數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)-通信工程專業(yè)畢業(yè)論文

1、<p>　　分類號(hào) 密級(jí) </p><p>　　U D C 編號(hào) </p><p>　　本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）</p><p>　　題 目：數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)</p><

2、p>　　院 （系）：電子信息工程學(xué)院</p><p>　　專 業(yè)：通信工程</p><p><b>　　年 級(jí)：</b></p><p><b>　　學(xué)生姓名：</b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào)：</b></p><p>

3、;<b>　　指導(dǎo)教師：</b></p><p>　　二O一五 年 五 月</p><p><b>　　漢口學(xué)院</b></p><p><b>　　學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的研究成果

4、。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。</p><p>　　學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日</p><p>　　學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書</p><p>　　本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校

5、保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。</p><p><b>　　本學(xué)位論文屬于</b></p><p>　　1、保密 □ ，在_____年解密后適用本授權(quán)書。</p>

6、;<p><b>　　2、不保密 □。</b></p><p>　?。ㄕ?qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√”）</p><p>　　學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日</p><p>　　導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日</p

7、><p>　　摘要：示波器是電子測(cè)量中一種最常用的儀器，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，示波器也從模擬示波器向數(shù)字示波器發(fā)展?；赑C的數(shù)字存儲(chǔ)示波器，是一種低成本的數(shù)字示波器，并且具有體積小，攜帶方便，靈活易用等優(yōu)點(diǎn)，特別適合對(duì)移動(dòng)性有一定需求的工程測(cè)量應(yīng)用。本文主要設(shè)計(jì)一臺(tái)低成本的基于PC的數(shù)字存儲(chǔ)示波器的硬件和軟件部分，其具有雙通道模擬信號(hào)輸入和16位邏輯分析儀功能，采樣速率40MH

8、z，等效采樣率達(dá)60MHz，模擬帶寬為400MHz，存儲(chǔ)深度為3Mbits，記錄時(shí)間可達(dá)8毫秒，模數(shù)轉(zhuǎn)換分辨率為8位。整個(gè)系統(tǒng)在保證實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，盡量?jī)?yōu)化硬件和軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)具體的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)字示波器 硬件 軟件 采樣速率 模數(shù)轉(zhuǎn)換</p><p>　　Abstract：Digital oscilloscope is a ki

9、nd of most in common use measure instrument in electronic measurement, and it is widely used in various fields. With the rapid development of the electronic technology and computer science，oscilloscope is developing from

10、 analog oscilloscope to digital oscilloscope. PC-based digital storage oscilloscope is low-cost, small-sized and easier to take along．These features meet the need for out-door working．In this paper the hardware and softw

11、are of the low-cost PC-</p><p>　　Key words：Digital storage oscilloscope Hardware Software Sample rate ADC </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 緒論- 1 -</p><p&

12、gt;　　1.1示波器的發(fā)展與分類- 1 -</p><p>　　1.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器概述- 2 -</p><p>　　1.3數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理與特點(diǎn)- 2 -</p><p>　　1.4數(shù)字存儲(chǔ)示波器的發(fā)展現(xiàn)狀- 4 -</p><p>　　2 數(shù)字示存儲(chǔ)示波器的工作原理- 5 -</p><p>　　

13、2.1數(shù)字存儲(chǔ)示波器的基本原理與組成- 5 -</p><p>　　2.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器的特點(diǎn)- 6 -</p><p>　　2.3數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要參數(shù)- 7 -</p><p>　　2.3.1 帶寬- 7 -</p><p>　　2.3.2 采樣速率- 7 -</p><p>　　2.3.3 存儲(chǔ)深度

14、- 8 -</p><p>　　3 數(shù)字示存儲(chǔ)示波器的總體設(shè)計(jì)- 9 -</p><p>　　3.1系統(tǒng)方案- 9 -</p><p>　　3.2主要器件的選擇- 10 -</p><p>　　3.2.1 核心控制——AT89C52- 11 -</p><p>　　3.2.2邏輯控制——ALTERA EPM24

