基于单片机的简易数字示波器的设计.docx
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基于单片机的简易数字示波器的设计
华北理工大学轻工学院
QingGongCollegeNorthChinaUniversityofScienceandTechnology
毕业设计说明书
设计题目:
基于单片机的简易数字示波器的设计
学生姓名:
学号:
专业班级:
测控技术与仪器
学部:
信息科学部
指导教师:
2015年5月30日
摘要
数字存储示波器就是依据数字集成电路技术的发展而出现的智能化示波器,现在已经成为电子测量领域的基础测量仪器。
数字存储示波器的技术基础就是数据采集,该技术已经广泛应用于数据采集产品中,对相关仪器的研发与创新具有深远意义。
随着技术与元器件的发展与创新,数字存储示波器正在向宽带化、模块化、多功能与网络化的方向发展。
数字存储示波器可以实现高带宽与强大的分析能力。
高端的数字存储示波器实时带宽已经可以达到20GHz,可以广泛的应用各种千兆以太网、光通讯等测试领域。
而中低端的数字存储示波器已经可以广泛应用于各个领域的通用测试,也可以广泛应用于高校及职业院校的教学。
但就是现在国内外数字存储示波器在几千到几十万不等,普遍价格偏高,不适用于简单用途的使用与测量。
所以这里介绍了数字存储示波器的原理与基本概念并设计了一个简易的基于单片机的数字存储示波器,简化制作成成本,并能实现其基本功能与主要技术指标。
关键词数据采集、单片机
Abstract
DigitalstorageoscilloscopeisbasedonthedevelopmentofDigitalICtechnologyandintelligentoscilloscope,nowelectronicmeasurementfieldofbasicmeasurementinstrument、Thetechnologyofdigitalstorageoscilloscopeisthedataacquisition,whichhasbeenwidelyusedindataacquisitionproducts,andithasfar-reachingsignificanceforthedevelopmentandinnovationoftherelatedinstruments、、
Withthedevelopmentandinnovationoftechnologyandcomponents,digitalstorageoscilloscopeisdevelopingtobroadband,modular,multi-functionandnetwork、、Digitalstorageoscilloscopecanachievehighbandwidthandstronganalyticalskills、Highenddigitalstorageoscilloscopereal-timebandwidthhasbeenreached20GHz,canbewidelyusedinvariousGigabitEthernet,opticalcommunicationsandothertestareas、Andthelow-enddigitalstorageoscilloscopehasbeenwidelyusedinvariousfieldsofuniversaltesting,canalsobewidelyusedinCollegesanduniversitiesandvocationalcollegesteaching、
Butnowthedigitalstorageoscilloscopeathomeandabroad,rangingfromthousandstohundredsofthousands,thegeneralpriceishigh,notforsimplepurposesandmeasurement、SoherethebasicconceptsandprinciplesofdigitalstorageoscilloscopeanddesignasimpledigitalstorageoscilloscopebasedonMCU,simplifytheproductioncostandrealizethebasicfunctionsandmaintechnicalindicators、
Keywords:
dataacquisitionmicrocontroller
第1章绪论
1、1选题的背景意义与研究现状
1、1、1选题的背景意义
