數(shù)字示波器的設(shè)計-通信工程專業(yè)畢業(yè)論文

1、<p>　　分類號 密級 </p><p>　　U D C 編號 </p><p>　　本科畢業(yè)論文（設(shè)計）</p><p>　　題 目：數(shù)字示波器的設(shè)計</p><

2、p>　　院 （系）：電子信息工程學(xué)院</p><p>　　專 業(yè)：通信工程</p><p><b>　　年 級：</b></p><p><b>　　學(xué)生姓名：</b></p><p><b>　　學(xué) 號：</b></p><p>

3、;<b>　　指導(dǎo)教師：</b></p><p>　　二O一五 年 五 月</p><p><b>　　漢口學(xué)院</b></p><p><b>　　學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究工作所取得的研究成果

4、。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。</p><p>　　學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日</p><p>　　學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書</p><p>　　本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校

5、保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評選機構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。</p><p><b>　　本學(xué)位論文屬于</b></p><p>　　1、保密 □ ，在_____年解密后適用本授權(quán)書。</p>

6、;<p><b>　　2、不保密 □。</b></p><p>　　（請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打“√”）</p><p>　　學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日</p><p>　　導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日</p

7、><p>　　摘要：示波器是電子測量中一種最常用的儀器，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，示波器也從模擬示波器向數(shù)字示波器發(fā)展。基于PC的數(shù)字存儲示波器，是一種低成本的數(shù)字示波器，并且具有體積小，攜帶方便，靈活易用等優(yōu)點，特別適合對移動性有一定需求的工程測量應(yīng)用。本文主要設(shè)計一臺低成本的基于PC的數(shù)字存儲示波器的硬件和軟件部分，其具有雙通道模擬信號輸入和16位邏輯分析儀功能，采樣速率40MH

8、z，等效采樣率達(dá)60MHz，模擬帶寬為400MHz，存儲深度為3Mbits，記錄時間可達(dá)8毫秒，模數(shù)轉(zhuǎn)換分辨率為8位。整個系統(tǒng)在保證實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，盡量優(yōu)化硬件和軟件設(shè)計。通過具體的開發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)了本文的設(shè)計目標(biāo)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)字示波器 硬件 軟件 采樣速率 模數(shù)轉(zhuǎn)換</p><p>　　Abstract：Digital oscilloscope is a ki

9、nd of most in common use measure instrument in electronic measurement, and it is widely used in various fields. With the rapid development of the electronic technology and computer science，oscilloscope is developing from

10、 analog oscilloscope to digital oscilloscope. PC-based digital storage oscilloscope is low-cost, small-sized and easier to take along．These features meet the need for out-door working．In this paper the hardware and softw

11、are of the low-cost PC-</p><p>　　Key words：Digital storage oscilloscope Hardware Software Sample rate ADC </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 緒論- 1 -</p><p&

12、gt;　　1.1示波器的發(fā)展與分類- 1 -</p><p>　　1.2數(shù)字存儲示波器概述- 2 -</p><p>　　1.3數(shù)字存儲示波器的原理與特點- 2 -</p><p>　　1.4數(shù)字存儲示波器的發(fā)展現(xiàn)狀- 4 -</p><p>　　2 數(shù)字示存儲示波器的工作原理- 5 -</p><p>　　

13、2.1數(shù)字存儲示波器的基本原理與組成- 5 -</p><p>　　2.2數(shù)字存儲示波器的特點- 6 -</p><p>　　2.3數(shù)字存儲示波器的主要參數(shù)- 7 -</p><p>　　2.3.1 帶寬- 7 -</p><p>　　2.3.2 采樣速率- 7 -</p><p>　　2.3.3 存儲深度

14、- 8 -</p><p>　　3 數(shù)字示存儲示波器的總體設(shè)計- 9 -</p><p>　　3.1系統(tǒng)方案- 9 -</p><p>　　3.2主要器件的選擇- 10 -</p><p>　　3.2.1 核心控制——AT89C52- 11 -</p><p>　　3.2.2邏輯控制——ALTERA EPM24

15、0- 11 -</p><p>　　3.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器——AD9238- 12 -</p><p>　　3.2.4 存儲器——AL422B- 13 -</p><p>　　3.3 DSO與PC機接口- 14 -</p><p>　　4 數(shù)字存儲示波器的硬件設(shè)計- 18 -</p><p>　　4.1信號

16、前向調(diào)整模塊的設(shè)計- 18 -</p><p>　　4.2高速數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計- 19 -</p><p>　　4.3波形顯示電路的設(shè)計- 20 -</p><p>　　4.4觸發(fā)電路的設(shè)計- 22 -</p><p>　　4.5雙蹤示波電路的設(shè)計- 22 -</p><p>　　4.6最小系統(tǒng)電路的設(shè)計

17、- 23 -</p><p>　　4.7字符顯示模塊的設(shè)計- 23 -</p><p>　　5 數(shù)字存儲示波器的軟件設(shè)計- 24 -</p><p>　　5.1 DSO控制軟件總體結(jié)構(gòu)- 24 -</p><p>　　5.2 DSO控制軟件組成- 26 -</p><p>　　6 總結(jié)與展望- 29 -<

18、;/p><p>　　參考文獻(xiàn)- 31 -</p><p>　　致 謝- 32 -</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　示波器在當(dāng)今儀器中是最通用的電子儀器，示波器可觀察相對于時間的瞬時電壓，它可顯示波形的形狀并可測量頻率和相位等參數(shù)。示波器是利用電子示波管的特性，將人眼無法直接觀測的交變電

19、信號轉(zhuǎn)換成圖像，顯示在熒光屏上以便測量的電子測量儀器。由于其多樣性，被廣泛地應(yīng)用于廣闊的電子和電氣測量領(lǐng)域。在數(shù)字電路實驗中，需要使用若干儀器、儀表觀察實驗現(xiàn)象和結(jié)果。常用的電子測量儀器有萬用表、邏輯筆、普通示波器、存儲示波器、邏輯分析儀等。示波器是一種使用非常廣泛，且使用相對復(fù)雜的儀器。它是觀察數(shù)字電路實驗現(xiàn)象、分析實驗中的問題、測量實驗結(jié)果必不可少的重要儀器。</p><p>　　1.1示波器的發(fā)展與分類&l

20、t;/p><p>　　100多年前，斯特拉斯堡大學(xué)的物理學(xué)教授卡爾·費丁南德·布勞恩發(fā)明了世界上第一個陰極射線管示波器。布勞恩絕沒有想到他發(fā)明的裝置在100年以后經(jīng)過不但演化，成為大眾娛樂工具——電視，而且還成為電子工業(yè)和科研實驗室中的一種必備儀器。示波器發(fā)展歷史的下一個里程碑是Nicolet公司在1972年首創(chuàng)了數(shù)字示波器(DSO)，而惠普公司在1984年真正實現(xiàn)了數(shù)字示波器的商業(yè)化和技術(shù)改進(jìn)[