15、0- 11 -</p><p>　　3.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器——AD9238- 12 -</p><p>　　3.2.4 存儲(chǔ)器——AL422B- 13 -</p><p>　　3.3 DSO與PC機(jī)接口- 14 -</p><p>　　4 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的硬件設(shè)計(jì)- 18 -</p><p>　　4.1信號(hào)

16、前向調(diào)整模塊的設(shè)計(jì)- 18 -</p><p>　　4.2高速數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)- 19 -</p><p>　　4.3波形顯示電路的設(shè)計(jì)- 20 -</p><p>　　4.4觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)- 22 -</p><p>　　4.5雙蹤示波電路的設(shè)計(jì)- 22 -</p><p>　　4.6最小系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)

17、- 23 -</p><p>　　4.7字符顯示模塊的設(shè)計(jì)- 23 -</p><p>　　5 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的軟件設(shè)計(jì)- 24 -</p><p>　　5.1 DSO控制軟件總體結(jié)構(gòu)- 24 -</p><p>　　5.2 DSO控制軟件組成- 26 -</p><p>　　6 總結(jié)與展望- 29 -<

18、;/p><p>　　參考文獻(xiàn)- 31 -</p><p>　　致 謝- 32 -</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　示波器在當(dāng)今儀器中是最通用的電子儀器，示波器可觀察相對(duì)于時(shí)間的瞬時(shí)電壓，它可顯示波形的形狀并可測(cè)量頻率和相位等參數(shù)。示波器是利用電子示波管的特性，將人眼無(wú)法直接觀測(cè)的交變電

19、信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像，顯示在熒光屏上以便測(cè)量的電子測(cè)量?jī)x器。由于其多樣性，被廣泛地應(yīng)用于廣闊的電子和電氣測(cè)量領(lǐng)域。在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中，需要使用若干儀器、儀表觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果。常用的電子測(cè)量?jī)x器有萬(wàn)用表、邏輯筆、普通示波器、存儲(chǔ)示波器、邏輯分析儀等。示波器是一種使用非常廣泛，且使用相對(duì)復(fù)雜的儀器。它是觀察數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題、測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果必不可少的重要儀器。</p><p>　　1.1示波器的發(fā)展與分類&l

20、t;/p><p>　　100多年前，斯特拉斯堡大學(xué)的物理學(xué)教授卡爾·費(fèi)丁南德·布勞恩發(fā)明了世界上第一個(gè)陰極射線管示波器。布勞恩絕沒(méi)有想到他發(fā)明的裝置在100年以后經(jīng)過(guò)不但演化，成為大眾娛樂(lè)工具——電視，而且還成為電子工業(yè)和科研實(shí)驗(yàn)室中的一種必備儀器。示波器發(fā)展歷史的下一個(gè)里程碑是Nicolet公司在1972年首創(chuàng)了數(shù)字示波器(DSO)，而惠普公司在1984年真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)字示波器的商業(yè)化和技術(shù)改進(jìn)[

21、1]。</p><p>　　示波器是一種測(cè)量電壓波形的電子儀器，它可以把被測(cè)電壓信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律，用圖形顯示出來(lái)。使用示波器不僅可以直觀而形象地觀察被測(cè)物理量的變化全貌，而且可以通過(guò)它顯示的波形，測(cè)量電壓和電流，進(jìn)行頻率和相位的比較，以及描繪特性曲線等。</p><p>　　示波器的分類從功能上分有數(shù)字示波器和模擬示波器，從使用頻率上分有通用示波器、超低頻示波器、和超高頻示波器，從工作

22、原理上講還有一種采樣示波器。商品化的示波器有數(shù)字示波器、手持示波器、虛擬示波器、模擬示波器、混合示波器五種。</p><p>　　模擬示波器是指能將模擬信號(hào)通過(guò)陰極射線管掃描轉(zhuǎn)換，把被測(cè)電壓信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律用圖形顯示出來(lái)的電子測(cè)量?jī)x器。數(shù)字示波器是指能將模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化及其他后置處理以后再重建波形的電子測(cè)量?jī)x器?；旌鲜静ㄆ魇且环N把模擬示波器和數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)兩者的能力和優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起的示波器。當(dāng)組合

