【正文】 ing 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(shū) 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(shū) 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。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。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為數(shù)字化。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） 。 數(shù)字存儲(chǔ)分兩步來(lái)實(shí)現(xiàn)。 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。 這種類(lèi)型的 ADC 稱(chēng)為閃其速式（ flash)模 /數(shù)字變換器。 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。 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(chēng)為一個(gè)字節(jié)。 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。 此時(shí)基設(shè)置值稱(chēng)為 “最大單次掃描時(shí)基設(shè)置值 ”，在這個(gè)設(shè)置值之下示波器使用 “最大實(shí)進(jìn)采樣速率 ”進(jìn)行工作。 方案二 :以單片 機(jī)控制系統(tǒng)為主，輔以少量的必要的邏輯電路。 綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用方案 三 ，采用 AT80C51 單片機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行 存儲(chǔ)模塊 方案一 :由單片機(jī)啟 動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，讀入采集到的數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)存到 RAM內(nèi)，期間可以把數(shù)據(jù)送 到 D/A 轉(zhuǎn)換芯片輸出 。 DMA控制器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 RAM、 D/A 轉(zhuǎn)換器等器件，全部掛在總線上。 本設(shè)計(jì)采用方案 一 。改變 DI的置數(shù)，可以改變模塊的放大倍數(shù)，關(guān)系如表 所示。通過(guò)控制 PGA102 的管腳 1(AO)、 2 (A1)邏輯狀態(tài)可以改變它的放大倍數(shù)，如表 所示， 可以滿足每擋變化 10 倍，而且精度較高，控制也很方便。 1 0 100 177。 1LSB； ? 單 +5V 供電，模擬輸入電壓范圍為 0～ +5V； ? 具有鎖存控制的 8 路輸入模擬開(kāi)關(guān)； ? 可鎖存三態(tài)輸出，輸出與 TTL電平兼容； ? 功耗為 15mW； ? 不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整； 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 13 ? 轉(zhuǎn)換速度取決于芯片外接的時(shí)鐘頻率。 ALE 引腳的頻率是單片機(jī)的 1/6，我們所用的單片機(jī)時(shí)鐘頻率為12MHz， 則 ALE 引腳的頻率為 2MHz。響應(yīng)中斷請(qǐng)求后，由 中段服務(wù)子程序讀取 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果并存儲(chǔ)到 RAM 中，然后啟動(dòng) ADC0809 的下一次轉(zhuǎn)換。 主要特 性： ? 分辨率為 8位； ? 電流建立時(shí)間 1us； ? 數(shù)據(jù)輸入可采用雙緩沖、單緩沖或直通方式； ? 輸出電流線形 度可在滿量程下調(diào)解； ? 邏輯電平輸入與 TTL 電平兼容； ? 單一電源供電（ +5～ +15V）； ? 低功耗， 20mW。 80C51 系列單片機(jī)采用雙列直插式（ DIP）、 QFP44（ Quad Flat Pack）和 LCC（ Leaded Chip Carrier）形式引腳封裝。