21、1]。</p><p>　　示波器是一種測量電壓波形的電子儀器，它可以把被測電壓信號隨時間變化的規(guī)律，用圖形顯示出來。使用示波器不僅可以直觀而形象地觀察被測物理量的變化全貌，而且可以通過它顯示的波形，測量電壓和電流，進(jìn)行頻率和相位的比較，以及描繪特性曲線等。</p><p>　　示波器的分類從功能上分有數(shù)字示波器和模擬示波器，從使用頻率上分有通用示波器、超低頻示波器、和超高頻示波器，從工作

22、原理上講還有一種采樣示波器。商品化的示波器有數(shù)字示波器、手持示波器、虛擬示波器、模擬示波器、混合示波器五種。</p><p>　　模擬示波器是指能將模擬信號通過陰極射線管掃描轉(zhuǎn)換，把被測電壓信號隨時間變化的規(guī)律用圖形顯示出來的電子測量儀器。數(shù)字示波器是指能將模擬信號經(jīng)過數(shù)字化及其他后置處理以后再重建波形的電子測量儀器?；旌鲜静ㄆ魇且环N把模擬示波器和數(shù)字存儲示波器(DSO)兩者的能力和優(yōu)點結(jié)合在一起的示波器。當(dāng)組合

23、示波器被設(shè)置成DSO時，用戶可以用它來進(jìn)行自動參數(shù)，測量，存貯采集的波形進(jìn)而制作硬件拷貝；同時，在需要的時候還能具有模擬示波器的無限分辨率以及熟悉而可信的波形顯示，并且使用組合示波器時，不管信號重復(fù)速率的高低，都可獲得最亮的顯示。</p><p>　　1.2數(shù)字存儲示波器概述</p><p>　　示波器是現(xiàn)代電子測量中最常用的儀器，它是一種可以用來觀察、測量、記錄各種瞬時電壓，并以波形方式

24、顯示其與時間關(guān)系的電子儀器。這一簡單的波形能夠說明信號的許多特性：信號的時間和電壓值、振蕩信號的頻率、信號所代表電路中“變化部分”信號的特定部分相對于其它部分的發(fā)生頻率、是否存在故障部件使信號產(chǎn)生失真、信號的直流成份和交流成份、信號的噪聲值和噪聲隨時間變化的情況、比較多個波形信號等。示波器的直觀顯示效果有助于對被測對象的深入理解。典型的示波器產(chǎn)生一個二維的波形，輸入端接收電壓信號顯示在Y軸方向上，而時間參數(shù)則顯示在x軸方向上。傳統(tǒng)的示波

25、器是模擬的，用CRT作為顯示器件。在電子槍內(nèi)形成電子束，經(jīng)過加速、聚焦，然后打在熒屏上，使受撞點發(fā)出可見光。</p><p>　　模擬示波器對于非周期性的單次瞬變信號的觀測是非常困難的，有時甚至是不可能的。為了將各種信號無失真地顯示并存儲，就必須采用數(shù)字技術(shù)。數(shù)字存儲示波器(DSO——Digital Storage Oscilloscope)是隨著?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的發(fā)展而趨于實用化的示波器。ADC把輸入示波

26、器的瞬時值轉(zhuǎn)化為對應(yīng)數(shù)字值，并保存在數(shù)字示波器中。采集完成后，從數(shù)字示波器中取出這一系列數(shù)字，經(jīng)過適當(dāng)處理后再現(xiàn)電壓對時間的波形。由于數(shù)字存儲示波器與計算機技術(shù)的緊密結(jié)合，使其發(fā)展非常迅速。目前以成為示波器市場上的主流產(chǎn)品，并逐漸地完全取代模擬示波器。</p><p>　　1.3數(shù)字存儲示波器的原理與特點</p><p>　　數(shù)字存儲示波器將輸入模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號，儲存在

27、半導(dǎo)體存儲器RAM中，需要時將RAM中存儲的內(nèi)容讀出顯示在LCD，或通過D/A轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號變換成模擬波形顯示在示波管上。數(shù)字存儲示波器框圖如圖l所示。數(shù)字存儲示波器既適用于重復(fù)信號的檢測，也適用于單次瞬態(tài)信號的測量。數(shù)字存儲示波器可以采用實時采樣，每隔一個采樣周期采樣一次，可以觀察非周期信號。</p><p>　　數(shù)字示波器的采樣方式包括實時采樣和等效采樣(非實時采樣)。等效采樣又可以分為隨機采樣和順序采樣，

28、等效采樣方式大多用于測量周期信號。</p><p>　　(1)實時采樣對每個采集周期的采樣點按時間順序進(jìn)行簡單的排列就能表達(dá)一個波形。這種示波器測量的重復(fù)信號和測量的單次信號具有相同的帶寬，也稱實時帶寬(Real-Time Band Wide)。</p><p>　　(2)隨機采樣是指每個采集周期采集一定數(shù)量的點，經(jīng)過多個采集周期的樣點積累。最終恢復(fù)出被測波形。信號與采樣周期時鐘之間是非同

29、步的，使得每個采樣周期的觸發(fā)點與下一個采樣點之間的時間間隔是隨機的。因為信號是周期的，可以將每個采樣周期的采樣等效為對由觸發(fā)點確定的“同一段波形”的采樣，從而恢復(fù)出波形。每個采樣周期觸發(fā)點與下一個采樣點之間的時間由觸發(fā)精密內(nèi)插器測量。恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計內(nèi)插器，能夠大大提高示波器的時間分辨率。</p><p>　　(3)順序采樣方式主要用于數(shù)字取樣示波器中，能以極低的采樣速率獲得極高的帶寬。這種示波器每個采樣周期在波形上只

30、取一個樣點．想采集足夠多的樣點，需要更長的時間。不能進(jìn)行單次捕捉和預(yù)觸發(fā)觀察也是它的缺點。</p><p>　　數(shù)字存儲示波器與傳統(tǒng)的模擬示波器相比具有很多優(yōu)點，主要表現(xiàn)在：</p><p>　　(1)多通道單次信號捕獲：數(shù)字存儲示波器能夠同時在多個通道上捕捉像電源開、關(guān)或故障發(fā)生這樣的單次瞬態(tài)事件。</p><p>　　(2)波形處理：由于數(shù)字存儲示波器內(nèi)部使用微

31、處理器．它能夠在所獲得的波形上完成幅度和時間參數(shù)以及波形運算等功能，加上選件能夠完成更復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，如積分、倒數(shù)、指數(shù)、對數(shù)、平均、數(shù)字濾波、極值、FFT等。</p><p>　　(3)數(shù)據(jù)存儲：數(shù)字存儲示波器可帶有非易失的波形存儲器，它們能夠提供與數(shù)字存儲示波器兼容的存儲卡或硬盤等。示波器也能夠容易地與許多繪圖儀器和打印機相連來進(jìn)行高質(zhì)量的拷貝。</p><p>　　(4)更多的觸發(fā)功

32、能：數(shù)字存儲示波器能夠提供許多模擬示波器所沒有的觸發(fā)能力。如：當(dāng)故障發(fā)生時，它能夠觸發(fā)并且能夠觀察引起故障觸發(fā)前的過程。</p><p>　　(5)自動測試：數(shù)字存儲示波器能夠提供自動測試功能，簡化了使用者的操作，使儀器具有智能化。</p><p>　　1.4數(shù)字存儲示波器的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　從目前情況來看，國外三太公司泰克、安捷倫、力科生產(chǎn)的示波器仍然

