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1、武汉纺织大学基于双MCU的数字示波器 班级：自动化0821 学号: 0814771030姓名：刘 海 摘 要数字示波器与传统的模拟示波器在工作方式上，区别很大，它是由高速A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，然后送给单片机、DSP、ARM等高速微型处理器，微处理器经过通过计算，重新在液晶屏绘出波形图，以便于我们进行观测。它一般支持多级菜单，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，实现对波形的保存和处理。 近年来，由于集成电子技术的迅速发展，A/D转换芯片的转换速度得到大幅度提高，高速A/D转换器的价格也日趋下降，这样使得数字示波器在性价比上，也得到巨大的提升。如今市场上
2、有很多数字示波器已经做成手持式的，较小的体积，携带非常方便，而且其性能也是非常强大，可以达到100MHz的采样频率，可以满足绝大部分用户的需求。而且现在的数字示波器可以很容易的观测到频率很低的信号图像，这是模拟示波器所不能实现的（模拟示波器在测量频率很低的信号时，只能看到一个点在移动，无法看到整个波形变化）。本数字示波器采用比较常用的高性价比芯片，采样频率与市场上的数字示波器相比，低了很多，但用于平时的常用电路检测，音频电压测试等还是够用的。该示波器采用的新一代的增强型8051单片机STC12C5A60S2作为微处理器，其运算速度是普通8051单片机的812倍，且指令系统与传统8051单片机完
3、全兼容，使用该款单片机能够使该数字示波器的采样频率更上一个台阶。基于A/D转换芯片的价格与电路设计的简便，我选择了TLC0820这款高速A/D转换芯片，TLC0820是一款经过改进的高速8位并行模数转换器，该芯片的A/D转换时间典型值为1.6s，最大2.5s，之所以选择这款，最主要的原因是该器件无需外部时钟和附加元件，这样使得外部电路简单很多。ABSTRACT目 录1示波器的整体介绍11.1 模拟示波管示波器的介绍41.2 数字示波器的介绍71.3 数字示波器与模拟示波器的优缺点72 硬件电路设计2521 单片机选型2722 程控放大电路2723 AD转换电路2724 两单片机之间的通讯电路2
4、725 单片机外部输入电路2726 液晶显示屏驱动电路2727 其它部分电路2728 原理图与PCB图273MCU软件设计2521 程序流程图2722 单片机程序源代码271 示波器的整体介绍11 示波器的工作原理 1.1.1 模拟示波管示波器的介绍模拟示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。 从下面的示波管结构图可以看出，只要控制X
5、轴偏转板和Y轴偏转板上的电压，就能控制示波管显示的图形形状。我们知道，一个电子信号是时间的函数f(t)，它随时间的变化而变化。因此，只要在示波管的X轴偏转板上加一个与时间变量成正比的电压，在y轴加上被测信号(经过比例放大或者缩小)，示波管屏幕上就会显示出被测信号随时间变化的图形。 1.1.2 数字示波器的介绍 数字示波器是一款用于显示被测量的瞬时值轨迹变化情况的仪器，它是带数据记录功能的示波器。它一般支持多级菜单，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，实现对波形的保存和处理。数字示波器首先对模拟信号进行高速采样获得相应的数字数据并存储。用数字信号处理技术对采样得到的数
6、字信号进行相关处理与运算，从而获得所需的各种信号参数(包括可能需要使用万用表测试的一些元器件电气参数)。根据得到的信号参数绘制信号波形， 并可对被测信号进行实时的、瞬态的分析，以方便用户了解信号质量，快速准确地进行故障的诊断。测量开始时，操作者可通过中文界面选定测量类型(波形测量、元件测量)、测量参数(频率/周期、有效值、电阻阻值、二极管通断等)及测量范围(可选自动设置，由仪器自动设置最佳范围) ；微处理器自动将测量设置解释到采样电路，并启动数据采集；采集完成后，由微处理器对采样数据按测量设置进行处理，提取所需要的测量参数，并将结果送显示部件。如果需要，用户可选择自动测试方式：微处理器在分析首
7、次采样得到的数据后会根据具体情况调整、修改测量设置，并重新采样。在经过几次这样的“采样-分析-调整-重采样”循环后，示波表即可完成即触即测功能，而无须人工调换量程，便于手持操作。 数字示波器采样一般都是采用8位的高速的AD转换器，相对于其他设备，其AD采集的精度的确非常低，不过对于一般用户来说，用来分辨电压变化波形还是足够的。不过数字示波器的AD芯片对AD转换速度要求非常高，这样才能显示出高频的信号的波形。1.3 数字示波器与模拟示波器的优缺点 近些年，随着数字电子技术的迅猛发展，数字示波器的性能也得到非常大的提高。在很多性能方面，数字示波器的优势是不言而喻的。数字示波器的优点：1、 体积小，
