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1、 存储示波器设计报告摘要：引言：任务：设计并制作一台存储示波器基本要求：1、单次触发存储示波器。2、输入阻抗大于 100K，垂直分辨率 32 级/DIV。3、要求设计 02S/DIV，02MS/DIV 两档扫速，仪器频率范围 DC50KHZ。4、要求设置 01V/DIV，1V/DIV 两档灵敏度。5、采用内触发方式，要求用上升沿，触发方式可调。发挥部分：1、增加连续触发存储方式。2、增加双综示波器功能。3、增加水平移位扩展功能。4、垂直灵敏度增加 001V/DIV。一、方案比较与论证 1、采样方式的确定在信号存储之前，我们必须对被采样信号进行采样量化，对信号采集开始，由 控制中心发出控制信号，
2、指令前向通道的采样方式，因此我们需要确定在前向 通道中对输入信号的采样方式。 方案一：实时采样。在信号存在期间对其采样，根据采样定理可知采样信号 频率必须高于最高分量的 2 倍。 方案二：非实时采样即等效时间采样。这是对周期信号的一种采样方式，它可 以分为顺序采样和随机采样，顺序采样是对每个周期仅采样一点，经过若干个 周期后就可以对信号的各个部分采样一次，借助步进延迟的方法使这些点均匀 的分布在信号波形的不同位置，用此法可是信号还原。 比较以上两种方式等效时间采样方式虽然可以对很高频率的信号进行采样，但 是步进延时的采样技术是较难实现的，再者赛题要求单次信号测量，非实时采 样是无法使波形还原的
3、，其次赛题要求测量的最高频率是 50KHZ，现在使用的 A/D 速度是无法实现一个周期信号采样 20 个样点的，因此选用实时采样方式。2、控制器件的选择在确定好实时采样方式下方案一：用超大规模集成电路实现，选用可编程器件 CPLD 为控制器。方案二：用单片机（MCS-51 系列芯片 8 位机）来实现。方案三：用单片机和可编程器件 CPLD 共同实现。比较以上的三种方案：方案一可编程器件工作速度快，为 us 量级，可以满足对赛题中要求的最高采样 速度，但是硬件量大，设计复杂并且难度大，在有限的时间里，可能不能按期 完成设计任务。方案二：单片机的工作速度取决于其机器周期，我们利用的是 12MHZ
4、的精准，单片机时钟周期为 1us，不能够胜任 1MHZ 的采样速度，因为 完成一个样点的采集不只是一条指令，更不是一个机器周期内完成。方案三： 在单片机的管理下，对复杂的可编程逻辑器件 CPLD 及整个系统进行管理，搭 建合理的外围电路，实现人机界面操作，从键盘输入选择采样频率，选择信号 条理电路的增益、衰减，将存储的数字信号进行数据处理并且完成信号的模拟 转化进行显示等等。 ，我们选择方案三，即用 MCS-51 芯片 CPLD 实现两成控制 作用，CPLD 进行低层控制，有单片机组成最小系统进行顶层控制及相关的数 据处理。 整体方案可由下面框图一给出：二、单元模块电路的设计（一） 信号调理电
5、路的设计 如下图四部分组成1、跟随器示波器要求输入阻抗为 100K 以上，我们在信号通道前端采用了跟随器，选 用运放 NE5534，在正相输入端接上电阻 R11=560K，根据运放输入阻抗高，虚 短 、虚断的特性就可以实现输入阻抗大于 100K 的设计要求。2、低通滤波器 滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，在被测信号较低时，其中包 含一些较高频率成分，通过滤波器减小高频成分的干扰。采用二阶压控型 LPF 滤波器上限频率计算公式 ： Fc=1/(2pi*RC)=50K 所以可以计算出 R31 和 R32 的值,制作中用了两个 100K 的可调精密来满足 滤波需要,通过滤波后,信号增益两倍,
6、A=1+R33/R34=2 因此 R33=R34=1K硬件调试时,输入信号频率大于 50K 后,衰减为原来锝 0.707,达到设计要求。3、程控增益电路（1）电路原理分析采用反向运放电路，分为三个通道对前向输入信号进行调理，末端接到模 拟开关，由控制器件输出信号，实现程控选择增益通道，实现对前向输入的控 制。 （2）电路增益计算 如果忽略程控开关电阻的影响，程控增益电路的增益值可由公式A=RX/R49 来计算个通道相应的电阻 各通道的增益电阻计算如下： 通道一 增益 A=025 RX1=A*R49=025*20K=5K R41=2K R44=3K（可调）通道二 增益 A=3 RX2=A*R49