33、是市場上的主流。美國泰克公司的示波器一直處于領(lǐng)先地位，被世界公認(rèn)為示波器的權(quán)威。泰克公司推出的示波器具有獨特的保證高信號保真度的獲取結(jié)構(gòu)，能夠利用先進(jìn)的觸發(fā)系統(tǒng)，提供快速瞬態(tài)信號的多通道獲取，顯示和所有測量的有效修正，先進(jìn)的波長處理等能力。力科公司在示波器方面排行第三，它也推出了各種信號的示波器，并具有其獨特的特點：能夠自動測試32種參數(shù)。其示波器的另一個特點是存儲長度長，長存儲提供高的分辨率，LeCory獨有的存儲管理系統(tǒng)，配合其先進(jìn)

34、的峰值檢測電路，使得整個波形在單一屏幕顯示，即可即時找山毛刺及干擾的所在，確保任何掃描速度動作，都能夠保持較高的采樣速率。</p><p>　　目前國內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)字存儲示波器，由于受到高速取樣技術(shù)的限制，大都采用重復(fù)取樣技術(shù)。</p><p>　　數(shù)字存儲示波器新產(chǎn)晶將繼續(xù)向數(shù)字化、智能化、寬帶化、集成化、多功能化、高精度方向發(fā)展。</p><p>　　2 數(shù)字示存儲

35、示波器的工作原理</p><p>　　2.1數(shù)字存儲示波器的基本原理與組成</p><p>　　數(shù)字存儲就是在示波器中以數(shù)字編碼的形式來貯存信號。當(dāng)信號進(jìn)入數(shù)字存儲示波器之后，在信號到達(dá)CRT的偏轉(zhuǎn)電路之前，示波器將按一定的時間間隔對信號電壓進(jìn)行采樣。然后用一個模/數(shù)變換器(ADC)對這些瞬時值或采樣值進(jìn)行變換從而生成代表每一個采樣電壓的二進(jìn)制字。這個過程稱為數(shù)字化。</p>

36、<p>　　獲得的二進(jìn)制數(shù)值貯存在存儲器中。對輸入信號進(jìn)行采樣的速度稱為采樣速率。采樣速率由采樣時鐘控制。對于一般使用情況來說，采樣速率的范圍從每秒20MS/s(20兆次)到200MS/s。</p><p>　　存儲器中貯存的數(shù)據(jù)用來在示波器的屏幕上重建信號波形。所以，在數(shù)字存儲示波器中的輸入信號接頭和示波器CRT之間的電路不只是僅有模擬電路。輸入信號的波形在CRT上獲得顯示之前先要存貯到存儲器中去，

37、在示波器屏幕上看到的波形總是由所采集到數(shù)據(jù)重建的波形，而不是輸入連接端上所加信號的立即的、連接的波形顯示。</p><p>　　本文中的數(shù)字存儲示波器由四個模塊組成，如圖2-1所示，分別是：信號前向調(diào)整模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)輸出模塊和控制模塊。</p><p>　　圖2-1 數(shù)字示波器的組成</p><p>　　信號前向調(diào)整模塊采用高速低噪音模擬開關(guān)(MAX45

38、45)和寬帶運算放大器(MAX817)構(gòu)成可編程運算放大器，對幅度不等的輸入信號分別進(jìn)行不同等級的放大處理。數(shù)據(jù)采集模塊采用可編程器件(EPM7128SLC84-15)控制高速A/D(TLC5510)對不同頻率的輸入信號分別以相應(yīng)的采樣速度予以采樣，并將采樣數(shù)據(jù)存在雙口RAM(IDT7132)中。數(shù)據(jù)輸出模塊采用另一片可編程器件(EPM7128SLC84-15)控制兩片D/A(DAC0800)分別輸出采樣信號和鋸齒波，在示波器上以X－Y

39、的方式顯示波形?？刂颇K以AT89C52單片機為控制核心，協(xié)調(diào)兩片可編程器件的工作，并完成其它的測量，計算及控制功能。</p><p>　　2.2數(shù)字存儲示波器的特點</p><p>　　與傳統(tǒng)的模擬示波器相比, 數(shù)字存儲示波器有其非常突出的特點，其具體表現(xiàn)如下： </p><p>　　(1)信號采樣速率大大提高數(shù)字存儲示波器首先在采樣速率上有較大地提高?？蓮淖畛醪?/p>

40、樣速率等于兩倍帶寬提高至五倍甚至十倍。相應(yīng)對正弦波取樣引入的失真也從10%降低至3%甚至1%。</p><p>　　(2)顯示更新速率更高數(shù)字存儲示波器的顯示更新速率最高可達(dá)每秒40萬個波形，因而在觀察偶發(fā)信號和捕捉毛刺脈沖方面更加方便。</p><p>　　(3)波形的采樣、存儲與顯示可以分離在存儲階段， 數(shù)字示波器可對快速信號采用較高的速率進(jìn)行采樣與存</p><p

41、>　　儲，而對慢速信號則采用較低速率進(jìn)行采樣與存儲；在顯示階段，不同頻率的信號讀出速度可以采用一個固定的速率并可以無閃爍</p><p>　　地觀測極慢信號與單次信號，這是模擬示波器所無能為力的。</p><p>　　(4)存儲時間長，由于數(shù)字存儲示波器是把模擬信號用數(shù)字方式存儲起</p><p>　　來，因此，其存儲時間理論上可以無限長。</p>

42、<p>　　(5)顯示方式靈活多樣為適應(yīng)對不同波形的觀測，數(shù)字存儲示波器有滾動顯示、刷新顯示、存儲顯示、插值顯示等多種顯示方式。</p><p>　　(6)測量結(jié)果準(zhǔn)確LCD上每個光點都對應(yīng)存儲區(qū)內(nèi)確定的數(shù)據(jù)。操作時可用面板上的控制裝置(如游標(biāo))在LCD 上標(biāo)示兩個被測點，以算出兩點間的電壓或電流，再利用計算機的字符顯示功能在LCD上直接顯示測量結(jié)果，從而減少了人為誤差，提高了測量的準(zhǔn)確度。<

43、/p><p>　　(7)觸發(fā)功能先進(jìn)與模擬示波器不同，數(shù)字存儲示波器不僅能顯示觸發(fā)后的信號，而且能顯示觸發(fā)前的信號還可以任意選擇超前和滯后的時間。</p><p>　　(8)便于程控并具有多種方式的輸出由于數(shù)字存儲示波器的主要部分是數(shù)字系統(tǒng)，又由微計算機管理，故可通過接口接受程序控制，也可通過接口用于各種方式的輸出。</p><p>　　2.3數(shù)字存儲示波器的主要參數(shù)&