据IEEE的文献记载1972年英国Nicolet公司发明了世界第一台数字存储示波器,到1996年惠普科技发明了世界第一台混合信号示波器。
数字示波器自从上个世纪七十年代诞生以来。
应用已经越来越广泛,已成为测试工程师的必备工具。
21世纪就是一个技术与科学都在飞速发展的时代,随着自动化技术、通信技术、电子技术、计算机技术的高速发展,电子测量技术也获得了巨大的发展。
数字示波器就就是存储波形以及对多种信号的计算、分析、处理等优异的性能逐步取代模拟示波器。
数字示波器可以对信号进行一次性的采集,将波形存储起来,还可以通过操作波形的位移来观察波形的任何一个部分。
在测量领域示波器就是最常用的电子仪器之一,但就是传统的示波器都存在一定的缺点。
模拟示波器无法存储波形与监视实时信号,而示波器虽然拥有这些功能,但就是却价格昂贵,而且都存在体积过于笨重、操作过于繁琐、不方便携带、耗电量大与不便于现场测试等缺点,给实际应用带来了相当多的不便。
为了将书本上的专业知识运用到实际当中,而且了解到作为电子仪器将来有非常广阔、巨大的发展空间,所以我选择了数字存储示波器这个毕业设计题目。
1、1、2国内外研究现状
从示波器发明至今,微处理技术与数字集成电路得到了迅速发展,示波器也已经开始融合这些技术了来使用各种需要。
经过几十年的发展,示波器由电子管发展到晶体管,又发展到集成电路;由模拟电路发展到数字电路;由通用示波器发展到取样、数字、逻辑、记忆、存储、智能化示波器等十大系列、几百样品种。
美国Tektronix公司建立于1947年,已经有了9大系列,100多种产品,产品遍及全球,已经就是就是世界公认的示波器权威。
目前主要的生产厂家就是美国的安捷伦公司、泰克公司、力科公司、台湾的固纬公司、国内的中国电子科技集团第41研究所与北京普源精电公司等。
自1951年以来,我国在示波器生产研发方面也取得了非常大的进展,现在已经可以生产宽带、记忆、高灵敏度、逻辑、数字存储等各类示波器,而且一些种类示波器的主要技术指标已经达到国际先进水平。
在20世纪30年代就是电子示波器时代,1985年示波器宽带达到了100MHz。
20世纪50年代就是晶体管示波器阶段,由于采用了晶体管元件,示波器宽带突破了100MHz达到了150MHz,在1969年又达到了300MHz。
20世纪70年代就是集成化示波器阶段,集成电路技术实现了示波器的小型化与高性能、高准确性。
1971年问世的微处理器,让示波器的宽带达到了500MHz,1979年达到了1GHz的高峰。
1972年第一台数字示波器问世,它对示波器的发展产生了巨大的影响。
1973年同时出现了逻辑定时分析仪与逻辑状态分析仪标志着示波器测量已经跨入了数领域。
1974年发表的带微处理器的示波器,预示着示波器的发展进入了一个崭新的阶段。
80年代以来,示波器正朝着智能化、数字化飞速发展,示波器的技术日新月异,新的产品层出不穷。
1、2设计的任务与要求
1、2、1设计的主要任务
数字存储示波器就是利用模/数转换器（A/D）把被测模拟信号转换成数字信号,然后存入随机存储器（RAM）中,需要显示的时候将RAM中的内容调出,通过相应的数/模转换器（D/A）在恢复为模拟信号显示在示波器屏幕上,便于人们记录、观察波形,而且可以将获得的信息进一步的处理、分析。
所以要求设计能对被测信号进行采集、存储与显示,扫描频率可调,波形无明显失真,设计硬件控制电路,画出硬件设计原理图,编写相应的控制软件,并进行对信号的实际测试与调试。
1、2、2设计的基本要求
设计的需求就是利用单片机进行控制,基于51单片机与液晶显示的示波器。
适合-5V—5V信号的采集,频率测量0—10000Hz,频率误差小于0、1%,宽带可达到0—10KHz,电压测量范围0V—5V,精度为0、1V,液晶显示使用LCD12864,触发电平（+/-）,耦合方式有交流耦合与直流耦合,可以识别正弦波、三角波、方波。
第2章数字存储示波器的基本原理
2、1数字示波器的基本原理
2、1、1数字存储示波器的组成原理
数字示波器就是数据采集,A/D转换,软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。
数字示波器一般支持多级菜单,能提供给用户多种选择,多种分析功能。
还有一些示波器可以提供存储,实现对波形的保存与处理。
目前高端数字示波器主要依靠美国技术,对于300MHz带宽之内的示波器,目前国内品牌做的示波器在性能上已经可以与国外品牌抗衡,且具有明显的性价比优势。
数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点,其使用日益普及。