8、便于携带，方便现场测试。2、 数字示波器一般采用液晶屏作为显示器，功耗低，价格便宜。3、 具有自动测量功能，便于快速调节。4、 具有信号存储功能。5、 可以显示频率很低信号的波形，而模拟示波器只能看到一个点在移动，看不出完整波形情况。数字示波器虽然好用，但也有些其不尽人意的地方。由于数字示波器所显示的波形并非原始信号的波形，而是通过AD转换后产生的数字信号送给MCU，通过MCU强大的计算能力，在液晶屏上重新模拟出波形。所以从其基本原理上就可以看出，数字示波器的实时性是比较差的。相对于后起之秀数字示波器，传统模拟示波器的某些特点，是数字示波器所不具备的。模拟示波器优点：1、 垂直分辨率高，连续而
9、且无限级，数字示波器分辨率一般只有8为至10为。2、 数据更新，每秒捕捉几十万波形，数字示波器每秒捕捉几十个波形。3、 实时宽带和事实显示，连续波形与单次波形的带宽相同，数字示波器的带宽与取样率密切相关，取样率不高时需借助内插计算，容易出现混淆波形。 当然模拟示波器的缺点也是显而易见的，一般模拟示波器价格较贵，体积较大，且机内有用于电子加速的高压电，安全性差。2 硬件电路设计 对于示波器而言，硬件设计至关重要，它直接决定了示波器测量的精度，和最大采样速度。要想更好的还原出真实波形，示波器的数据处理量是比较大的，而且对处理速度也有很高的要求，所以该示波器采用“双核”结构，两片新型高速单片机协同工
10、作，MCU1用于AD转换，频率测量，MCU2用于数据处理，彩色液晶屏控制。按键、编码器等输入部分由两片单片机共同完成的，两片单片机通过对一片双端口RAM的读写，进行高速通讯。 目标信号从探头输入，进入程控放大（衰减）电路进行放大（衰减），放大（衰减）后的信号一路被送入高速AD转换器，进行AD转换，转换后的数据存入双端口RAM，并通知MCU2取数据；另一路直接送入MCU1的计数器引脚，进行频率测量，测量结果写入双端口RAM的特殊地址区。MCU2接到数据已更新的通知后，立马从双端口RAM中读出数据，经过数据处理后，在液晶屏上显示波形、频率和电压等信息。同时MCU1通过对两个旋转编码器的信号采集，从
11、而确定扫描周期和垂直灵敏度。系统框图如下：程控电路AD转换频率测量MCU1探头双端口RAMMCU2彩色液晶屏21 单片机选型2.1.1 STC12C5A60S2单片机简介STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S，即25万次/秒),针对电机控制，强干扰场合。1.增型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统80512.工作电压：STC12C5A60S2系列工作
12、电压：5.5V - 3.5V（5V单片机）STC12LE5A60S2 系列工作电压：3.6V - 2.2V（3V单片机）3.工作频率范围：035MHz，相当于普通8051的0420MHz4.用户应用程序空间 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字节5.片上集成1280字节RAM6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏。每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA7.ISP（在系统可
13、编程）/ IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数即可完成一片8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)9.看门狗10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）11.外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器5V单片机为1.33V，误差为5%,3.3V单片机为1.31V，误差为3%12.时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为5%到10%以内)用户在下载用户程序时可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时 钟常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz 17MHz 3.3V单片机为：8MHz 12MHz精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准13.共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器14.3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟,独立波特率
