數(shù)字存儲示波器設(shè)計(jì)制作報告1．立項(xiàng)依據(jù)1.1.1課題研究的目的、意義：（1）課題研究的目的：①通過課題的研究進(jìn)一步鞏固所學(xué)的知識，同時學(xué)習(xí)課程以外的知識，培養(yǎng)綜合應(yīng)用知識的能力。②鍛煉動手能力與實(shí)際工作能力，將所學(xué)的③培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神，加強(qiáng)協(xié)作能力，增進(jìn)同學(xué)間的友誼。④盡力研究話申報相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)，并使成果產(chǎn)理論與實(shí)踐結(jié)合起來。出預(yù)期成果，如有可能的業(yè)化。（2）課題研究的意義：①研究過程本身可以使參與者得到極大的鍛煉，為將來參加實(shí)際工作做好準(zhǔn)備。②研究的預(yù)期成果可以彌補(bǔ)現(xiàn)有示波器的不足，如能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將在低檔型方面有較大市場。1.1.2現(xiàn)狀分析：示波器在電子、電氣、控制等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字示波器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)互聯(lián)、共享數(shù)據(jù)，但市場現(xiàn)有的示波器也有諸多不足，如價格昂貴、體積重量偏大、攜帶不方便等，而齊全的功能在很多的場合并不一定能夠得到充分的應(yīng)用。本課題所研究的可存儲虛擬示波器定位為低檔型，即在性能上只需滿足大多場合的基本應(yīng)用，努力實(shí)現(xiàn)小型化，價格盡可能低廉，這樣在財力有限的小用戶（電子愛好者、小型企業(yè)）中能夠普及，在大用戶的使用中發(fā)揮便攜性強(qiáng)的優(yōu)勢，與高檔示波器配合使用，互相取長補(bǔ)短。2．課題研究的主要內(nèi)容及實(shí)施方案2.1.1課題研究的主要內(nèi)容：本課題研究的主要內(nèi)容是如何建立一套可存儲虛擬示波器系統(tǒng)，其具體組成為：①硬件系統(tǒng)：

硬件系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和外部硬件系統(tǒng)組成。這里主要研究外部硬件系統(tǒng)，其主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩沖及壓縮、數(shù)據(jù)存儲、向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)傳輸。②軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)的主要任務(wù)是通過計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)讀取由外部硬件設(shè)備傳輸來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行解壓、變換、排除干擾信號、將波形顯示在顯示器上，并進(jìn)行波形的存儲、打印與分析。在實(shí)現(xiàn)以上基本功能的前提下，還可以進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展國，如硬件系統(tǒng)性能的擔(dān)高、成本的降低、體積重量的減小、接口的擴(kuò)展；軟件系統(tǒng)功能的完善、用戶界面的改進(jìn)、數(shù)據(jù)的格式化、網(wǎng)絡(luò)化，最終目標(biāo)是產(chǎn)業(yè)化。2.1.2實(shí)施方案：本系統(tǒng)實(shí)施方案如下頁圖一所示：2.1.3工作條件：信號源、單片機(jī)編程器、普通數(shù)字示波器、帶RS－232串口的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著工作的進(jìn)展對實(shí)驗(yàn)條件的要求可能會有所變化。直接傳輸式方輸入信號模數(shù)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)波形顯示、存轉(zhuǎn)換處理儲、后期處理模數(shù)轉(zhuǎn)換存儲式方圖一：實(shí)施方案示意圖3．問題的分析與幾種主要實(shí)施方案的討論3.1.1問題的分析本課題的主要問題在于模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。為了測試高頻模擬信號，必須采用高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)。