23、示波器被設(shè)置成DSO時(shí)，用戶可以用它來(lái)進(jìn)行自動(dòng)參數(shù)，測(cè)量，存貯采集的波形進(jìn)而制作硬件拷貝；同時(shí)，在需要的時(shí)候還能具有模擬示波器的無(wú)限分辨率以及熟悉而可信的波形顯示，并且使用組合示波器時(shí)，不管信號(hào)重復(fù)速率的高低，都可獲得最亮的顯示。</p><p>　　1.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器概述</p><p>　　示波器是現(xiàn)代電子測(cè)量中最常用的儀器，它是一種可以用來(lái)觀察、測(cè)量、記錄各種瞬時(shí)電壓，并以波形方式

24、顯示其與時(shí)間關(guān)系的電子儀器。這一簡(jiǎn)單的波形能夠說(shuō)明信號(hào)的許多特性：信號(hào)的時(shí)間和電壓值、振蕩信號(hào)的頻率、信號(hào)所代表電路中“變化部分”信號(hào)的特定部分相對(duì)于其它部分的發(fā)生頻率、是否存在故障部件使信號(hào)產(chǎn)生失真、信號(hào)的直流成份和交流成份、信號(hào)的噪聲值和噪聲隨時(shí)間變化的情況、比較多個(gè)波形信號(hào)等。示波器的直觀顯示效果有助于對(duì)被測(cè)對(duì)象的深入理解。典型的示波器產(chǎn)生一個(gè)二維的波形，輸入端接收電壓信號(hào)顯示在Y軸方向上，而時(shí)間參數(shù)則顯示在x軸方向上。傳統(tǒng)的示波

25、器是模擬的，用CRT作為顯示器件。在電子槍內(nèi)形成電子束，經(jīng)過(guò)加速、聚焦，然后打在熒屏上，使受撞點(diǎn)發(fā)出可見(jiàn)光。</p><p>　　模擬示波器對(duì)于非周期性的單次瞬變信號(hào)的觀測(cè)是非常困難的，有時(shí)甚至是不可能的。為了將各種信號(hào)無(wú)失真地顯示并存儲(chǔ)，就必須采用數(shù)字技術(shù)。數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO——Digital Storage Oscilloscope)是隨著模—數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的發(fā)展而趨于實(shí)用化的示波器。ADC把輸入示波

26、器的瞬時(shí)值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)數(shù)字值，并保存在數(shù)字示波器中。采集完成后，從數(shù)字示波器中取出這一系列數(shù)字，經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后再現(xiàn)電壓對(duì)時(shí)間的波形。由于數(shù)字存儲(chǔ)示波器與計(jì)算機(jī)技術(shù)的緊密結(jié)合，使其發(fā)展非常迅速。目前以成為示波器市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，并逐漸地完全取代模擬示波器。</p><p>　　1.3數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理與特點(diǎn)</p><p>　　數(shù)字存儲(chǔ)示波器將輸入模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號(hào)，儲(chǔ)存在

27、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器RAM中，需要時(shí)將RAM中存儲(chǔ)的內(nèi)容讀出顯示在LCD，或通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號(hào)變換成模擬波形顯示在示波管上。數(shù)字存儲(chǔ)示波器框圖如圖l所示。數(shù)字存儲(chǔ)示波器既適用于重復(fù)信號(hào)的檢測(cè)，也適用于單次瞬態(tài)信號(hào)的測(cè)量。數(shù)字存儲(chǔ)示波器可以采用實(shí)時(shí)采樣，每隔一個(gè)采樣周期采樣一次，可以觀察非周期信號(hào)。</p><p>　　數(shù)字示波器的采樣方式包括實(shí)時(shí)采樣和等效采樣(非實(shí)時(shí)采樣)。等效采樣又可以分為隨機(jī)采樣和順序采樣，

