20組-簡易數(shù)字存儲示波器

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1、簡易的數(shù)字存儲示波器20組:張賢譚書偉鄧曉平輔導老師:黃根春摘要：本系統(tǒng)基于數(shù)字存儲示波器的原理，采用89C51單片機和可編程邏輯器件（CPLD）為控制核心，由前期信號處理、觸發(fā)、采集存儲、數(shù)據(jù)處理、后期信號處理、波形顯示和操作界面等功能模塊組成。利用CPLD實現(xiàn)大部分的控制邏輯，單片機提供友好的人機界面并協(xié)助CPLD對信號進行一些處理，兩者通過總線連接。整個系統(tǒng)模塊化程度高，接口明確，易于擴展，可靠信高。關鍵詞：示波器單片機現(xiàn)場可編程邏輯器件隨機存儲器Abstract:OscillographMCUFPGARAM目錄1.方

2、案設計與論證31.1設計要求分析31.2方案比較論證與選擇31.2.1運算與控制核心41.2.2程控放大實現(xiàn)方案41.2.3采樣方式41.2.4頻率測量51.2.5觸發(fā)方式選擇51.2.6雙蹤顯示實現(xiàn)方案選擇51.2.7存儲方案選擇61.3系統(tǒng)實現(xiàn)框圖62.理論分析與計算62.1模數(shù)轉換器件位寬的確定62.2存儲器容量72.3行掃描速率73.具體電路的設計與實現(xiàn)73.1前級信號處理電路73.2觸發(fā)信號產生電路83.3采樣電路83.4波形顯示電路93.5水平/垂直位移實現(xiàn)電路94.軟件設計104.1單片機部分104.2FPGA

3、部分105.系統(tǒng)測試與分析105.1測試儀器105.2測試條件105.3測試方法和結果10【參考文獻】131.方案設計與論證1.1設計要求分析本題要求設計并制作一臺用普通示波器顯示被測波形的簡易數(shù)字存儲示波器，示意圖如下：a.要求儀器具有單次觸發(fā)存儲顯示方式，即每按動一次“單次觸發(fā)”鍵，儀器在滿足觸發(fā)條件時，能對被測周期信號或單次非周期信號進行一次采集與存儲，然后連續(xù)顯示；擴展要求增加連續(xù)觸發(fā)存儲顯示方式，在這種方式下，儀器能連續(xù)對信號進行采集、存儲并實時顯示，且具有鎖存（按“鎖存”鍵即可存儲當前波形）功能?！　.要求儀器

4、的輸入阻抗大于100kΩ，垂直分辨率為32級/div，水平分辨率為20點/div。（示波器顯示屏水平刻度為10div，垂直刻度為8div。）　　c.要求設置0.2s/div、0.2ms/div、20μs/div三檔掃描速度，儀器的頻率范圍為DC～50kHz，誤差≤5%?！　.要求設置0.1V/div、1V/div二檔垂直靈敏度，誤差≤5%,擴展部分要求垂直靈敏度增加0.01V/div檔，以提高儀器的垂直靈敏度，并盡力減小輸入短路時的輸出噪聲電壓。e.儀器的觸發(fā)電路采用內觸發(fā)方式，要求上升沿觸發(fā)、觸發(fā)電平可調?！.觀測波形

5、無明顯失真。擴展要求增加雙蹤示波功能，能同時顯示兩路被測信號波形；增加水平移動擴展顯示功能，存儲深度增加一倍，并且能通過操作“移動”鍵顯示被存儲信號波形的任一部分。從要求上看，本設計屬于典型的模-數(shù)混合系統(tǒng)。其難點在于取樣速率的提高、觸發(fā)方式的控制與系統(tǒng)噪聲的抑制。在設計中可將設計任務分解為前向信號處理、觸發(fā)信號產生、采集存儲、數(shù)據(jù)處理、后向信號處理、波形顯示和操作界面等功能模塊。1.2方案比較論證與選擇1.2.1運算與控制核心方案一：用單片機實現(xiàn)所有控制功能。單片機除了完成基本處理分析外，還需要完成信號的采集，數(shù)據(jù)處理，波

6、形顯示等功能。這種方案系統(tǒng)規(guī)模小，有一定的靈活性，但是單片機處理速度達不到對信號進行高速采樣要求。方案二：采用獨立的FPGA作為系統(tǒng)運算與控制核心。利用FPGA豐富的邏輯資源和處理速度上的優(yōu)勢將系統(tǒng)所有的控制與運算任務交由FPGA完成。這種方案能夠實現(xiàn)對系統(tǒng)的精確控制，并且可以達到很高的集成度；但系統(tǒng)內部數(shù)據(jù)不易觀察，調試難度較高。方案三：采用FPGA與單片機結合的方式實現(xiàn)。由單片機對信號進行一些簡單的控制處理。由FPGA完成觸發(fā)、采集存儲、數(shù)據(jù)處理及波形顯示等功能邏輯控制。這種方案兼顧了前兩個方案的特點，能較好的滿足題目要

7、求。綜合比較以上各方案，我們采用方案三。1.2.2程控放大實現(xiàn)方案方案一：由增益可編程放大器（PGA）實現(xiàn)。此類集成芯片可通過改變其控制端的邏輯電平得到不同的增益，控制簡單方便、精確度高并且?guī)捄艽?，可以處理高頻信號。但是通過PGA得到的增益為定值且擋數(shù)有限，靈活性較差、成本太高。方案二：由普通寬帶運放LF356、模擬開關CD4051配合精密電位器實現(xiàn)。單片機控制CD4051選通不同通道的接入電阻值，從而得到不同的增益,實現(xiàn)從0.01V/div到1V/div的多擋的垂直分辨率。這種方案易于擴展調試，高頻信號失真小，控制簡單。

8、綜上所述，我們采用方案二。1.2.3采樣方式方案一：等效時間采樣。采用中高速模數(shù)轉換器，對于頻率較高的周期性信號采用等效時間采樣的方法，即對每個周期僅采樣一個點，經過若干個周期后就可對信號各個部分采樣一遍。而這些點可以借助步進延遲方法均勻地分布于信號波形的不同位置。其中步進延遲是每一次采樣