2022年简易数字存储示波器方案报告.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用简易数字储备示波器设计报告摘 要本设计分为四个模块,分别是：信号前向调整模块,数据采集模块,数据输出模块和掌握模块；信号前向调整模块采纳高速低噪音模拟开关MAX4545> 和宽带运算放大器 MAX817> 构成可编程运算放大器,对 幅度不等的输入信号分别进行不同等级的放大处理；数据采集模块采纳可编程器件EPM7128SLC84-15>掌握高速 TLC5510> 对不同频率的输入信 号分别以相应的采样速度予以采样,并将采样数据存 在双口 IDT7132> 中；数据输出模块采纳另一 片可编程器件 EPM7128SLC84-15>掌握两片 DAC0800>分别输出采样信号和 锯齿波 ,在示波器上以的方式显示波形；掌握 模块以 AT89C52单片机为掌握核心,和谐两片可编程 器件的工作,并完成其它的测量,运算及掌握功能；名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用一 总体方案设计与论证：方案一：数字示波器采纳数字电路,将输入信号先经过变换器,把模拟波形变换成数字信息,暂存于储备器中；显示时通过变换器将储备器中的数字信息变换成模拟波 形显示在模拟示波器的示波管上；对于储备器的地址计数及数 据存取可通过数字电路对时钟脉冲计数产生地址,并选通储备 器来实现；对输入信号何时触发采集可通过模拟比较器及其它 简洁的模拟电路实现；但是,这种方法的硬件电路过于复杂,调试起来也不便利,不利于系统的其它功能扩展,因而不行采 取；方案二：采纳 AT89C52单片机；单片机软件编程敏捷,自 由度大；可通过软件编程实现对模拟信号的采集,储备数据的 输出以及各种测量,规律掌握等功能；但是,系统要求的频带 上限为,依据采样定理,采样速度的下限为 ,需要用高速进行采样；假设单片机系统用 12M的 晶体振荡器作为系统时钟,那麽一条指令就需要 1us或2us,根本 无法掌握高速工作；因此,单纯用软件是不行能实现该 系统的；方案三：采纳 AT89C52单片机作为掌握核心,采纳可编程 器件 <ALTERA 公司的 EPM7128SLC84-15）来实现对数字系统的掌握；由于可编程器件的工作频率很名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用高,所以用它掌握高速工作是合适的,同时又有着 MAXPLUSII 这样强大的软件予以支持,所以设计调试都会变得非常方 便；为了稳固实时的显示波形,必需使采样数据输出与扫描信号同步,同时扫描速度要快,所以也应当用可编程器件来掌握波形数据的输出；由于 EPM7128SLC84-15的硬件资源不是非常丰富,为了以后功能扩展便利,所以我 们选用了两片该器件分别掌握着模拟信号的采样以及采样数据的输出,用单片机掌握并和谐它们之间的工作；系统框图如下：键盘 显示器AT89C52 触发电路锯齿波X Z 信号挑选程控放大电路 信号调整电路双口 高速电路输出电路 Y 一般示波器信 信名师归纳总结 号号第 3 页,共 24 页一二- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用二 单元电路的设计与论证 1信号前向调整模块的设计：为了使不同幅度的输入信号都能被所采样,所以在 采 样电路的前端应对输入信号进行肯定的放大衰减；由于我们 所选用的 <TLC5510 ）电路的输入动态范畴为 0.59V2.59 V,即当输入 0.59V的直流信号时,输出为 00H,输入 2.59V的直流信号时输出为FFH,而 DAC0800> 电路输出为 05V,所以当 A/D 的输入信号峰峰值为 2V时,设示波器的垂直灵敏度定在 0.5v/div,那末 Y轴显示 10格实际上 Y 轴只有 8格>,这相当于将输入信号放大了 2.5倍；为使垂直灵敏度为1v/div ,即在示波器上Y轴显示两格,就输入信号需要衰减倍,同理可得当垂直 灵敏度为 0.1V/div 和0.01V/div 时前向通道需要放大 2倍和 20倍；由于 A/D 本身的输入动态范畴就很小,为了爱护,所以在前端加入了倍衰减,因此程控放大倍数应分别为倍, 倍,倍；方案一：采纳现有的集成程控放大器例如 :PGA103> 作为信号的前向输入通道,依据输入信号的幅度挑选不同的放大衰 减倍数,以达到所要求的输入范畴；在系统前端采纳集成器件,对抑制系统的噪声是很有帮忙的,而且这种器件掌握简单,使用便利；但是,该器件货源短缺,无法实现；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用方案二：采纳四象限乘法型D/A 转换器 AD7528和运算放大器来实现程控放大衰减；AD7528 内部具有两个匹配良好的 D/A转换器；依据下图的接法,即可构成可编程增益 /衰减电路；从每个 D/A 转换器的基准输入到其输出的等效电阻用于取代标准反相放大器的输入电阻和反馈电阻,将合适的数据置入到两个D/A 