28、等效采樣方式大多用于測(cè)量周期信號(hào)。</p><p>　　(1)實(shí)時(shí)采樣對(duì)每個(gè)采集周期的采樣點(diǎn)按時(shí)間順序進(jìn)行簡(jiǎn)單的排列就能表達(dá)一個(gè)波形。這種示波器測(cè)量的重復(fù)信號(hào)和測(cè)量的單次信號(hào)具有相同的帶寬，也稱實(shí)時(shí)帶寬(Real-Time Band Wide)。</p><p>　　(2)隨機(jī)采樣是指每個(gè)采集周期采集一定數(shù)量的點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多個(gè)采集周期的樣點(diǎn)積累。最終恢復(fù)出被測(cè)波形。信號(hào)與采樣周期時(shí)鐘之間是非同

29、步的，使得每個(gè)采樣周期的觸發(fā)點(diǎn)與下一個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔是隨機(jī)的。因?yàn)樾盘?hào)是周期的，可以將每個(gè)采樣周期的采樣等效為對(duì)由觸發(fā)點(diǎn)確定的“同一段波形”的采樣，從而恢復(fù)出波形。每個(gè)采樣周期觸發(fā)點(diǎn)與下一個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間由觸發(fā)精密內(nèi)插器測(cè)量。恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)內(nèi)插器，能夠大大提高示波器的時(shí)間分辨率。</p><p>　　(3)順序采樣方式主要用于數(shù)字取樣示波器中，能以極低的采樣速率獲得極高的帶寬。這種示波器每個(gè)采樣周期在波形上只

30、取一個(gè)樣點(diǎn)．想采集足夠多的樣點(diǎn)，需要更長(zhǎng)的時(shí)間。不能進(jìn)行單次捕捉和預(yù)觸發(fā)觀察也是它的缺點(diǎn)。</p><p>　　數(shù)字存儲(chǔ)示波器與傳統(tǒng)的模擬示波器相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：</p><p>　　(1)多通道單次信號(hào)捕獲：數(shù)字存儲(chǔ)示波器能夠同時(shí)在多個(gè)通道上捕捉像電源開(kāi)、關(guān)或故障發(fā)生這樣的單次瞬態(tài)事件。</p><p>　　(2)波形處理：由于數(shù)字存儲(chǔ)示波器內(nèi)部使用微

31、處理器．它能夠在所獲得的波形上完成幅度和時(shí)間參數(shù)以及波形運(yùn)算等功能，加上選件能夠完成更復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，如積分、倒數(shù)、指數(shù)、對(duì)數(shù)、平均、數(shù)字濾波、極值、FFT等。</p><p>　　(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：數(shù)字存儲(chǔ)示波器可帶有非易失的波形存儲(chǔ)器，它們能夠提供與數(shù)字存儲(chǔ)示波器兼容的存儲(chǔ)卡或硬盤等。示波器也能夠容易地與許多繪圖儀器和打印機(jī)相連來(lái)進(jìn)行高質(zhì)量的拷貝。</p><p>　　(4)更多的觸發(fā)功

32、能：數(shù)字存儲(chǔ)示波器能夠提供許多模擬示波器所沒(méi)有的觸發(fā)能力。如：當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，它能夠觸發(fā)并且能夠觀察引起故障觸發(fā)前的過(guò)程。</p><p>　　(5)自動(dòng)測(cè)試：數(shù)字存儲(chǔ)示波器能夠提供自動(dòng)測(cè)試功能，簡(jiǎn)化了使用者的操作，使儀器具有智能化。</p><p>　　1.4數(shù)字存儲(chǔ)示波器的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　從目前情況來(lái)看，國(guó)外三太公司泰克、安捷倫、力科生產(chǎn)的示波器仍然

33、是市場(chǎng)上的主流。美國(guó)泰克公司的示波器一直處于領(lǐng)先地位，被世界公認(rèn)為示波器的權(quán)威。泰克公司推出的示波器具有獨(dú)特的保證高信號(hào)保真度的獲取結(jié)構(gòu)，能夠利用先進(jìn)的觸發(fā)系統(tǒng)，提供快速瞬態(tài)信號(hào)的多通道獲取，顯示和所有測(cè)量的有效修正，先進(jìn)的波長(zhǎng)處理等能力。力科公司在示波器方面排行第三，它也推出了各種信號(hào)的示波器，并具有其獨(dú)特的特點(diǎn)：能夠自動(dòng)測(cè)試32種參數(shù)。其示波器的另一個(gè)特點(diǎn)是存儲(chǔ)長(zhǎng)度長(zhǎng)，長(zhǎng)存儲(chǔ)提供高的分辨率，LeCory獨(dú)有的存儲(chǔ)管理系統(tǒng)，配合其先進(jìn)