44、lt;/p><p><b>　　2.3.1 帶寬</b></p><p>　　帶寬作為示波器的三大基本指標(biāo)之一，決定了示波器對信號的基本測量能力。測量交流電信號時，示波器通常有其最大頻率，超過這個頻率時，波形測量精度就會下降， 這一頻率就是示波器的帶寬。通常定義示波器靈敏度下降3dB時的頻率為示波器的帶寬，也就是說示波器的帶寬是以正弦波幅度衰減-3dB點為定義的。和放大器

45、帶寬的定義一樣，是所謂的-3dB點，即，在示波器的輸入加正弦波，幅度衰減為實際幅度的70.7%時的頻率點稱為帶寬。舉例來說，使用lOOMHz帶寬的示波器測量1V，100MHz的正弦波，得到的幅度只有O.707v。</p><p>　　2.3.2 采樣速率</p><p>　　構(gòu)成一個波形的組全部的采樣叫做一個記錄，用一個記錄可以重建一個或多個屏幕的波形，一個示波器可以貯存的采樣點數(shù)稱為記錄

46、長度或采集長度，記錄長度用字節(jié)或千字節(jié)來表示，l千字節(jié)(1KB)等于1024個采樣點。</p><p>　　通常，示波器沿著水平軸顯示512采樣點，為了便于使用，這些采樣點以每格50個采樣點的水平分辨率來進(jìn)行顯示，這就是說水平軸的長為512/50=10.24格。據(jù)此，兩個采樣之間的時間間隔可按下式計算：</p><p>　　采樣間隔=時基設(shè)置(s/格)/采樣點數(shù) (式2-1)<

47、;/p><p>　　若時基設(shè)置為lms/格，且每格有50個采樣，則可以計算出采樣間隔為：</p><p>　　采樣間隔=1ms/50=20us (式2-2)</p><p>　　采樣速率是采樣間隔的倒數(shù)：</p><p>　　采樣速率=1/采樣間隔 (式2-3)</p><p>　　通常示波器可以顯示的采樣

48、點數(shù)是固定的，時基設(shè)置的改變是通過改變采樣速率來實現(xiàn)的，因此一臺特定的示波器所給出的采樣速率只有在某一特定的時時設(shè)置之下才是有效的。在較低的時基設(shè)置之下，示波器使用的采樣速率也比較低。</p><p>　　2.3.3 存儲深度</p><p>　　存儲深度又叫記錄長度或采集長度，是示波器可以存儲的采樣點數(shù)。一臺DSO的記錄時間長度是由采樣速率和存儲深度決定的，三者之問的關(guān)系可以用式(2-4

49、)表示：</p><p>　　記錄時長=存儲深度÷采樣速率 (式2-4)</p><p>　　對于給定的存儲深度，采樣速率越大，可記錄的時間就越短。然而，在實際的測量工作中，用戶在需要一個高采樣速率的同時，還需要較長的記錄時間，這樣才能避免走樣，并且便于觀察信號波形。</p><p>　　要滿足這些要求就需要DSO有足夠大的存儲深度，才可以在高采樣速

50、率的情況下，獲得較長的波形記錄時間。但是，很多DSO或是邏輯分析儀的內(nèi)存都不夠大，僅能存儲幾千個采樣點(有時甚至低至幾百個采樣點)，存儲時間也只有幾個毫秒。</p><p>　　3 數(shù)字示存儲示波器的總體設(shè)計</p><p>　　本文中設(shè)計的數(shù)字存儲示波器由硬件電路和計算機軟件部分組成，系統(tǒng)如圖3-1所示。</p><p>　　被測信號 硬件電路

51、 計算機軟件</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)示意圖</p><p><b>　　3.1系統(tǒng)方案</b></p><p>　　圖3-2是基于PC機的數(shù)字存儲示波器的系統(tǒng)框圖。</p><p>　　該系統(tǒng)采用AT89C52單片機作為控制核心，采用可編程器件（ALTERA公司的EPM7128SLC84-

52、15）來實現(xiàn)對數(shù)字系統(tǒng)的控制。由于可編程器件的工作頻率很高，所以用它控制高速A/D工作是合適的，同時又有著MAXPLUSII這樣強大的軟件予以支持，所以設(shè)計調(diào)試都會變得十分方便。</p><p>　　控制邏輯從總線上監(jiān)控這些數(shù)據(jù)以等待觸發(fā)點的到來。采用這樣的觸發(fā)設(shè)計方法就無需設(shè)計通常所需的觸發(fā)電路，并且可以縮短模擬信號路徑，從而減少噪聲干擾。它的另一個好處在于，用作邏輯分析儀時，還可在觸發(fā)點處停止對數(shù)字信號的采集

53、。</p><p>　　除了觸發(fā)控制之外，控制邏輯中還包含了其他高級模式，比如預(yù)觸發(fā)模式?？刂七壿嬛羞€將產(chǎn)生存儲器控制信號，當(dāng)存儲器被寫滿時，就會停止數(shù)據(jù)采集，并通過并口將數(shù)據(jù)送往PC機。</p><p>　　從圖3-2中可以看出，兩個通道之間完全是相互分離的，那么，它們就可以單獨使用。例如，可以讓通道A用作邏輯分析儀，同時通道B處于模擬輸入方式。如果選擇用兩路模擬輸入，并使得二者的相位相

54、差180度，就可能得到雙倍的等效采樣率。當(dāng)數(shù)據(jù)被送入PC機之后，通過軟件對其進(jìn)行交叉存儲再重建波形。這種情況下，雖然信號采樣率比通常情況高一倍，記錄長度并沒有縮短，因為兩個存儲器都用來存儲同一個波形的數(shù)據(jù)，也就是說存儲深度也增加了一倍，同時記錄長度不會減少。</p><p>　　為了穩(wěn)定實時的顯示波形，必須使采樣數(shù)據(jù)輸出與掃描信號同步，同時掃描速度要快，所以也應(yīng)該用可編程器件來控制波形數(shù)據(jù)的輸出。由于EPM712

55、8SLC84-15的硬件資源不是十分豐富，為了以后功能擴展方便，所以我們選用了兩片該器件分別控制著模擬信號的采樣以及采樣數(shù)據(jù)的輸出，用單片機控制并協(xié)調(diào)它們之間的工作。</p><p>　　圖3-2 基于PC機的數(shù)字存儲示波器的系統(tǒng)框圖</p><p>　　3.2主要器件的選擇</p><p>　　本文要設(shè)計的是一個低成本的價廉物美的數(shù)字示波器，所以我在選擇器件時首

56、先考慮的是在合理的價位上盡量選擇性價比最高的器件。還有是考慮到目前電路設(shè)計的主流為3.3v電壓設(shè)計，為了使DSO系統(tǒng)具有更好的兼容性，在器件選擇上，盡量選用3.3V的低電壓供電器件。</p><p>　　3.2.1 核心控制——AT89C52</p><p>　　數(shù)字存儲示波器是由單片機AT89C52來進(jìn)行控制。AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes

57、的可反復(fù)擦寫的FLASH只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　AT89C52為8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚

58、調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST（9腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40腳）和VSS（20腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0-P3 為可編程通用I/O 腳，其功能