7、=3*20K=60K R42=10K R45=50K（可调）通道三 增益 A=30 RX3=A*R49=30*20K=600K R43=470K R46=130K（可调）各通道接上精密可调电阻可以减小电路电阻上的损耗，同时对模拟信号的 放大更加精确。 双踪信号的另一个输入前向通道的信号调理电路工作原理相同。当双踪信 号同时输入时，程控方式有些不同，在后面将会继续分析。 4、电平移位处理电路被测信号可以是双极限的。即模拟信号可以为正也可以为负极限，而 A/D 转化需要的是单极限的模拟信号， 经过增益通道出来的模拟信号都与原信号相 位相反，在进行 A/D 转化之前还要将其进行电平移位处理，使 A/
8、D 前端的电压 在 05V 内，即保证输入的模拟信号可以被转化为相应的数字量。这样就完成 了信号的前向处理。（二） 、A/D 、D/A 的选取1、A/D 的选择对输入通道的模拟信号采样和量化是由 A/D 转化器来完成的，赛题要求水平扫描速度范围是 20US/DIVO.2S/DIV，并且 20 点/DIV，可知采样范围是 1US/点1MS/点，要求 A/D 的最高转化速率高于 1MHZ，现在市场上这样高速转 化 A/D 还未出现，我们电路采用高速 CPLD 器件共同实现高频率段的采样任务， 根据量化级数的要求 32 级/DIV，因此 Y 通道的量化级数为： 32 级/DIV*8DIV=256 级
9、 我们可以选择 ADC0809 就可以实现量化级数的要求，在设计中选择 ADC0809 来 完成采样量化的任务。2、D/A 的选择 在信号采样存储结束后，还必须具备数摸转化和相应的输出电路，将存储的 信号数据从 RAM 中取出来，送到 DAC0832 中进行数摸转化，采样信号是 8BIT 的， 所以送 DAC 时也是 8BIT 的数据，选择 8 位 D/A 转化器就可以，我们选用 DAC0832 来实现数摸信号的转化。（三）人机界面的实现设计总框图中，由外围键盘及显示器共同实现对程序的操作，完成示波器的 相应功能，实现人机界面的操作。 （1） 、键盘选用 4*4 的矩正键盘，电路图如下：键盘编
10、码从 000F，共 16 个键码，本设计使用了 4 个键码。相应键码的功能 如下图所示：键 00 扫描速度 4MS/DIV键 01 扫描速度 02S/DIV键 02 水平档位 001V/DIV键 03 水平档位 01V/DIV键 04 水平档位 1V/DIV键 05 水平右移键 06 水平左移键 07 单踪键 08 双踪键 09 单次触发键 10 连续触发键 11 A/D 转化开关键 12 触发电平增调键 13 触发电平减调待扩展待扩展在程序执行过程中只要有相应的键值按下时，示波器就会完成相应的功能， 并且会在显示上显示数码提示功能程序的执行和示波器选择的工作状态。（2）显示器选用七段译码管显
11、示相应数码提示示波器在执行的相应功能。电路如下所 示：数码显示与执行状态、示波器功能对应关系如下表所示：（四） 、程序流程图（1） 、主程序流图数码管 1数码管 2数码管 3数码管 4数码管 5数码管 6ADC 采样键码未作用 采样控制 键码作用 标志位置零 标志位置一 各功能的选择会有相应的标志位改变 开始 程序初始化 键盘扫描 启动ADC0809 单踪? 功能程 序选择 移位功能 触发方式 选择 垂直档位 选择 水平档位 选择 示波器显示 信号测量 任务结束 （2）采样中断处理程序是 连续触发 单次触发 采样开始 读取 A/D 转化数值 32K RAM 再次启动 ADC0809 采样 200 点 触发方式 结束 DAC200 点转化完 毕 （3） 、数摸转化程序流图否 是 是 否 是 DAC 转化 程序开始 外部 RAM 取数据 送DAC转化 输出 200 点是否 转化完毕? 结束 单触发方式 200 点数据是 否采集完毕 （4） 、触发电平的程序处理覆盖前一点 否 是 是 否 否 是 采样开始 采点存储 RAM 后一点前一点 RAM 地 址加一 是否采样 200 点 结束 触发方式 200点 送显完