34、的峰值檢測(cè)電路，使得整個(gè)波形在單一屏幕顯示，即可即時(shí)找山毛刺及干擾的所在，確保任何掃描速度動(dòng)作，都能夠保持較高的采樣速率。</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器，由于受到高速取樣技術(shù)的限制，大都采用重復(fù)取樣技術(shù)。</p><p>　　數(shù)字存儲(chǔ)示波器新產(chǎn)晶將繼續(xù)向數(shù)字化、智能化、寬帶化、集成化、多功能化、高精度方向發(fā)展。</p><p>　　2 數(shù)字示存儲(chǔ)

35、示波器的工作原理</p><p>　　2.1數(shù)字存儲(chǔ)示波器的基本原理與組成</p><p>　　數(shù)字存儲(chǔ)就是在示波器中以數(shù)字編碼的形式來(lái)貯存信號(hào)。當(dāng)信號(hào)進(jìn)入數(shù)字存儲(chǔ)示波器之后，在信號(hào)到達(dá)CRT的偏轉(zhuǎn)電路之前，示波器將按一定的時(shí)間間隔對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行采樣。然后用一個(gè)模/數(shù)變換器(ADC)對(duì)這些瞬時(shí)值或采樣值進(jìn)行變換從而生成代表每一個(gè)采樣電壓的二進(jìn)制字。這個(gè)過(guò)程稱為數(shù)字化。</p>

36、<p>　　獲得的二進(jìn)制數(shù)值貯存在存儲(chǔ)器中。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣的速度稱為采樣速率。采樣速率由采樣時(shí)鐘控制。對(duì)于一般使用情況來(lái)說(shuō)，采樣速率的范圍從每秒20MS/s(20兆次)到200MS/s。</p><p>　　存儲(chǔ)器中貯存的數(shù)據(jù)用來(lái)在示波器的屏幕上重建信號(hào)波形。所以，在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中的輸入信號(hào)接頭和示波器CRT之間的電路不只是僅有模擬電路。輸入信號(hào)的波形在CRT上獲得顯示之前先要存貯到存儲(chǔ)器中去，

37、在示波器屏幕上看到的波形總是由所采集到數(shù)據(jù)重建的波形，而不是輸入連接端上所加信號(hào)的立即的、連接的波形顯示。</p><p>　　本文中的數(shù)字存儲(chǔ)示波器由四個(gè)模塊組成，如圖2-1所示，分別是：信號(hào)前向調(diào)整模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)輸出模塊和控制模塊。</p><p>　　圖2-1 數(shù)字示波器的組成</p><p>　　信號(hào)前向調(diào)整模塊采用高速低噪音模擬開(kāi)關(guān)(MAX45

38、45)和寬帶運(yùn)算放大器(MAX817)構(gòu)成可編程運(yùn)算放大器，對(duì)幅度不等的輸入信號(hào)分別進(jìn)行不同等級(jí)的放大處理。數(shù)據(jù)采集模塊采用可編程器件(EPM7128SLC84-15)控制高速A/D(TLC5510)對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)分別以相應(yīng)的采樣速度予以采樣，并將采樣數(shù)據(jù)存在雙口RAM(IDT7132)中。數(shù)據(jù)輸出模塊采用另一片可編程器件(EPM7128SLC84-15)控制兩片D/A(DAC0800)分別輸出采樣信號(hào)和鋸齒波，在示波器上以X－Y