采樣定理指出，要不失真地復(fù)現(xiàn)輸入信號，采等于輸入信號頻率上限的二倍，但在實(shí)中，要得到較理想的輸入信號的波形，在輸入信號的每個周期必須采十個以上的數(shù)據(jù)點(diǎn)。這樣繪制出的波形圖才能比較準(zhǔn)確地反映輸入信號的特征。因此，高速采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)成為本課題重難點(diǎn)。樣頻率必須大于際工作的主要該方案采用市售高速AD轉(zhuǎn)換芯片，直接對輸入信號進(jìn)行采樣、轉(zhuǎn)換，然后參考。缺點(diǎn)兼顧，市售高速AD轉(zhuǎn)換芯片的價格與速度基本成指數(shù)關(guān)系，而且有很多高速AD轉(zhuǎn)換芯片難于購買。因此，以較低的價格只能得到較低的性能。另一方面，從科技創(chuàng)新本身來說，本方案的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，真正創(chuàng)新的不多。（2）取樣示波器所謂取樣示波器，就是在一個周期信號的不同周期采樣，從而獲得周期信號的信息。如圖二所示：對于輸入信號，設(shè)其周期為T，如果能夠準(zhǔn)確地得到其T/n的n個數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)際上與在1時間，那么就可以mT時間采樣一次，采一n個周期內(nèi)采此外，如果相同的相位，從理論上來說于在一個周期內(nèi)采樣是等價的，而每次比完整的轉(zhuǎn)換短的多，因此分周期比較可以對頻率更高的輸入信號進(jìn)行n個數(shù)據(jù)點(diǎn)是等價的。將逐次比較AD轉(zhuǎn)換的比較過程各次分在各個不同的周期，但都對應(yīng)比較的時間總時間逐次采樣。圖二A：直接采樣方案示意圖圖二B：隔周期采樣方案示意圖該方案的主要優(yōu)點(diǎn)是可以采集很高頻率的周期性輸入信號。但該方案的難點(diǎn)也是很明顯的：如何準(zhǔn)確獲取T/n的時間。研究過程中，我們曾嘗試用集成鎖相環(huán)CC4046來實(shí)現(xiàn)此功能，通過計(jì)數(shù)器與CC4046可以實(shí)現(xiàn)對經(jīng)過整形的輸入信號2101分頻，再21倍頻鎖定輸入信號周期的100的時間。但發(fā)現(xiàn)在倍頻在本課題的，1實(shí)質(zhì)上就是時CC4046很難鎖21定，幾乎得不到穩(wěn)定的輸出波形。因此該方案最終被放棄。事實(shí)上，該方案還是有前景的。可以考慮使用稍高檔的集成鎖相環(huán)，可能可以解決失鎖的實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相，從得而到更精確更穩(wěn)定的（3）電壓比較方案以上兩個方案都是通過在特定的息。但由于輸入信號是模擬量，就必須進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，而AD轉(zhuǎn)換的速度限制了整個采樣及轉(zhuǎn)換過程的速度的提高。與之相比，使用高頻時鐘（74LS系列的計(jì)數(shù)器理論最高時鐘頻率都可達(dá)到數(shù)十MHz）和多位計(jì)數(shù)器計(jì)時，可以時間變?yōu)閿?shù)字量。該方案避開AD轉(zhuǎn)換，通而過DA轉(zhuǎn)換輸出一個參考電壓，將與參考電壓進(jìn)行比較，記錄比較器輸出翻轉(zhuǎn)的時刻，這一時刻可以認(rèn)為與參考電壓相同的時刻，而且可直接從計(jì)數(shù)器中讀出該時刻對應(yīng)的數(shù)字量；對于周期信號（2）中類似，在不同的周期中采樣，可以采集非常頻率高的周期信號問題，另外，如果采用數(shù)字鎖相環(huán)，或者用單片機(jī)結(jié)合PLD，可以取樣控制脈沖信號。時刻對輸入信號采樣而得到輸入信號的信非常容易地把輸入信號是輸入信號，與方案。圖三：電平比較方案示意圖該方案的主要難點(diǎn)是比較器上的干擾如何抑制。在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)比較器的輸入端干擾非常大，這與我們的實(shí)驗(yàn)條件有一定關(guān)系。最終還是沒能克服這個問題而放棄了該方案。（4）頻域分析方案該方案原理類似于頻譜儀。對于周期輸入信號，分析其各次諧波分量的幅值與幅角，就可以求出其波形。由于常用的周期信號高頻分量衰減得都很快，因此只用分析幾次諧波就可以得到較精確的結(jié)果。此方案的難點(diǎn)在于本級振蕩中的頻率合成，以及各次諧波的幅角的測量。由于我們沒有學(xué)過相關(guān)的知識，因此未采綜上所述，四種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中前三種方案我們都曾嘗試過。由于時間、實(shí)驗(yàn)條件等諸多原因，最終我們采用了方案（1）。用此方案。4．本數(shù)字存儲示波器系統(tǒng)概述本數(shù)字存儲示波器系統(tǒng)。有兩種工作狀態(tài)：實(shí)時采集、存儲輸入。