59、用途由軟件定義，在本設(shè)計中，P0 端口（32-39 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。</p><p>　　3.2.2邏輯控制——

60、ALTERA EPM240</p><p>　　控制邏輯是DSO的硬件系統(tǒng)的控制單元，設(shè)計者們通常采用一塊或多塊FPGA或是CPLD來實現(xiàn)。FPGA是現(xiàn)場可編程邏輯陣列(Field Programmable Gate Array)的英文縮寫，是可編程邏輯器件的一種。CPLD是復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device)的英文縮寫，也是一種可編程邏輯器件。FPGA/CPL

61、D通常由許多邏輯單元組成，每個邏輯單元都由一個觸發(fā)器(flip-flop)和一些簡單的組合邏輯構(gòu)成。邏輯塊是由多個邏輯單元就構(gòu)成的，同一個塊內(nèi)部的邏輯單元之間都有可編程的連接關(guān)系。通過對邏輯單元和他們之間的連接關(guān)系進(jìn)行配置，構(gòu)建復(fù)雜的邏輯系統(tǒng)。這個配置的過程，是通過用硬件編程語言(如Verilog HDL，NHDL，AHDL等)的編程設(shè)計來實現(xiàn)的。編程設(shè)計的軟件平臺有很多，比如ALTERA公司的Quartus II軟件，XILINX公司

62、的ISE Foundation等。</p><p>　　了解了一些FPGA/CPLD的相關(guān)知識之后，結(jié)合本次課題設(shè)計的需要，決定選擇ALTERA公司的EPM240T100C5器件，它是MAXU系列的成員之一。它是ALTERA推出的MAX II器件系列，是迄今成本最低的CPLD。MAX II器件采用了全新的CPLD體系結(jié)構(gòu)，在所有CPLD系列中單位I/O成本最低，功耗最低。它有240個邏輯單元，是TQFP封裝，有1

63、00個引腳，其中80個是用戶可配置的I/O引腳。器件型號中的C5表示速度等級，同類型的產(chǎn)品有3個速度等級，分別是C3，C4，C5，其中C3的速度最快。(由于購買時供應(yīng)商只能提供帶C5后綴的器件，所以我們沒有選擇速度最快的EPlVl240T100C3。)整個芯片的核心電壓是1.8V低電壓設(shè)計，外部供電電壓是3.3V。</p><p>　　EPM240是基于EEPROM技術(shù)的一款CPLD，只需使用Byteblaste

64、rII下載電纜和Quartus II軟件配置即可實現(xiàn)對其在線編程。對比基于SRAM技術(shù)的FPGA/CPLD而言，EPM240的在線配置大大簡化了設(shè)計過程，因為基于SRAM技術(shù)的器件在系統(tǒng)加電時都需要進(jìn)行配置下載，這樣，它們的在線編程通常是通過單片機配置的方法來實現(xiàn)，而采用單片機配置就需要增加許多額外的外圍電路，并且在配置FPGA或CPLD之前，還需要進(jìn)行單片機調(diào)試工作，這無疑給系統(tǒng)設(shè)計增加了不必要的麻煩。所以我們選用了基于EEPROM技

65、術(shù)的EPM240。</p><p>　　3.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器——AD9238</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器（也就是ADC）是具有對模擬信號波形進(jìn)行采樣并產(chǎn)生數(shù)字化輸出的功能器件。作為示波器的核心模塊之一，A/D轉(zhuǎn)換器的性能直接決定著示波器的帶寬，而帶寬作為示波器的三大基本指標(biāo)之一，決定了示波器對信號的基本測量能力。</p><p>　　基本工作原理：ADC首

66、先對輸入波形進(jìn)行采樣，再將采樣點處的信號電平轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字表示。轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)字的位數(shù)就是ADC的分辨率。分辨率越高，能表示的電平級數(shù)就越多，它們之間的關(guān)系可以用式3-1表示：</p><p>　　電平級數(shù)N=2^分辨率 （式3-1）</p><p>　　轉(zhuǎn)換的方法之一就是逐位逼近。逐位逼近的數(shù)字化過程是用一系列的基準(zhǔn)電壓與被轉(zhuǎn)換電壓相比較，由高位至低位逐位確定各位數(shù)碼是1還是0。

67、</p><p>　　以上對ADC的基本原理進(jìn)行了粗略的介紹，對它有了一定的了解之后，可以開始為此次的DSO設(shè)計選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器。本文中DSO系統(tǒng)采用8位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)換，那么選擇DSO的條件之一是：分辨率為8位，最高采樣率約為40MHz?？紤]到ADC作為硬件系統(tǒng)的一個模塊時，其性能不可能達(dá)到其最大規(guī)格，那么選擇ADC的條件之二是：采樣率約為60MHz。綜合以上的條件，選擇了ANALOG公司的AD9

68、283。</p><p>　　AD9283的模擬信號輸入可以是差分輸入或者單端輸入。信號經(jīng)緩沖送入片上的“sample-and-hold”電路。ADC的核心體系結(jié)構(gòu)采用了一種帶轉(zhuǎn)換電容技術(shù)的逐位轉(zhuǎn)換器。輸出模塊把數(shù)據(jù)組成一排，經(jīng)糾錯之后送給8個輸出緩沖器。AD9283內(nèi)部帶有參考電壓(1.25V)，由外部的ENCODE輸入提供時鐘信號。其數(shù)據(jù)輸出可以兼容TTL和CMOS電平。輸出緩沖由單獨的電源供電，以便控制數(shù)據(jù)

69、輸出電平為2.5V或3.3V邏輯。AD9283的PWRDWN輸入為高時，輸出都將呈現(xiàn)高阻態(tài)；PWRDWN為低時，輸出緩沖才能將信號送出。</p><p>　　3.2.4 存儲器——AL422B</p><p>　　本文設(shè)計的數(shù)字存儲示波器對存儲器的要求：8位的數(shù)據(jù)總線寬，384Kx8bits的存儲容量，每秒40M字節(jié)的數(shù)據(jù)傳送率，讀、寫端口分開(雙端口)。雖然選用讀、寫端口分開的存儲器并不

70、是一定需要的，但是選擇雙端口的存儲器將大大簡化系統(tǒng)的設(shè)計。經(jīng)過對一些存儲器的比較和分析，我們選擇了AVERLOGIC公司的AL422B作為此DSO的存儲器模塊。因為在現(xiàn)有的FIFO存儲器中，它具有很高的存儲位/價格之比。這是一種專用于視頻緩沖的幀緩沖器，由于具有這樣的應(yīng)用背景，它有相對較大的存儲容量(每片AL422B的存儲容量為384K*8bits)，快速的數(shù)據(jù)傳輸率，和分開的讀寫端口。另外，這樣的幀緩沖器通常集成了基本的存儲器控制邏輯

71、，可以方便和簡化整個電路設(shè)計。</p><p>　　AL422B是基于DRAM技術(shù)的存儲器。DRAM往往需要特殊的控制，并且數(shù)據(jù)傳輸率相對較低。但是AL422B采用高集成度設(shè)計，避免了這些缺點。對很多幀緩沖器來說，外部數(shù)據(jù)總線雖然是8位，但其內(nèi)部的確使用了很寬的數(shù)據(jù)總線，這樣就可以通過數(shù)據(jù)并行提高數(shù)據(jù)傳送速率。高速邏輯可以將內(nèi)部總線分成8個位段，再送給輸出數(shù)據(jù)總線。另外，AL422B中還集成了DRAM控制器和地址

