字節(jié)（ 1KB）等于 1024 個(gè)采樣點(diǎn)。 通常，示波器沿著水平軸顯示 512 采樣點(diǎn)，為了便于使用，這些采樣點(diǎn)以每格 50 個(gè)采樣點(diǎn)的水平分辨率來(lái)進(jìn)行顯示，這就是說(shuō)水平軸的長(zhǎng)為 512/50= 格。 據(jù)此，兩個(gè)采樣之間的時(shí)間間隔可按下式計(jì)算： 采樣間隔 =