實(shí)時采集方式適用于輸入信號頻率較低（<100Hz）的情況。工作在該方式時，輸入信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，對應(yīng)的數(shù)字量傳入單片機(jī)，然后立即通過串行線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。存儲輸入方式則是用于輸入頻率信號較高（100Hz~50kHz）的情況。工作在該方式時，采用DMA（直接存儲器訪問）技術(shù)，輸入信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，對應(yīng)數(shù)字量直接寫入RAM中。轉(zhuǎn)換完畢后，再通過串行線將RAM中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。采集過程與傳輸過程可以分別進(jìn)行，采集過程不需要計(jì)算機(jī)參與，只要不掉電，波形數(shù)據(jù)可以存儲任意長時間。本數(shù)字存儲示波器系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。其中硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸入信號的放大/衰減、AD轉(zhuǎn)換、DMA控制等；軟件系統(tǒng)又分為單片機(jī)軟件與計(jì)算機(jī)軟件兩部分。單片機(jī)軟件系統(tǒng)控制硬件系統(tǒng)以及串行數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?；?jì)算機(jī)軟件處理數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)繪制、打印波形、頻譜分析等功能。5．硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由以下幾部分組成：（1）CPU及其外圍設(shè)備本系統(tǒng)CPU采用AtmelAT89C52單片機(jī)，其外圍設(shè)備包括RAM62256、串行傳輸電平變換芯片MAX232以及CPU時鐘、鍵盤等。（2）AD轉(zhuǎn)換、DMA控制電路這部分電路是本系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和存儲，同時根據(jù)兩種不同的工作方式采用不同的邏輯。當(dāng)用戶指定工作方式后，CPU會給出相應(yīng)的控制信號，這部分電路根據(jù)給出的信號控制各芯片的片選、鎖存等。具體地說，CPU的P1.2與P1.4端提供AD的控制信號。具體邏輯如表一：表一：AD及DMA控制電路譯碼真值表AD工作狀緩沖器1緩沖器262256WR來AD時鐘來AD片P1.2P1.4態(tài)片選片選源源選0001存儲輸入10AD時序發(fā)生器000初始測偏移01CPU時序發(fā)生器電壓110實(shí)時采集1不工作0011CPUCPUCPU-P1.3——1說明:[1]緩沖器1指CPUP0與62256低位地址線間的鎖存器74HC573，緩沖器2指地址發(fā)生器與62256地址線間的緩沖器。[2]實(shí)時采集時AD的控制信號由CPUP1.3端提供。[3]以上三個片選均為低有效。本系統(tǒng)采用AD公司的高速AD轉(zhuǎn)換芯片AD7820，原廠資料中該芯片的轉(zhuǎn)換時間為2μs，有兩種工作模式。其中直通工作模式最簡單，而且適合本系統(tǒng)工作要求，因此采用這種工作模式。如圖三所示，工作在直通模式時，AD7820的RD端接低電平，MODE端接高電平。WR端為高電平時，輸出保持不變，INT保持低電平；當(dāng)WR變?yōu)榈碗娖胶?，twrAD轉(zhuǎn)換啟動，同時INT變?yōu)楦唠娖?。WR低電平應(yīng)保持=(600ns-50μs)；當(dāng)WR再次變?yōu)楦唠娖胶?，AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果經(jīng)輸出緩沖器輸出并鎖存，同時INT變?yōu)閠int低電平。從WR的上升沿到AD輸出有效數(shù)字的時間為=700ns（典型值）,兩tp次轉(zhuǎn)換間隔時間為=600ns（最小值）。圖四：AD7820工作時序圖（摘自AD公司原廠資料）本系統(tǒng)工作在DMA方式時，采用6Mhz振蕩器，經(jīng)16分頻后得到周期為2.67μs、占空比為50%的方波，將其接至AD7820的WR端，則可滿足上述時序的要求。工作在實(shí)時采集方式時，則由CPUP1.3端提供WR信號。本系統(tǒng)工作在DMA方式時，62256WR端接AD7820INT端，則每次采樣完畢后，AD7820直接向62256寫入數(shù)據(jù)。其他控制時序和控制邏輯較簡單，用一片譯碼器74LS138和一片數(shù)據(jù)選擇器74LS253按表一中的邏輯聯(lián)接即可。