72、產(chǎn)生邏輯。數(shù)據(jù)被寫入時，其寫入地址是由寫指針來確定的。寫指針的值會隨著數(shù)據(jù)的寫入而遞增，或者在開始寫入時被清零。但是，寫指針不能被任意賦值，所以，所有的寫操作都必須是順序?qū)懭搿L422B內(nèi)部就像一個循環(huán)緩沖區(qū)，因為當(dāng)寫指針到達(dá)存儲器的尾地址時，它將自動回到地址零所在，并覆蓋已存在的數(shù)據(jù)。類似的，讀操作也是使用這樣的讀指針。所以，幀緩沖器也叫做先進(jìn)先出緩沖器(First In First Out Buffers，F(xiàn)IFO’s)。<

73、/p><p>　　AL422B有3個寫操作控制引腳，分別是WCLK，/WE和/WRST。寫使能(/WE)為低時，在寫時鐘(WCLK)的上升沿，數(shù)據(jù)被送入存儲器。寫使能(/WE)為高時，寫指針不遞增，數(shù)據(jù)不能被寫入存儲器。若寫重置(/WRST)被拉低，在寫時鐘脈沖到來時，寫指針被清零。</p><p>　　讀操作有4個控制引腳RCL、/RE、/RRST和/OE。讀使能(/RE)為低時，每當(dāng)讀時鐘

74、(RCLK)的上升沿到來，讀指針就遞增1。讀使能(/RE)為高時，讀指針停止遞增，新的數(shù)據(jù)不再被送往輸出端。若讀重置(/RRST)被拉低，在讀時鐘脈沖到來時，讀指針被清零。輸出使能(/OE)為高時，數(shù)據(jù)輸出端引腳都呈高阻態(tài)。/OE是在RCLK的上升沿被采集的。</p><p>　　AL422B雖然在內(nèi)部集成了控制邏輯，但DRAM的刷新是根據(jù)RCLK或者WCLK中較快的那個時鐘脈沖進(jìn)行的。因此，為了保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性，

75、需要RCLK和WCLK中至少有一個大于1MHz。</p><p>　　3.3 DSO與PC機接口</p><p>　　DSO與PC機之間的接口方案有多種，例如串口、并口、PCI、ISA、USB接口等。串口的數(shù)據(jù)傳送率不及并口。PCI和ISA插槽都在PC機機箱內(nèi)部，無法熱拔插，不易安裝。USB接口雖然有很高的數(shù)據(jù)交換速度，但它的控制協(xié)議相對并口而言要復(fù)雜得多。為了要將大部分的精力都集中在整個

76、系統(tǒng)的設(shè)計上，本文選擇了相對簡單的并口作為DSO與PC機之間的接口。</p><p>　　計算機的并口針腳(母頭)有25針，其引腳定義如表3-1所示：</p><p>　　表3-1 25針并行口插口的針腳功能</p><p>　　1、計算機并口寄存器</p><p>　　并行接口中有3個可訪問的寄存器：數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端口。它們的偏移

77、地址分別為：00h、01h和02h，基地址由FDC37C935的配置寄存器選定，ISA兼容的I/O地址為：378h(278h)、379h(279h)、37Ah(27Ah)。</p><p><b>　　2、數(shù)據(jù)端口寄存器</b></p><p>　　CPU通過這個寄存器與外部設(shè)各傳送并行數(shù)據(jù)。寄存器數(shù)據(jù)在系統(tǒng)初始化過程中被清除。當(dāng)CPU對該寄存器進(jìn)行寫訪問時，該寄存器

78、在IOW#信號的上升沿處鎖存CPU的寫數(shù)據(jù)，然后把鎖存的寫數(shù)據(jù)輸出到D[O：7]數(shù)據(jù)線上。當(dāng)CPU對該寄存器進(jìn)行讀訪問時，D[O：7]數(shù)據(jù)線上的內(nèi)容經(jīng)并行接口緩沖(不被鎖存)后送入CPU。</p><p><b>　　3、狀態(tài)端口寄存器</b></p><p>　　CPU通過這個只讀寄存器輸入外部設(shè)備的狀態(tài)信息，當(dāng)CPU對該寄存器進(jìn)行讀訪問時，各對應(yīng)狀態(tài)信號線上的現(xiàn)行

79、狀態(tài)信息鎖存于這個寄存器中并送至CPU。狀態(tài)寄存器各位如表3-2所示。</p><p>　　表3-2 狀態(tài)端口寄存器</p><p>　　位7鎖存的是Busy輸入引腳電平的反碼，該位為0表示打印機為忙狀態(tài)不能接受新的字符數(shù)據(jù)；該位為1表示打印機已準(zhǔn)備好接受下一字符數(shù)據(jù)。</p><p>　　位6鎖存的是ACK#輸入引腳的狀態(tài)，該位為0意思是打印機已經(jīng)收到個字符數(shù)據(jù)

80、并且可以接受下一個數(shù)據(jù)了：該位為1意思是打印機還正在處理上一個字符數(shù)據(jù)或尚未收到數(shù)據(jù)。</p><p>　　位5鎖存的是PE輸入引腳的狀態(tài)，該位為1表示打印紙已用完；為0表示還有打印紙。</p><p>　　位4鎖存的是SLCT輸入引腳的狀態(tài)，該位為l表示打印機已經(jīng)聯(lián)機；為0表示打印機未被主機選擇。</p><p>　　位3鎖存的是ERROR#輸入引腳的狀態(tài)，該位為

81、l表示一個打印機錯誤已被檢測到；為0表示沒有檢測到錯誤。</p><p><b>　　4、控制端口寄存器</b></p><p>　　并行接口對打印機輸出的各控制信號是通過CPU寫該寄存器來形成的，即由軟件實現(xiàn)控制。當(dāng)CPU對該寄存器進(jìn)行I/O寫訪問時，該寄存器在Low#信號的上升沿處鎖存CPU的寫數(shù)據(jù)，然后把鎖存的寫數(shù)據(jù)輸出到打印機的控制信號線上。該寄存器亦可讀，故

82、可作為輸入外部設(shè)備命令信號的端口。并行接口的系統(tǒng)復(fù)位輸入信號清除該寄存。</p><p>　　控制寄存器的各位如表3-3所示：</p><p>　　表3-3 控制端口寄存器</p><p>　　位0寫入的邏輯值經(jīng)取反后輸出到STROBE#信號線上，向該位寫l，使STRORE#信號為低電平，它是D[O：7]的選通信號，把D[O：7]上的數(shù)據(jù)輸入外部設(shè)備里的數(shù)據(jù)輸入寄