由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异,如果使用不当,会产生较大的测量误差,从而影响测试任务。
带宽就是示波器最重要的指标之一。
模拟示波器的带宽就是一个固定的值,而数字示波器的带宽有模拟带宽与数字实时带宽两种。
数字示波器对重复信号采用顺序采样或随机采样技术所能达到的最高带宽为示波器的数字实时带宽,数字实时带宽与最高数字化频率与波形重建技术因子K相关（数字实时带宽=最高数字化速率/K）,一般并不作为一项指标直接给出。
从两种带宽的定义可以瞧出,模拟带宽只适合重复周期信号的测量,而数字实时带宽则同时适合重复信号与单次信号的测量。
厂家声称示波器的带宽能达到多少兆,实际上指的就是模拟带宽,数字实时带宽就是要低于这个值的。
例如说TEK公司的TES520B的带宽为500MHz,实际上就是指其模拟带宽为500MHz,而最高数字实时带宽只能达到400MHz远低于模拟带宽。
所以在测量单次信号时,一定要参考数字示波器的数字实时带宽,否则会给测量带来意想不到的误差。
2、2数字存储示波器的工作方式
2、2、1数字存储示波器的功能
数字存储示波器的随机存储器RAM按功能可分为信号数据存储器,参考波形存储器,测量数据存储器与显示缓冲存储器四种。
信号数据存储器存放模拟信号取样数据;参考波形存储器存放参考波形的数据,它采用电池供电,或采用非易失性存储器,故可以长期保存数据;测量数据存储器存放测量量与计算的中间数据与计算的结果,与一般微机化仪器的随机存储器作用基本相同;显示缓冲存储器存放现时代波形,荧光屏上显示的信息均有显示缓冲存储器提供。
2、2、2触发工作方式
数字存储示波器的触发方式包括常态触发与预置触发两种方式
常态触发:
常态触发就是在存储工作方式下自动形成的,同模拟示波器基本一样,可通过面板设置触发电平的幅度与极性,触发点可处于复现波形的任何位置及存储波形的末端,触发点位置通常用加亮的亮点来表示。
预置触发:
预置触发即延迟触发,就是人为设置触发点在复现波形上的位置,它就是在进行预置之后通过微处理器的控制与计算功能来实现的。
由于触发点位置的不同,可以观测到触发点前后不同区段上的波形,这就是因为数字存储示波器的触发点只就是一个存储的参考点,而不一定就是取样,存储的第一点。
预置触发对显示数据的选择带来了很大的灵活性。
2、2、3测量与计算工作方式
数字存储示波器对波形参数的测量分为自动测量与手动测量两种。
一般参数的测量为自动测量,及示波器自动完成测量工作,并将测量结果以数字的形式显示在荧光屏上,特殊值的测量使用手动光标进行测量,即光标测量。
光标测量指的就是在荧光屏上设置两条水平光标线与两条垂直光标线,这四条光标线可在面板的控制下移动,光标与波形的交点,对应于信号存储器中的相应的数据。
测量时,示波器在测量程序控制下,根据光标的位置来完成测量,并将测量结果以数字形式显示在荧光屏上。
2、2、4面板按键操作方式
数字存储示波器的面板按键分为执行键与菜单键两种,按下执行键后,示波器立即执行该项操作。
当按下菜单键时,屏幕下方显示一排菜单,屏幕有方则显示对应菜单的子菜单,然后按子菜单下所对应的软键执行相应的操作。
2、2、5数字存储示波器的显示方式
由于数字存储示波器可以对被测信号存储,波形的采集与显示可以分开进行,与宽带示波器相比,采集速度与显示速度可不相同,因此采集速度很高的数字存储示波器对其显示的速度要求不高。
数字存储示波器的显示方式灵活多样,具有基本显示,抹迹显示,卷动显示,放大显示与XY显示等,可适应不同情况下波形观测的需要。
存储显示:
存储显示方式就是数字示波器的基本显示方式,适用于一般信号的观测,在一次触发形成并完成信号数据的存储后,经过显示前的缓冲存储,并控制缓冲存储器的地址顺序,依次将欲显示的数据读出并进行DA变换,然后将信号稳定的显示在荧光屏上。
抹迹显示:
抹迹显示方式适用于观测一长窜波形中在一定条件才会发生的瞬态信号。
抹迹显示时,应先根据预期的瞬态信号,设置触发电平与极性;观测开始后仪器工作在末端触发与预置触发相结合的方式下,当信号数据存储器被装满单瞬态信号未出现时,实现末端触发,在荧光屏上显示一个画面,保持一段时间后,被存入的数据更新。
若瞬态信号仍未出现,在利用末端触发显示一个画面,这样一个个画面显示下去,如同为了查找莫个内容,一页页的翻书一样,一旦出现预期的瞬态信号则立即实现预置触发,将捕捉到的瞬态信号波形稳定的显示在荧光屏上,并存入参考波形存储器中。
卷动显示:
卷动显示方式适于观测缓变信号中随机出现的突发信号,它包括两种方式,一种就是新波形逐渐代替旧波形,变换点自左向右移动;另一种就是波形从右端向左一定,在左端消失,当异常波形出现时,可按下存储键,将此波形存储在荧光屏或存入参考波形存储器中,一边做更细致的观测与分析。
