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1、 本科毕业设计论文 题 目 简易数字示波器设计 系 别 电气与信息工程系 专 业 电子信息工程 班 级 电信 902 班 学号 09010043 学生姓名 祝斌锋 指导老师 金印彬 2013年6月摘要摘 要示波器是电子测量中一种最常用的仪器，被广泛应用于各个领域。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，示波器也从模拟示波器向数字示波器发展。同模拟示波器相比，数字示波器具有很多优点，并开始逐步取代模拟示波器，成为市场上的主流。本文主要完成了简易数字示波器的设计，包括硬件设计（通过Proteus仿真替代）和软件设计两大部分。 硬件设计上，信号波形采集采用的是12位逐次逼近型A/D转换器AD574A，
2、转换时间为25us，转换精度小于等于0.05%。控制器选用AT89C52及AT89C51两个单片机，解决了一般示波器使用一片单片机，运行速度明显不足的问题。波形显示部分采用液晶显示模块，具有简单易实现、显示效果好等优点。频率显示部分采用的是6位数码管显示，简单易行。Proteus仿真表明，该设计运算速度明显提高。频率显示准确，可以实现快速读取。该示波器可以实现对模拟带宽为1Hz20KHz的模拟信号的波形和频率的实时显示。关键词：单片机；实时采样；波形；频率IABSTRACTABSTRACTAn oscilloscope is electronic measurement instrument,
3、 the most commonly used widely applied in various fields. With microelectronics and computer technology rapid development from analogue oscilloscope, oscilloscope to digital oscilloscopes development. Compared with analogue oscilloscope,digital oscilloscopes start has many advantages, and gradually
4、replacing analogue oscilloscope, become the mainstream in the market.This paper has completed the design of simple digital oscilloscopes, including hardware design and software design. The hardware design, the signal waveform sampling by 12 successive approximation of the A/D converter AD574A conver
5、sion time, for time is less than or equal to 25us conversion, precision 0.05%. Controller chooses AT89C52 and single-chip microcomputer, solve the two AT89C51 single-chip microcomputer, a commonly used oscilloscope shortage problem running speed. Waveform display part adopts LCD module is simple and
6、 easy to realize and shows good effect, etc. Frequency display part adopts is six digital display, simple tube.Proteus simulation shows that the design speed increased significantly. Frequency display correctly, can achieve rapid read. The oscilloscope can realize to simulate 1Hz 20 KHz bandwidth re
7、al-time display of the waveform and frequency of the analog signalKey Words:SCM ; Real-time sampling; Waveform;Frequency目录目 录 1 前 言11.1选题的背景意义和研究现状11.1.1选题的背景和意义11.1.2国内外研究现状11.2 本设计所要实现的目标21.3 设计内容22 系统设计53 数字示波器的硬件设计与实现73.1 频率测量及显示电路的硬件设计73.1.1 测频电路总体构成73.1.2 信号调理电路设计73.1.3 数码管显示模块93.1.4 数码管显示驱动模块