83、存器：向該位寫0，則取消STROBE#信號。</p><p>　　位1寫入的邏輯值經(jīng)取反后輸出到AUTOFD#信號線上，向該位寫1，使AUTOFD#信號線維持低電平，使打印機每打印一行自動走紙一行；向該位寫0，取消自動走紙。</p><p>　　位2寫入的邏輯值不取反送到INIT#信號線上，INIT#是打印機要求的初始化信號，打印機收到這個信號后清除打印緩沖區(qū)，把內(nèi)部電路置為初態(tài)。向該位&

84、lt;/p><p>　　寫0，產(chǎn)生INIT#信號；寫1，取消INIT#。</p><p>　　位3寫入的邏輯值經(jīng)取反后輸出到SLCTIN#信號線上，向該位寫l，使SLCTIN#信號線維持低電平，表示主系統(tǒng)選中打印機，允許打印機工作；向該位寫0，表示不選中打印機。</p><p>　　位4是中斷請求使能位，用于并行接口內(nèi)部。并行接口的中斷請求信號是由</p>

85、<p>　　ACIO輸入信號經(jīng)接口里的非門反相后形成的，即由ACK#的前沿提出中斷請求。該中斷請求能否向系統(tǒng)提出由本位控制，本位置為I，便能并行接口的中斷請求信號。在ISA兼容的系統(tǒng)中，并行接口送往主系統(tǒng)的中斷請求設(shè)置為IRQ7；當(dāng)本位編程為0時，中斷請求被禁止。</p><p>　　位5是PCD位(Parallel Control Direction)，用于并行接口的內(nèi)部，是并行接口方向控制位．在打

86、印機方式里，此位無效，因為在打印機方式下不管此位設(shè)置為何值方向總是輸出的。在雙向方式里，本位為0，端口處于輸出模式；寫入為1，表示端口處于輸入模式。</p><p>　　5、并行接口信號的時序</p><p>　　在并行接口信號中，有時序關(guān)系的信號為D[O：7]，STROBE#、BUSY和ACK#，其余為靜態(tài)的控制或狀態(tài)信號。從以上的敘述可知，并行接口中除了中斷請求信號直接由硬件實現(xiàn)以外，

87、輸入／輸出數(shù)據(jù)、發(fā)出選通、檢測狀態(tài)都由程序?qū)崿F(xiàn)，可根據(jù)所連接的外部設(shè)備的實際需要設(shè)計時序。</p><p>　　4 數(shù)字存儲示波器的硬件設(shè)計</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計采用單片機+CPLD結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)靈活，有較強的適用性，適合模塊化設(shè)計；同時其開發(fā)周期較短，系統(tǒng)易于維護(hù)和擴展，適用于實時信號的處理。本章主要討論了其硬件電路的設(shè)計。</p><p&g

88、t;　　4.1信號前向調(diào)整模塊的設(shè)計</p><p>　　采用高速低噪聲模擬開關(guān)MAX4545選擇不同的反饋電阻和模擬運算放大器MAX817構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的反相運算放大器來實現(xiàn)。MAX817的單位增益3DB截止頻率為50MHZ，可保證對頻率小于50KHZ的信號進(jìn)行100倍放大。將MAX4545的四根控制線接在最小系統(tǒng)的擴展接口上，即8255的PA0-PA3，控制信號與放大倍數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如下表4-1所示，高速數(shù)據(jù)采集電路

89、如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 高速數(shù)據(jù)采集電路</p><p>　　表4-1 控制信號與放大倍數(shù)的對應(yīng)關(guān)系</p><p>　　4.2高速數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計</p><p>　　根據(jù)題目要求垂直分辨率為32級/div,示波器上共8格，即要分為256級，因此可選用8位A/D。又由于水平分辨率為20點/div,所以對應(yīng)于三檔

90、掃描速度0.2s/div,0.2ms/div,20us/div的采樣速度應(yīng)分別是100HZ，100KHZ和1MHZ。分析如下：</p><p>　　圖4-2 高速數(shù)據(jù)采集電路</p><p>　　設(shè)掃描速度為Xs/div,要求水平分辨率為20點/div,所以每點的取樣時間間隔為X/20s,即取樣信號的頻率為20/X HZ。因此，當(dāng)要求三檔掃描速度分別為0.2s/div，0.2ms/div

91、，20us/div時，相應(yīng)的三檔采樣頻率應(yīng)分別是100HZ，100KHZ，1MHZ。但是，從100HZ到100KHZ的跨度太大,不利于中間頻段信號的顯示，因此我們又多加了1KHZ和10KHZ兩檔掃描速度。由于最高采樣速率達(dá)到１MPS，所以普通的A/D難以滿足要求，因此我們選用了TI公司的8位COMS ADC TLC5510。該芯片用單5V供電，轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)到20MPS，內(nèi)部帶有采樣保持電路和基準(zhǔn)電阻。該芯片的最大優(yōu)點就是速度快，控制

92、簡單，適用于可編程器件控制。設(shè)計的高速數(shù)據(jù)采集電路如圖4-2所示，該電路除了對輸入信號進(jìn)行5倍衰減外，還在輸入信號上迭加1.5V的直流。</p><p>　　4.3波形顯示電路的設(shè)計</p><p>　　波形顯示方式有X－Y方式及外部觸發(fā)方式。但是為了在示波器上顯示字符就必須選用X－Y方式。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)輸出速率的分析</b>

93、;</p><p>　　由于數(shù)據(jù)采集的最高速度為1MHZ，因此數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)的掃描速率應(yīng)大于1MHZ，才能實時的顯示數(shù)據(jù)更新的過程。根據(jù)實驗比較，我們選定輸出頻率為2MHZ。在該輸出頻率下，系統(tǒng)的實時性較好，而且波形穩(wěn)定，不失真。我們選用的DA是DAC0800，它的輸出電流建立時間為100ns,即10MHZ，滿足數(shù)據(jù)輸出的速度要求。D/A電路如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3

94、D/A電路</p><p>　　輸出數(shù)據(jù)的地址由地址累加器得到，我們在地址累加器的后級加入了一級數(shù)據(jù)選擇器，通過掃描信號的進(jìn)位脈沖切換數(shù)據(jù)通道，即可實現(xiàn)鎖存后或單次觸發(fā)后顯示波形的水平移動。局部電路圖如下圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 波形顯示局部電路</p><p><b>　　2、鋸齒波形成電路</b></p>

95、<p>　　根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)，在可編程器件EPM7128SLC84-15的內(nèi)部搭建的計數(shù)電路很容易產(chǎn)生毛刺，使輸出鋸齒波不穩(wěn)定，因而我們選用硬件電路計數(shù)產(chǎn)生鋸齒波。鋸齒波的時鐘由數(shù)據(jù)輸出電路提供，以保證掃描信號與數(shù)據(jù)信號同步。將鋸齒波計滿后輸出的進(jìn)位脈沖經(jīng)過一定的延時放大后，送給模擬示波器的Ｚ軸，以消隱</p><p>　　回掃線。鋸齒波產(chǎn)生電路如下圖4-5所示。</p><p>