39、的方式顯示波形。控制模塊以AT89C52單片機(jī)為控制核心，協(xié)調(diào)兩片可編程器件的工作，并完成其它的測(cè)量，計(jì)算及控制功能。</p><p>　　2.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器的特點(diǎn)</p><p>　　與傳統(tǒng)的模擬示波器相比, 數(shù)字存儲(chǔ)示波器有其非常突出的特點(diǎn)，其具體表現(xiàn)如下： </p><p>　　(1)信號(hào)采樣速率大大提高數(shù)字存儲(chǔ)示波器首先在采樣速率上有較大地提高?？蓮淖畛醪?/p>

40、樣速率等于兩倍帶寬提高至五倍甚至十倍。相應(yīng)對(duì)正弦波取樣引入的失真也從10%降低至3%甚至1%。</p><p>　　(2)顯示更新速率更高數(shù)字存儲(chǔ)示波器的顯示更新速率最高可達(dá)每秒40萬(wàn)個(gè)波形，因而在觀察偶發(fā)信號(hào)和捕捉毛刺脈沖方面更加方便。</p><p>　　(3)波形的采樣、存儲(chǔ)與顯示可以分離在存儲(chǔ)階段， 數(shù)字示波器可對(duì)快速信號(hào)采用較高的速率進(jìn)行采樣與存</p><p

41、>　　儲(chǔ)，而對(duì)慢速信號(hào)則采用較低速率進(jìn)行采樣與存儲(chǔ)；在顯示階段，不同頻率的信號(hào)讀出速度可以采用一個(gè)固定的速率并可以無(wú)閃爍</p><p>　　地觀測(cè)極慢信號(hào)與單次信號(hào)，這是模擬示波器所無(wú)能為力的。</p><p>　　(4)存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)，由于數(shù)字存儲(chǔ)示波器是把模擬信號(hào)用數(shù)字方式存儲(chǔ)起</p><p>　　來(lái)，因此，其存儲(chǔ)時(shí)間理論上可以無(wú)限長(zhǎng)。</p>

42、<p>　　(5)顯示方式靈活多樣為適應(yīng)對(duì)不同波形的觀測(cè)，數(shù)字存儲(chǔ)示波器有滾動(dòng)顯示、刷新顯示、存儲(chǔ)顯示、插值顯示等多種顯示方式。</p><p>　　(6)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確LCD上每個(gè)光點(diǎn)都對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)確定的數(shù)據(jù)。操作時(shí)可用面板上的控制裝置(如游標(biāo))在LCD 上標(biāo)示兩個(gè)被測(cè)點(diǎn)，以算出兩點(diǎn)間的電壓或電流，再利用計(jì)算機(jī)的字符顯示功能在LCD上直接顯示測(cè)量結(jié)果，從而減少了人為誤差，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度。<

43、/p><p>　　(7)觸發(fā)功能先進(jìn)與模擬示波器不同，數(shù)字存儲(chǔ)示波器不僅能顯示觸發(fā)后的信號(hào)，而且能顯示觸發(fā)前的信號(hào)還可以任意選擇超前和滯后的時(shí)間。</p><p>　　(8)便于程控并具有多種方式的輸出由于數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要部分是數(shù)字系統(tǒng)，又由微計(jì)算機(jī)管理，故可通過(guò)接口接受程序控制，也可通過(guò)接口用于各種方式的輸出。</p><p>　　2.3數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要參數(shù)&

44、lt;/p><p><b>　　2.3.1 帶寬</b></p><p>　　帶寬作為示波器的三大基本指標(biāo)之一，決定了示波器對(duì)信號(hào)的基本測(cè)量能力。測(cè)量交流電信號(hào)時(shí)，示波器通常有其最大頻率，超過(guò)這個(gè)頻率時(shí)，波形測(cè)量精度就會(huì)下降， 這一頻率就是示波器的帶寬。通常定義示波器靈敏度下降3dB時(shí)的頻率為示波器的帶寬，也就是說(shuō)示波器的帶寬是以正弦波幅度衰減-3dB點(diǎn)為定義的。和放大器