在系統(tǒng)初始化時(shí)，由 CPU 控制總線，在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí) ,先設(shè)定好采樣點(diǎn)數(shù)和采樣速率 ,然后讓出總線 ,由 ADC0809 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并直接送到 80C51 儲(chǔ)存單元 ，采集 數(shù)據(jù) 完成后， 存儲(chǔ) 在存儲(chǔ) 單元 的數(shù)據(jù)送 入 DAC0832，然后通過(guò)示波器顯示出來(lái)。 數(shù)據(jù)采集 部分 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并 通過(guò)單片機(jī) 控制 存儲(chǔ)在片內(nèi)或片外 RAM 中 。 本次設(shè)計(jì)具體程序如附錄 2。 三，顯示存儲(chǔ)波 形子程序，按外部存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)順序讀取數(shù)據(jù)進(jìn)入 D/A 轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中間有一定的時(shí)間間隔，可以控制波形的單倍、雙倍、四倍 延伸 輸出。 本次設(shè)計(jì)采用邊沿觸發(fā)方式，作用最終產(chǎn)生統(tǒng)一的上升沿有效的觸發(fā)信號(hào)。 在很多應(yīng)用場(chǎng)合，我們感興趣的波形部分并不緊跟在引起穩(wěn)定觸 發(fā)的信號(hào)部位的后面，而是在觸發(fā)以后一段時(shí)間，或者甚至可能在觸發(fā) 之 前。例如在研究一個(gè)方波的抖動(dòng)的大小，就可以使用一臺(tái)具有后觸發(fā)延遲或后觸發(fā)觀察能力的示波器。 由于延遲計(jì)數(shù)器是一個(gè)非常穩(wěn)定的石英晶體控制的數(shù)字時(shí)鐘，它與被測(cè)信號(hào)無(wú)關(guān)、獨(dú)立工作，所以被沒(méi)方波信號(hào)的抖動(dòng)就會(huì)表現(xiàn)為示波器上采集到的上升沿位置的不穩(wěn)定性。 在有些示波器中，觸發(fā)位置只能設(shè)置為幾個(gè)預(yù)先規(guī)定的數(shù)值，例如在采集的信號(hào)記錄的開(kāi)關(guān)、中間和結(jié)尾。產(chǎn)生這種波形的原因可能是由于其它電路的干擾，也可能是由于連線離被測(cè)系統(tǒng)過(guò)近的緣故。 由于毛刺源于其它的電路系統(tǒng)，所以這些毛刺通常只是偶爾發(fā)生，并且和主信號(hào)不同步。為了能夠捕捉到毛 刺 ，我們的辦法就是峰值檢測(cè)或毛刺捕捉。因此，峰值檢測(cè)的方法能夠幫助我們發(fā)現(xiàn)由于使用的采樣速率過(guò)低而 丟失的信號(hào)或者由于假象而引起失真的信號(hào)。 示波器上的峰值檢測(cè)功能是通過(guò)硬件（模擬）峰值檢測(cè)器的方法或者快速采樣的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，模擬峰值檢測(cè)器是一個(gè)專(zhuān)門(mén)的硬件電路，它以電容 上電壓的形式存貯信號(hào)的峰值，這種缺點(diǎn)是速度畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 23 比較慢，它通常只能存貯寬度大于幾個(gè)微秒且具有相當(dāng)幅度的毛刺。一旦新的數(shù)據(jù)已將存儲(chǔ)器的最后一個(gè)單元填滿以后，采集過(guò)程結(jié)束，示波器就將采集存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)復(fù)制到顯示存儲(chǔ)器中去 ， 在此時(shí)期示波器不再采集新的數(shù)據(jù) 。這樣一來(lái)示 波器屏幕上顯示的波形總是反映出最新信號(hào)對(duì)時(shí)間變化的情況。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 24 這實(shí)惠這一目的，只有邊緣觸發(fā)方式往往是不夠的，為此又開(kāi)發(fā)了若干附加的觸動(dòng)發(fā)能力。使用圖形觸發(fā)功能可以監(jiān)視多條，例如 4 條線的狀態(tài)，當(dāng)探測(cè)到用戶規(guī)定的圖形（例如 HHLH）或字時(shí)，示波器就被觸發(fā)。