8、103.2 幅度测量及显示模块的硬件设计103.2.1 显示电路总体结构173.2.2 单片机外围电路设计183.2.3 信号波形采集模块193.2.4 显示模块213.2.5 电源设计234 系统软件设计254.1 测频系统软件设计254.2 信号采集系统软件图274.3 波形显示系统软件设计285 调试及仿真316 结 论33致 谢35参考文献37附录一：系统总体接线图39附录二：频率测量子系统流程图40附录三：信号显示子系统流程图41附录四：频率测量系统程序清单42附录五：波形显示系统程序清单44V前言1 前 言1.1选题的背景意义和研究现状1.1.1选题的背景和意义1909年的诺贝尔物
9、理奖得主Karl Ferdinand Braun于1897年发明世界上第一台阴极射线管示波器，至今许多德国人仍称CRT为布朗管(Braun Tube)。 根据IEEE的文献记载1972年英国的Nicolet公司发明了第一台的数字示波器(DSO)，到1996年惠普科技(安捷伦科技前身)发明了全球第一台混合信号示波器(MSO)，数字示波器自上个世纪七十年代诞生以来，其应用越来越广泛，已成为测试工程师必备的工具之一。时间到了21世纪这是一个科学和技术都在飞速发展的时代，随着电子技术、计算机技术、通信技术和自动化技术的高速发展,电子测量仪器也有了巨大的发展。数字示波器就以其存储波形及多种信号分析、计算
10、、处理等优良的性能从而逐步取代模拟示波器。用数字示波器能完成对信号的一次性采集，把波形存储起来，还可以通过移位操作观察波形的任何一部分等等。数字示波器是随着数字集成电路技术的发展而出现的新型智能化示波器，己经成为电子测量领域的基础测试仪器。随着新技术、新器件的发展，它正在向宽带化、模块化、多功能和网络化的方向发展。数字示波器的优势是可以实现高带宽及强大的分析功能。现在高端数字示波器的实时带宽已达到20GHz，可以广泛应用于各种千兆以太网、光通讯等测试领域。而低端数字示波器几乎可以应用于国民经济各个领域的通用测试，同时可广泛应用于高校及职业学校的教学，为社会培养众多的后备人才。数字示波器的技术基
11、础是数据采集，其设计技术可以应用于更广泛的数据采集产品中，具有深远的意义。为了巩固大学4年来所学的知识，将课本上的理论知识运用到实际中，而且能掌握和了解本专业的仪器测量这块的先进发展趋势，我选择了简易数字示波器这个题目作为我的大学毕业设计题目。1.1.2国内外研究现状自从1972年世界上第一台数字示波器（DSO）问世以来，经历了三个发展阶段。1986年以前为DSO发展的初期阶段，当时的取样率较低，一般不超过50MSa/s，带宽在20MHz以下，结构形式以数字存储加传统模拟示波器二合一的组合式为主，功能少，性能低。主要代表性产品有美国哥德(Gould)公司生产的4035，HP公司生产的HP542
12、00。1986年-1994年，伴随高速ADC和高速RAM的迅速发展，DSO的发展也进入了快车道，取样率达到了4GSa/s，记录长度超过32K。每年各示波器生产厂商都推出新的型号，技术上开始走向成熟。1989年，HP公司率先停止了模拟示波器的生产，专心培育数字示波器市场。到1993年，DSO的销售额就超过了传统模拟示波器，使持续将近半个世纪的模拟示波器市场发生动摇。1995年以后，DSO在技术上己经成熟，带宽在100MHz以上，DSO已经完全取代了模拟示波器。2004年10月，AGILENT公司推出了具震撼性的DS081304A数字示波器，带宽3GHz，上升时间23ps，最高采样率40GHz。这
13、时，除了继续提高取样率(最高达40GSa/s)、带宽(达20GHz)和增加记录长度(达16MB)外，DSO制造商开始向100MHz以下带宽的通用DSO方向发展，并且性价比迅速提高。1996年AGILENT公司面向通用DSO市场推出了100MHz带宽的数字示波器54645A及首款混合信号示波器54645D。AGILENT公司在后续推出的54620/40A/D系列混合信号示波器中提供了强大的串行触发能力，包括SPI、USB、IZE、LIN、和EAN等。通用DSO的单台价格己接近同档次的模拟示波器水平。目前，100MHz以下的DSO，将与模拟示波器同时并存发展。虽然模拟示波器本身也在不断的数字化，增
14、加数字显示和光标测量的功能。但是，模拟示波器无法具备DSO所特有的预触发、存储和数据处理等测量功能。可以预计，通用DSO全面取代模拟示波器的日子不会很远了。目前，100MHz数字示波器的代表性产品，国外的主要有Agilent公司的5000系列，Tektronix公司的TDSl000、TDS2000系列。国内DSO的研制工作起步较晚，第一台DSO于1993年在电子部41研究所研制成功，但是起步水平较高，最先推出的是取样率为40MSa/s，带宽分别为750MHz和800MHz的两个型号产品。到96年就把带宽提高到了1GHz。98年把取样率提高到1GSa/s。研制中的100MHz带宽的深存储型DSO
15、已经取得了阶段性成果。目前主要的生产厂家是美国安捷伦公司、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研究所和北京普源精电公司等。1.2 本设计所要实现的目标本文设计的目的主要是利用A/D转换模块、控制器（本文中采用单片机）、液晶显示模块等配合外围电路实现对输入量的波形和频率显示。用户只需要把待测信号输入转换器，不用其他的操作，示波器自动在显示器上显示波形和频率1.3 设计内容在本设计中，硬件设计分为两个部分波形显示电路和频率显示电路，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，利用数码管显示频率