放大显示:
放大显示方式适于观测吸信号波形的细节,此方式就是利用延迟扫描的方法实现的,此时荧光屏一分为二,上半部分显示原波形,下半部分显示放大了的部分,其放大位置可用光标控制,放大比例也可调节,还可以用光标测量放大部分的参数。
XY显示:
与通用示波器的显示方法基本相同,一般用于显示丽萨如图形,此处不做详述。
显示的内插:
数字存储示波器就是将取样数据显示出来,由于取样点不能无限增多,能够做到正确显示的前提就是足够的点来重新构成信号波形。
考虑到有效存储带宽问题,一般要求每个信号显示20-25个点。
但就是较少的采样点会造成视觉误差,可能使人瞧不到正确的波形。
数据点插入技术可以解决显示中视觉错误的问题。
数据点插入技术常常使用插入器将一些数据插在所有相邻的取样点之间,主要有线性插入与曲线插入两种方式。
2、3数字存储示波器的特点
与模拟示波器相比,数字存储示波器具有以下几个特点:
波形的取样存储与波形的显示就是独立的:
在存储工作阶段,对快速信号采用较高的速率进行取样与存储,对慢速信号采用较低速率进行取样与存储,但在显示工作阶段,其读出速度可以采用一个固定的速率,不受采样速率的限制,因而可以清晰而稳定的获得波形,可以无闪烁的观测被测极慢变化信号,这就是模拟示波器无能为力的。
对观测极快信号来说,数字存储示波器采用低速显示,可以使用低带宽,高精度,高可靠性而低造价的光栅扫描示波管。
能长时间的保存信号:
由于数字存储示波器就是把波形用数字方式存储起来,其存储时间在理论上可以就是无限长。
这种特性就是对观察单次出现的顺便信号极为重要,如单次冲击波,放电现象。
先进的触发功能:
它不仅能显示触发后的信号,而且能显示触发前的信号,并且可以任意选择超前或滞后的时间。
除此以外,数字存储示波器还可以提供边缘触发,组合触发,状态触发,延迟触发等多种方式,来实现多种触发功能。
测量准确度:
高数字存储示波器由于采用晶振做高稳定时钟,有很高的测时准确度,采用高分辨率AD转换器也能使幅度测量准确度大大提高。
很强的数据处理能力:
数字存储示波器由于内含微处理器因而能自动实现多种波形参数的测量与显示,例如上升时间,下降时间,脉宽,峰峰值等参数的测量与显示,能对波形实现取平均值,取上下限值,频谱分析以及对两波形进行加减乘除等多种复杂的运算处理,还具有自检与自校等多种操作功能。
外部数据通信接口:
数字存储示波器可以很方便的将存储的数据送到计算机或其她的外部设备,进行更复杂的数据运算与分析处理。
还可以通过GPIB接口与计算机一起构成自动测试系统。
2、4数字存储示波器的主要技术指标
数字存储示波器与波形显示有关技术指标与模拟示波器相似,下面仅讨论与波形存储部分有关的主要技术指标。
2、4、1最高取样速率
最高取样速率指单位时间内的取样的次数,也称数字化速率,用每秒钟完成的AD转换的最高次数来衡量。
常以频率来表示,取样速率越高,反应仪器捕捉高频或快速信号的能力愈强。
取样速率主要由AD转换速率来决定。
数字存储示波器的测量时刻的实时取样速率可根据被测信号所设定的扫描时间因数、
2、4、2存储带宽
存储带宽与取样速率密切相关,根据取样定理,如果取样速率大于或等于二倍的信号频率,便可重现原信号。
实际上,为保证所显示波形的分辨率,往往要求增加更多的取样点,一般取N=4-10倍或更多,即存储带宽。
2、3、3分辨率
分辨率指示示波器能分辨的最小电压增量,即量化的最小单元。
它包括垂直
分辨率与水平分辨率。
垂直分辨率与AD转换的分辨率相对应,常以屏幕每格的分级数或百分数来表示。
水平分辨率由取样速率与存储器的容量决定,常以屏幕每格含多少个取样点或用百分数来表示。
取样速率决定了两个点之间的时间间隔,存储容量决定了一屏内包含的点数。
一般示波管屏幕上的坐标刻度为8*10div,如果采用8位的AD转换器,则垂直分辨率表示为32级/div,或用百分数来表示为1/256=0、39%:
如果采用容量为1k的RAM,则水平分辨率为1024/10=100点/div。
2、4、4存储容量
存储容量又称记录长度,它由采集存储器最大存储容量来表示,常以字为单位。
数字存储器常采用256,512,1K等容量的高速半导体存储器。
2、4、5读出速度
读出速度就是指将数据从存储器中读出的速度,常用“时间/div”来表示,其中,时间为屏幕上每格内对应的存储容量乘以读脉冲周期。
使用中应根据显示器,记录装置或打印机等对速度的要求进行选择。
2、5数字信号的采集与存储
在数字存储示波器中,模数转换电路在给定采样时钟的节拍下把输入模拟信号转换为离散的数据值;A/D转换器始终以最高取样率进行工作。
ADC参数的选取需要考虑多方面的因素;ADC的取样频率取决于待测信号的频率范围,或者示波器对扫描速度的要求;而ADC的编码位数与垂直分辨率相关。