中,即可实现 -48DB到+48DB的可编程增益 /衰减；经理论推导,输入 Vin与输出Vout之间的关系是：Vout/Vin=-Na/Nb 其中, Na,Nb分别指的是 A,B两D/A 的预置值,范畴在 1到之间；但是,依据试验发觉在频率较高时有衰减,放大倍数比预定值小,无法满意垂直灵敏度在全频段内误差小于的要求,所以不行选用；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用Vout Vin 方案三：采纳高速低噪声模拟开关MAX4545 挑选不同的反馈电阻和模拟运算放大器 MAX817 构成标准的反相运算放大器来实 现； MAX817 的单位增益截止频率为,可保证对频率小于的信号进行倍放大；将MAX4545 的四根掌握线接在最小系统的扩展接口上,即 8255的 PA0PA3,掌握信号与放大倍数的对应关系如下表：PA3PA0 1000 0100 0010 0001 放大倍数 1 10 20 100 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用电路如下图：高速数据采集模块的设计与论证：该模块由三部分组成,分别是：高速,掌握电路和储备电路；） 的挑选：依据题目要求垂直辨论率为32级/div,示波器上共 8格,即要分为 256级,因此可选用 8位AD；又由于水平辨论率为 20点/div,所以对应于三档扫描速度0.2s/div,0.2ms/div,20us/div的采样速度应分别是 100HZ,100KHZ 和1MHZ ；分析如下：名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用设扫描速度为 s/div,要求水平辨论率为点div,所以每点的取样时间间隔为X/20s,即取样信号的频率为20/X HZ；因此,当要求三档扫描速度分别为0.2s/div,0.2ms/div,20us/div时,相应的三档采样频率应分别是 100HZ,100KHZ ,1MHZ；但是,从 100HZ到100KHZ 的跨度太大 ,不利于中间频段信号的显示,因此我们又多加了1KHZ 和10KHZ 两档扫描速度；由于最高采样速率达到,所以一般的难以满意要求,因此我们选用了公司的位 ADC TLC5510 ；该芯片用单 5V 供电,转换速率最高可达到 20MPS,内部带有采样保持电路和基准电阻；该芯片的最大优点就是速 度快,掌握简洁,适用于可编程器件掌握；电路如下：该电路的输入信号的动态范畴很小为 0.59V2.59V ；为了将动态范畴扩展至010V,需在其前级加入如下调整电路；该电路除了对输入信号进行 5倍衰减外,仍在输入信号上迭加1.5V的直流；名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 个人资料整理仅限学习使用第 9 页,共 24 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用仿真结果 ）掌握电路：掌握电路做在可编程器件里,主要有地址累加单元,采样 速度挑选单元和可编程器件与单片机接口单元；其中,地址累加单元电路如下：CLK 为系统时钟,计数前第一由chfa端输入一个负脉冲信号,对计数器和 D触发器复位,而后对时钟脉冲计数；当计满时,该电路自动停止工作,并在INT 端产生一个低电平信号,标志计数终止； Onf信号为锁存信号,当其为低电平常,锁存当前 采样；仿真如下：名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用） 储备芯片的挑选与实时性的考虑：方案一：采纳一片 RAM 储备采样数据,以先采后放的方法 工作；该方法优点是电路简洁,掌握简洁,易于实现；但其只 在输入信号频率较高时能输出较稳固的波形,当信号频率很低 时,输出波形更新周期过长,缺乏实时性,并且在输出波形的 同时无法进行数据采集,将丢失信号部分信息；方案二：采纳两片 RAM, 用一片 RAM 储备采集数据,另一 片RAM 输出数据 ,即两片 RAM 交替进行储备与输出；该方法解 决了丢失信号部分信息的问题,但是采放的速率必需一样,否 就必定引起数据冲突；对于低频信号该方法无任何意义,没能 很好的解决实时性问题,并且电路较复杂,占用口线资源多,造成铺张；名师归纳总结 方案三：采纳一片双口RAM ,边采边放；该方法电路简洁第 11 页,共 24 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用,较好的解决了实时性问题所以采纳该方案；由于最高采样速度是,所以要求储备器的最大存取时间应小于 us；由于要求水平辨论率为20点/div ,而模拟示波器上共有格,即每一次扫描应有个点,所以储备量仅需个单元；当对输 入信号一次采集时,假设最大满屏显示一个周期的信号,就存 储个周期的信号就已经超额满意题目的要求,因此储备量 选为 2K我们挑选的双口 RAM 是IDT7132 ,该芯片有两组对称的信号线,即每个端口都有独立的地址线,数据线和掌握线；它的存取时间为 25ns35ns ,储备量为,在非选通时自动处于低耗状态,可异步操作,输入和输出三态,与 的应用电路如下：TTL 电平兼容；该芯片名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用波形显示电路：波形显示方式有方式及外部触发方式；但是为了在 示波器上显示字符就必需选用方式；） 数据输出速率的分析：由于数据采集的最高速度为1MHZ ,因此数据回放系统的扫描速率应大于 1MHZ ,才能实时的显示数据更新的过程；根据试验比较,我们选定输出频率为2MHZ ；在该输出频率下,系统的实时性较好,而且波形稳固,不失真；我们选用的 DA是DAC0800,它的输出电流建立时间为 的速度要求；电路如下：100ns,即10MHZ ,满意数据输出名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用输出数据的地址由地址累加器得到,我们在地址累加器的 后级加入了一级数据挑选器,通过扫描信号的进位脉冲切换数 据通道,即可实现锁存后或单次触发后显示波形的水平移动；局部电路图如下：其中, db10.0为地址累加步进量 ,DQ10.0 为已锁存的起始地址 ,sel为水平扫描信号的进位脉冲,该脉冲即为通道切换信号名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用；仿真如下：）锯齿波形成电路：依据试验发觉,在可编程器件EPM7128SLC84-15的内部搭建的计数电路很简洁产生毛刺,使输出锯齿波不稳 定,因而我们选用硬件电路计数产生锯齿波；锯齿波的时钟由 数据输出电路供应,以保证扫描信号与数据信号同步；将锯齿 波计满后输出的进位脉冲经过肯定的延时放大后,送给模拟示 波器的轴,以消隐 回扫线；锯齿波产生电路如下图：名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用锯齿波产生电路仿真波形触发电路：触发电平由单片机通过D/AMAX508> 输出,通过比较器与输入信号相比较,从而得到触发信号；该触发信号使单片机产 生中断,经单片机处理后启动开头采集；这里选用的比较电路是由高增益,低噪声,低漂移运放 OP 37 名师归纳总结 开环构成的；其输出用两个二极管限幅,以得到标准的TTL 信第 16 页,共 24 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用号；电路见下图；触发电路双踪示波电路：理论上严格的双踪示波器应对两路信号同时采样,那麽就需名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用要两个高速 A/D ,及其前端电路；但是一般模拟示波器辨论率 一般不高,因而就没有任何意义去要求两路信号严格的同时；因此我们采纳一路采集电路对两路输入信号交替采样,将采集 数据分别储备于原储备器的奇偶地址内,再分别示波,同样可 以以较高的精度作到双踪示波,并且使系统的性价比提高；开 关心换电路如下图：双踪电路输入一路沟通信号一路直流信号的仿真波形名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用两路输入沟通信号的仿真波形最小系统电路：本系统以 AT89C52为核心；键盘由 20个按键组成,对其扫描由 MM74C923 完成；系统的显示器用的是 字符型 LCD ,共有两行十六列,每个字符位由DCM-162A ,它是 8行5列组成,由于其辨论率不高,难以进行汉字显示,因此我们采纳全英文界面；此外该系统仍带有32K的RAM<62256 ）和一片 82C55作为端口扩展备用；系统的电源部分为 +5V,+12V及-12V三种供电方式；. A/D 及 D/A 的选用 : 为了便利系统测量及掌握我们又另外选用了一片 A/和 D/A ,分别是 MAX197 及MAX508 ；测频模块：名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用利用单片机的计数器对信号进行测量；由于触发脉冲与输入信号频率相同,所以只需对触发脉冲进行测频即可；当频率低于 5Khz时,利用测周的方法,以被测信号的一个周期为闸门时间,以单片机的一个机器周期 即得周期,其最大误差为：<1us）为时间基准,对其计数其中, Tx为被测信号周期, Fc为定时器频率；当输入信号在 5K-50K时用测频的方法,以被测信号为时间基准,定时 1S为闸门 时间,对时基计数,即得频率,测得的最大误差为其中, Fx为被测信号频率, T为闸门时间,这里定位一秒,Fc为单 片机计数器频率；字符显示模块：在轴输入水平扫描信号,在轴输入场扫描信号,在 轴输入亮度信号即可在示波器上形成字符；其中,场扫描信号 由内部计数产生；轴的数据存在外部 ROM中；10峰峰值测量功能：用一般 AD<MAX197 ）对输入到高速采集电路的信号进行较长名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用时间采样,从中得到输入信号的最大值和最小值,然后将它们的差值乘以前向通道的衰减倍数后,即可得到输入信号的峰峰值；11AUTO-SCALE 功能：此功能实现系统自动调剂水平灵敏度和垂直灵敏度,使波形更好的被显示；第一,系统通过一般AD<MAX197 ）读取输入信号电平作为触发电平,使系统稳固触发；然后,调用测频 功能,测得输入信号的频率,由于我们将水平灵敏度分为 20us/d iv,0.2ms/div,2ms/div,20ms/div,0.2s/div五档,为保证示波器上至少显示一个周期的信号,所以当被测信号频率f>5khz 时用 20us/div档；当 500hz<f<5khz 时用 0.2ms/div 档；当 50hz<f<500hz时用 2ms /div档；当 5hz<f<50hz时用 20ms/div档；当 f<5hz时用 0.2s/div档；接下来再调用测量峰峰值的功能；由于我们将垂直灵敏度分为 1 v/div,0.1v/div,0.05v/div 和0.01v/div,所以当输入信号大于 0.8v时,系统自动挑选 1v/div 档,当输入信号大于0.4v小于 0.8v时,系统自动挑选 0.1v/div,当输入信号小于 0.4v/div,大于 0.08v时,系统自动挑选 0.05v/div 档,当输入信号小于 1v/div ；三软件部分：系统软件的流程如下：0.08v时,系统自动挑选 0.0名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用由于液晶的使用,加上软件的设计,使得系统供应了良好的人 机 界面；软件主要由多层滚动式菜单组成,功能的设定都在菜单中完 成,各个功能模块相互独立,具有很好的交互性；按键主要由数字 键、确定键、取消键、四个方向键以及四个功能键组成,并且按键 具有重复 按键的功能,当按下某一键不放时,将重复响应此键,操作很便利；开 始系统初始化键盘扫描挑选通道 1,2或双踪以实时方式工作,并等待键盘指令调调调单执测测自名师归纳总结 节节节次行频峰适第 22 页,共 24 页xy触采或率峰应轴轴发集停值分分电single 止Vpp 辨辨平- - - - - - -率率精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用四系统测试：测试仪器：HG1643功率函数信号发生器 COS5020 模拟示波器 20M 带宽 > HP54645D数模混合型示波器 <100M带宽）NFC-1000C-1型多功能计数器 HH1713 双路直流稳压电源 HP33120A 型函数信号发生器 对本系统进行测量,各项功能及指标均满意题目要求；完 成的功能如下：对输入信号可单次触发,触发后可以稳固显示并不随输入信号变化而变化,对信号的一次采样最多可采样 204 8个点；在连续触发模式下可对输入信号实时采样并显示,并且 波形无明显失真 ,输入信号既可以是沟通也可以是直流；按动锁 存键,即可锁定当前波形并且可对储备波形通过水平移动进行观测；可通过软件设置挑选1通道信号或 2通道信号或双踪模式；当输入信号的上升沿达到触发电平常即可产生触发,触发电名师归纳总结 平稳固可调；对采样信号输出时水平扫描速度有0.2s/div,20ms/第 23 页,共 24 页div,2ms/div,0.2ms/div,20us/div五档,垂直灵敏度有0.01v/div,0.05- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用v/div,0.1v/div 和1v/div 共四档；可对输入信号测频,测周,并测量峰峰值；依据输入信号可进行自适应显示,即 auto-scale功能；实际测量结果如下：1>测试垂直灵敏度：当示波器的垂直灵敏度定在 0.5v/div,假如系统垂直灵敏度定在 0.1v/div ,输入信号的峰峰值为500mv时,示波器上显示 5格；假如系统垂直灵敏度定在 1v/div ,输入信号的峰峰值为 5v时,示波器上显示4.9格；两次测量数据均合乎指标要求；2>测试水平扫描速度：当输入信号的频率定在 1hz,水平扫描速度定在 0.2s/div时,示波器上显示 5格；输入信号的频率定在 10khz,水平扫描速度定在 20us/div时,示波器显示 5格；两次测量数据也合乎指标要求；3>输入噪声测量：将输入端接地,在示波器上测得水平扫描线的宽度大约为 3mv；五结果分析：依据最终测试证明整体设计方案基本是正确的,题目所要求的各项功能均已实现；各项指标均在系统要求的误差范畴内；设计中由于采纳了双口RAM ,所以系统的实时反应较快,这是本设计的一个特色；依据实测结果说明利用模拟开关频繁切换输 入通道,对两路输入信号交替采样完成双踪功能是可行的,这 样可使系统的复杂程度大大降低,并且提高了系统的性价比；名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页,共 24 页