當(dāng)使用狀態(tài)觸發(fā)時(shí)。 如果一個(gè)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)在 DC到某一頻率信號(hào)下工作的，那么由于線路走線可能會(huì)使系統(tǒng)引入比此范圍更高的頻率信號(hào)，例如來(lái)自其它線路的干擾或吸收大功率的瞬變 信號(hào)等，可以把示波器設(shè)置為當(dāng)被測(cè)脈沖的寬度小于允許的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 25 最高頻率信號(hào)之周期的一半時(shí)觸發(fā)。在這種系統(tǒng)中，故障的發(fā)生常常和脈沖寬度異常有關(guān)，為了探測(cè)故障，我們現(xiàn)在可以把示 波器的 觸 發(fā)條件設(shè)置為在脈沖寬小于一個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)觸發(fā)。還可 以 用這種觸 發(fā) 方式來(lái)探測(cè)連續(xù)工作信號(hào)發(fā)生的中斷現(xiàn)象。 典型應(yīng)用實(shí)例為串行數(shù)據(jù)線、控制系統(tǒng)及機(jī)械環(huán)境等。這時(shí)可以選擇 “N= 周期 = n12 ，這樣示波器就只對(duì)這些變 寬的脈沖 做 出響應(yīng)，引起觸發(fā) 波形存貯 被測(cè)信號(hào)的波形 存入存儲(chǔ)器以后，可以將其復(fù)制到所謂的后備存儲(chǔ)器或寄存器中，供以后進(jìn)行分析或作參考及比較的目的使用，DSO 中通常裝有多個(gè)這種存儲(chǔ)器可以按掃跡存儲(chǔ)器的 方式設(shè)置，這時(shí)示波器多通道采集的每一條掃跡將分別存貯，也可將后 備 存儲(chǔ)器設(shè)置為記錄存儲(chǔ)器，這時(shí)示波器將多通道采集所有數(shù)據(jù)同時(shí)存貯了所有有關(guān)的時(shí)間信息。這時(shí)示波器在屏幕上顯示出這些采樣點(diǎn)，并在這些采樣點(diǎn)之間畫(huà)出連線， 這種波形顯示的工作可以按幾種方法來(lái) 做 ，最簡(jiǎn)單的方法是在各個(gè)采樣點(diǎn)之間用直線連接，這種京都我為線性內(nèi)差，只要各采樣點(diǎn)之間告得很近，例如每格 50個(gè)采樣點(diǎn)，用這種方法就畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 27 能獲得足夠的重建波形，如果在信號(hào)跳變沿前后都采集了采樣點(diǎn)，那么用這種方法就可以觀察領(lǐng)事的沿，如果 將顯示的波形在水平方向放大，使得采集的采樣點(diǎn)之間的距離變大，那么示波器屏幕上信號(hào)波形的亮度就會(huì)降低，所以，示波器是通過(guò)計(jì)算出內(nèi)插的或顯示的采樣值來(lái)保持屏幕上顯示的采樣點(diǎn)數(shù)足夠高，當(dāng)屏幕上的波形在水平方向放大得很大時(shí)，在屏幕上顯示出一條通過(guò)各采樣點(diǎn)的連續(xù)的曲線就比在采點(diǎn)之間用直線連接要好得多，為此可用使用正弦內(nèi)插法。選擇這種方式以后，我們?cè)谄聊簧现荒芸吹接秒x散亮點(diǎn)表示采樣點(diǎn)，而在這些點(diǎn)之間沒(méi)有任何連線。 由于在采集信號(hào)之前沒(méi)有對(duì)輸入波形信號(hào)調(diào)整的設(shè)備，所以對(duì)輸入信號(hào)有一定的要求，即是如果周期信號(hào)頻率高于采樣頻率，這樣在周期信號(hào)的一個(gè)周期中只有一個(gè)采樣點(diǎn)或者沒(méi)有采樣點(diǎn)，則會(huì)出現(xiàn)很大的失真甚至在示波器上沒(méi)有波形顯示。 由于受客觀條件的影響，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)只能單純以簡(jiǎn)單單片機(jī)控制的形式進(jìn)行，這使得實(shí)踐性大大打了折扣。本次課程設(shè)計(jì)將會(huì)在很大程度上促進(jìn)后面的學(xué)習(xí)，學(xué)為所用、團(tuán)隊(duì)合作的意識(shí)也將會(huì)更加突出。通過(guò)本次畢業(yè) 設(shè)計(jì)，我受益匪淺?？偠灾?，這次課程設(shè)計(jì)無(wú)論在理論還是實(shí)踐方面都給了我極大的經(jīng)驗(yàn)和啟發(fā)。