根据这两个条件选择合适的ADC芯片。
波形重组就是根据所用的显示器将采集到的离散数字信号进行调整之后,将其在显示器的垂直方向与水平方向重新定位,存储到波形存储器中。
数字信号保存到存储器中,RAM的位数须根据ADC的位数来选择,如果ADC为8位输出,那么RAM也应该为8位,超过8位则可以选用16位的RAM。
RAM的容量取决于每次采样的采样点数,这与水平分辨率相关。
写入RAM的数据来自于ADC,读出之后再经过单片机处理进行波形重组,然后在液晶显示器上进行显示。
在本设计中,硬件设计分为两个部分———波形显示电路与频率显示电路,波形显示电路中,首先使用A/D转换器,对输入的模拟信号数字化,以使单片机能够识别,同时,还要使用单片机控制A/D转换器。
对于A/D转换器采样的数据,经过转换之后单片机可以直接读取,对于读取的数据,通过单片机输出,经过显示器,直接显示波形。
频率显示电路中,利用外围电路对信号进行采集,转换为高低电平之后,单片机读取,输出。
第3章系统硬件电路的设计
3、1STC15W4K60S4系列单片机
STC15W4K60S4系列单片机就是STC生产的单时钟、机器周期的单片机,就是宽电压、高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机,采用STC第九代加密技术。
加密性超强指令代码完全兼容传统8051,但速度快8—12倍。
内部集成高精度R/C时钟,5MHz—35MHz宽范围可设置,可彻底省掉外部昂贵的晶振与外部复位电路,6路CCP/PWM/PCA,8路高速10位A/D转换,内置4k字节大容量SRAM,4组独立的高速异步串行通信端口,1组高速同步串行通信端口SPI针对多串行通信\电机控制强干扰场合。
内置比较器,功能更强大。
如图3、1。
图3、1STC15W4K6054原理图
3、2LCD12864
表3、1总体参数表
管脚号
管脚名称
电平
管脚功能描述
1
VSS
0V
电源地
2
VCC
3、0~+5V
电源正
3
V0
-
对比度（亮度）调整
4
RS（CS）
H/L
RS=“H”,表示DB7——DB0为显示数据
RS=“L”,表示DB7——DB0为显示指令数据
5
R/W（SID）
H/L
R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0
R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的数据被写到IR或DR
6
E（SCLK）
H/L
使能信号
7
DB0
H/L
三态数据线
8
DB1
H/L
三态数据线
9
DB2
H/L
三态数据线
10
DB3
H/L
三态数据线
11
DB4
H/L
三态数据线
12
DB5
H/L
三态数据线
13
DB6
H/L
三态数据线
14
DB7
H/L
三态数据线
15
PSB
H/L
H:
8位或4位并口方式,L:
串口方式
16
NC
-
空脚
17
/RESET
H/L
复位端,低电平有效
18
VOUT
-
LCD驱动电压输出端
19
A
VDD
背光源正端（+5V）
20
K
VSS
背光源负端
12864就是128*64点阵液晶模块的点阵数简称。
*注释1:
如在实际应用中仅使用并口通讯模式,可将PSB接固定高电平。
*注释2:
模块内部接有上电复位电路,因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。
*注释3:
如背光与模块共用一个电源,可以将模块上的JA、JK用焊锡短接。
LCD12806电路原理图如图3、2。
图3、2LCD12864原理图
3、3硬件系统设计
我们要先把波形显示出来,因为波形有大有小,首先我们要对它进行一个调理。
因为调理包括把大信号变成小信号,把小信号变成大信号,把信号抬高,把波形调到适合单片机ADC采样,采样之后将所得到的值写到RAM中,通过单片机进行计算将波形在液晶屏幕上显示出来,另外我们需要对输入信号进行处理提取出信号的特性,包括频率、电压值、分析信号的波形。
所以示波器我们大概可以分为两个部分,一部分为显示信号的波形,一部分为提取信号的特征。
例如:
我们在计算电压值的时候,我们可以通过波形进行计算。
电压值可以通过采样值得出,采样值可以通过求VPP进行计算,采样得到许多的点,我们将这些点的最大值与最小值求出来就等于求出了VPP,频率可通过对所得的图形进行整形,整形成一个方波,我们对它在
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