（3）時鐘及地址發(fā)生器本系統(tǒng)地址發(fā)生器由四片四位計(jì)數(shù)器74LS161級連而成，最低位計(jì)數(shù)器的時鐘接AD7820INT端（附加兩個非門延時），這樣AD每完成一次轉(zhuǎn)換就向62256內(nèi)寫入一次數(shù)據(jù)，啟動下一次轉(zhuǎn)換的同時將地址計(jì)數(shù)器輸出增一。四片74LS161共有16根輸出線，其中低十五位通過緩沖器（表一中緩沖器2）接至62256地址觸發(fā)CPU線，最高位經(jīng)反相后接CPUINT0端。當(dāng)計(jì)滿15位向第16位進(jìn)位時，中斷0，CPU響應(yīng)中斷后即停止DMA控制器的工作，系統(tǒng)即完成一輪AD轉(zhuǎn)換及向62256種存儲數(shù)據(jù)的過程。本系統(tǒng)的時鐘發(fā)生器及前面所述的6Mhz振蕩器及16分頻電路。振蕩器由石英晶體振蕩器及非門等構(gòu)成，16分頻采用計(jì)數(shù)器74LS161。這部分電路比較簡單，6．軟件簡介：本軟件主要完成數(shù)字示波器的數(shù)據(jù)后期處理工作；開發(fā)環(huán)境：VisualC++6.0適用平臺：Windows9X/Me/2000/XP可執(zhí)行文件大?。?.26MB如果內(nèi)存允許，采集點(diǎn)數(shù)不限；因此，本軟件也滿足過程控制中大容量數(shù)據(jù)采集及圖形處理的需要；采用多項(xiàng)式光滑不等距插值，本方法是制定n個不等距節(jié)點(diǎn)xi(i=0,1,-------,n-1)上的函數(shù)值yi=f(xi)及精度要求，利用阿克瑪(Akima)方法，計(jì)算指定子區(qū)間上的三次插值多項(xiàng)式與指定插值點(diǎn)上的函數(shù)值；函數(shù)的調(diào)用格式為：完成采集波形的繪制，支持各種動態(tài)操作，包括：圖像的整體放大，整體縮小，還原初始最佳大小，移動，X向放大、縮小，Y向放大、縮??；支持各種編輯操作，包括：圖像數(shù)據(jù)的存儲(存儲成.sun文件)，波形圖、頻譜圖的打印，波形圖、頻譜圖的拷貝（可在Word等編輯軟件中粘貼）；支持波形圖相及示波屏幕的視覺效果調(diào)整，包括：波形圖、頻譜圖曲線顏色的任意調(diào)整支持波形圖處理數(shù)據(jù)量的動態(tài)調(diào)整：以克服圖像失真，及圖形處理速度慢等問題；條，線條寬度的調(diào)整，示波屏幕全屏化，背景模式的調(diào)整；支持任意點(diǎn)電壓值，時間值；兩點(diǎn)之間電壓差，時間差的動態(tài)讀取；支持采集數(shù)據(jù)的十六進(jìn)制，十進(jìn)制現(xiàn)實(shí)，支持?jǐn)?shù)據(jù)的拷貝（可轉(zhuǎn)移到Excel（2）頻譜圖：采用離散Foriour變換，繪制周期圖像的離散譜，非周期圖像的連續(xù)譜，并給出相應(yīng)頻譜信息：對于以上功能，提供方波，正弦波，隨機(jī)波，單位階躍響應(yīng)四組測試數(shù)據(jù)模圖六：波形顯示界面圖七：波形讀數(shù)面板界面（4）頻譜圖界面：圖八：頻譜圖顯示界面7.測試結(jié)果測試方法：以信號源的輸出作為本系統(tǒng)的輸入，分別測試本系統(tǒng)在兩種不同工作方式時對應(yīng)各種頻率、各種形式的輸入信號的輸出如下：圖九：1kHz正弦波波形（原圖）（1）圖十：1kHz正弦波波形（原圖）（2）圖十二：45kHz正弦波輸入信號（局部放大圖）圖十四：0.7Hz調(diào)節(jié)占空比后的正弦波（原圖）圖十六：60Hz方波（局部放大圖）圖十八：100Hz方波（局部放大圖）圖十九：200Hz正弦波（局部放大圖）7.1.3關(guān)于測試結(jié)果的討論：從以上各圖中可以看出：（1）不論工作在那種方式時，當(dāng)輸入信號頻率相對較高時，顯示出的波形將很密集而難于觀察，因此部分波形經(jīng)過了局部放大以便于觀察。（2）實(shí)時采集方式得到的波形明顯好于存儲輸入方式。這一方面是因?yàn)楣ぷ髟趯?shí)時采集方式時AD工作頻率較低，采集的數(shù)據(jù)比較可靠；另一方面因?yàn)楣ぷ髟趯?shí)施采集方式時，所得數(shù)據(jù)立即經(jīng)單片機(jī)傳入計(jì)算機(jī)中，而工作在存儲輸入方式時，數(shù)據(jù)要先向62256中存儲，經(jīng)過步驟較多，而由實(shí)驗(yàn)條件所限，數(shù)據(jù)總線和地址總線上必然有諸多干擾，因此會影響存儲的波形數(shù)據(jù)。（3）注意圖九、圖十中的箭頭所指處，在實(shí)驗(yàn)中觀察到每次工作在存儲方式時此處都有相同的尖峰。觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)每組數(shù)據(jù)中都有一段固定的地址（00F0H~00FFH）對應(yīng)的數(shù)據(jù)始終為常值（為我們以前所做的實(shí)驗(yàn)中向里寫入的有規(guī)律的數(shù)據(jù)），不隨輸入信號而改變，反映在波形上正是圖九、圖十中