96、　　圖4-5 鋸齒波產(chǎn)生電路</p><p>　　4.4觸發(fā)電路的設(shè)計</p><p>　　圖4-6 觸發(fā)電路</p><p>　　觸發(fā)電平由單片機通過D/A(MAX508)輸出，通過比較器與輸入信號相比較，從而得到觸發(fā)信號。該觸發(fā)信號使單片機產(chǎn)生中斷，經(jīng)單片機處理后啟動EPM 7128開始采集。</p><p>　　這里選用的比較電路是

97、由高增益，低噪聲，低漂移運放OP37開環(huán)構(gòu)成的。其輸出用兩個二極管限幅，以得到標(biāo)準(zhǔn)的TTL信號，電路見上圖4-6。</p><p>　　4.5雙蹤示波電路的設(shè)計</p><p>　　理論上嚴(yán)格的雙蹤示波器應(yīng)對兩路信號同時采樣，那麼就需要兩個高速A/D，及其前端電路。但是普通模擬示波器分辨率一般不高，因而就沒有任何意義去要求兩路信號嚴(yán)格的同時。因此我們采用一路采集電路對兩路輸入信號交替采樣，

98、將采集數(shù)據(jù)分別存儲于原存儲器的奇偶地址內(nèi)，再分別示波，同樣可以以較高的精度作到雙蹤示波，并且使系統(tǒng)的性價比提高。開關(guān)切換電路如下圖4-7所示。</p><p>　　圖4-7 開關(guān)切換電路</p><p>　　4.6最小系統(tǒng)電路的設(shè)計</p><p>　　本系統(tǒng)以AT89C52為核心。鍵盤由20個按鍵組成，對其掃描由MM74C923完成。系統(tǒng)的顯示器用的是DCM-1

99、62A，它是字符型LCD，共有兩行十六列，每個字符位由8行5列組成，由于其分辨率不高，難以進(jìn)行漢字顯示，因此我們采用全英文界面。此外該系統(tǒng)還帶有32K的RAM（62256）和一片82C55作為端口擴展備用。系統(tǒng)的電源部分為+5V，+12V及-12V三種供電方式。</p><p>　　4.7字符顯示模塊的設(shè)計</p><p>　　在X軸輸入水平掃描信號，在Y軸輸入掃描信號，在Z軸輸入亮度信號

100、即可在示波器上形成字符。其中，場掃描信號由EPM 7128內(nèi)部計數(shù)產(chǎn)生。Z軸的數(shù)據(jù)存在外部ROM中。</p><p>　　5 數(shù)字存儲示波器的軟件設(shè)計</p><p>　　5.1 DSO控制軟件總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　系統(tǒng)軟件的總體流程如圖5-1所示。由于液晶的使用，加上軟件的設(shè)計，使得系統(tǒng)提供了良好的人機界面。軟件主要由多層滾動式菜單組成，功能的設(shè)定都在菜單

101、中完成，各個功能模塊相互獨立，具有很好的交互性。按鍵主要由數(shù)字鍵、確定鍵、取消鍵、四個方向鍵以及四個功能鍵組成，并且按鍵具有重復(fù)按鍵的功能，當(dāng)按下某一鍵不放時，將重復(fù)響應(yīng)此鍵，操作很方便。</p><p>　　圖5-1 系統(tǒng)軟件的總體流程圖</p><p>　　程序從主程序(main.c)開始執(zhí)行，它會調(diào)用到圖形用戶界面顯示程(gui.c)中的全局函數(shù)用來在屏幕上顯示出窗口，而圖形用戶界

102、面顯示程序中又將調(diào)用繪圖程序(plot.c)的函數(shù)來繪制DSO所采集到的數(shù)據(jù)波形。在此過程中，并口I/O程序(p_port_io.c)和控制DSO的程序(dso_io.c)將用戶在對話窗中選擇和設(shè)置的信息經(jīng)并口傳給DSO，轉(zhuǎn)化為DSO的控制信號，使它能夠按照用戶的要求來工作。文件的控制程序(file_io.c)則會對數(shù)據(jù)文件的讀取、保存和輸出進(jìn)行管理。另外，數(shù)學(xué)處理程序(numeric.c)對軟件顯示DSO采集的信號做一些數(shù)學(xué)處理；而在

103、整個軟件運行過程中發(fā)生的任何錯誤，則都會調(diào)用錯誤處理程序(error.c)報錯并進(jìn)行相應(yīng)地處理。</p><p>　　程序中包含了一個全局的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)scope_data_struct，它含有以下信息：</p><p>　　pre trigger：預(yù)觸發(fā)值</p><p>　　trig_value：觸發(fā)電平值</p><p>　　trig_se

104、l：觸發(fā)源選擇，其值分別表示</p><p><b>　　0：外觸發(fā)</b></p><p>　　1：通道A，通道A＆通道B，通道A or 通道B</p><p><b>　　2：通道B</b></p><p><b>　　3：無</b></p><p>

105、;　　trig_falling：觸發(fā)值比較</p><p>　　O：信號值大于設(shè)定的觸發(fā)值</p><p>　　l：信號值小于設(shè)定的觸發(fā)值</p><p>　　clock_div：DSO的時鐘信號頻率選擇</p><p>　　scope_mode：DSO通道模式，其值分別表示</p><p><b>　　0：

106、雙模擬通道模式</b></p><p><b>　　l：單模擬通道模式</b></p><p>　　2：16位邏輯分析儀模式</p><p>　　3：混合模式(通道A為邏輯通道，通道B為模擬通道)</p><p>　　data(聯(lián)合)：數(shù)據(jù)</p><p>　　dual channel

107、 struct(結(jié)構(gòu))：雙通道模式的數(shù)據(jù)</p><p>　　a[FIFO SIZE]：通道A的數(shù)據(jù)</p><p>　　b[FIFO SIZE]：通道B的數(shù)據(jù)</p><p>　　logic[FIFO_SIZE]：16位邏輯分析儀模式時的數(shù)據(jù)</p><p>　　single_channel[FIFO_SIZE*2]：單通道模式的數(shù)據(jù)<

108、;/p><p>　　因為DSO采集到的有關(guān)的信號信息以及用戶設(shè)置的數(shù)據(jù)信息都存放在這個全局結(jié)構(gòu)中，所以對這個結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作，便能實現(xiàn)相關(guān)信息的處理。</p><p>　　5.2 DSO控制軟件組成</p><p>　　DSO的PC控制軟件由八個源程序構(gòu)成，下面主要介紹主程序和圖形用戶界面顯示程序。</p><p>　　5.2.1 主程序(main.

109、c)</p><p>　　這個程序包括了一個主函數(shù)WinMain()，WinMain()函數(shù)將作為一個初始的入口函數(shù)被系統(tǒng)調(diào)用開始整個程序的執(zhí)行，主要用來完成一些初始化工作，并維護(hù)一個消息循環(huán)。主函數(shù)第一個任務(wù)是建立一個全局變量hInstance，它是當(dāng)前應(yīng)用程序的一個實例句柄。下一步是初始化數(shù)據(jù)存儲區(qū)域和各個參數(shù)變量。完成這些工作以后，調(diào)用圖形用戶界面顯示程序Cui.c中的全局函數(shù)Show_Gui()，用來在屏