45、帶寬的定義一樣，是所謂的-3dB點(diǎn)，即，在示波器的輸入加正弦波，幅度衰減為實(shí)際幅度的70.7%時(shí)的頻率點(diǎn)稱為帶寬。舉例來(lái)說(shuō)，使用lOOMHz帶寬的示波器測(cè)量1V，100MHz的正弦波，得到的幅度只有O.707v。</p><p>　　2.3.2 采樣速率</p><p>　　構(gòu)成一個(gè)波形的組全部的采樣叫做一個(gè)記錄，用一個(gè)記錄可以重建一個(gè)或多個(gè)屏幕的波形，一個(gè)示波器可以貯存的采樣點(diǎn)數(shù)稱為記錄

46、長(zhǎng)度或采集長(zhǎng)度，記錄長(zhǎng)度用字節(jié)或千字節(jié)來(lái)表示，l千字節(jié)(1KB)等于1024個(gè)采樣點(diǎn)。</p><p>　　通常，示波器沿著水平軸顯示512采樣點(diǎn)，為了便于使用，這些采樣點(diǎn)以每格50個(gè)采樣點(diǎn)的水平分辨率來(lái)進(jìn)行顯示，這就是說(shuō)水平軸的長(zhǎng)為512/50=10.24格。據(jù)此，兩個(gè)采樣之間的時(shí)間間隔可按下式計(jì)算：</p><p>　　采樣間隔=時(shí)基設(shè)置(s/格)/采樣點(diǎn)數(shù) (式2-1)<

47、;/p><p>　　若時(shí)基設(shè)置為lms/格，且每格有50個(gè)采樣，則可以計(jì)算出采樣間隔為：</p><p>　　采樣間隔=1ms/50=20us (式2-2)</p><p>　　采樣速率是采樣間隔的倒數(shù)：</p><p>　　采樣速率=1/采樣間隔 (式2-3)</p><p>　　通常示波器可以顯示的采樣

48、點(diǎn)數(shù)是固定的，時(shí)基設(shè)置的改變是通過(guò)改變采樣速率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此一臺(tái)特定的示波器所給出的采樣速率只有在某一特定的時(shí)時(shí)設(shè)置之下才是有效的。在較低的時(shí)基設(shè)置之下，示波器使用的采樣速率也比較低。</p><p>　　2.3.3 存儲(chǔ)深度</p><p>　　存儲(chǔ)深度又叫記錄長(zhǎng)度或采集長(zhǎng)度，是示波器可以存儲(chǔ)的采樣點(diǎn)數(shù)。一臺(tái)DSO的記錄時(shí)間長(zhǎng)度是由采樣速率和存儲(chǔ)深度決定的，三者之問(wèn)的關(guān)系可以用式(2-4

49、)表示：</p><p>　　記錄時(shí)長(zhǎng)=存儲(chǔ)深度÷采樣速率 (式2-4)</p><p>　　對(duì)于給定的存儲(chǔ)深度，采樣速率越大，可記錄的時(shí)間就越短。然而，在實(shí)際的測(cè)量工作中，用戶在需要一個(gè)高采樣速率的同時(shí)，還需要較長(zhǎng)的記錄時(shí)間，這樣才能避免走樣，并且便于觀察信號(hào)波形。</p><p>　　要滿足這些要求就需要DSO有足夠大的存儲(chǔ)深度，才可以在高采樣速

50、率的情況下，獲得較長(zhǎng)的波形記錄時(shí)間。但是，很多DSO或是邏輯分析儀的內(nèi)存都不夠大，僅能存儲(chǔ)幾千個(gè)采樣點(diǎn)(有時(shí)甚至低至幾百個(gè)采樣點(diǎn))，存儲(chǔ)時(shí)間也只有幾個(gè)毫秒。</p><p>　　3 數(shù)字示存儲(chǔ)示波器的總體設(shè)計(jì)</p><p>　　本文中設(shè)計(jì)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器由硬件電路和計(jì)算機(jī)軟件部分組成，系統(tǒng)如圖3-1所示。</p><p>　　被測(cè)信號(hào) 硬件電路

51、 計(jì)算機(jī)軟件</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)示意圖</p><p><b>　　3.1系統(tǒng)方案</b></p><p>　　圖3-2是基于PC機(jī)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器的系統(tǒng)框圖。</p><p>　　該系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)作為控制核心，采用可編程器件（ALTERA公司的EPM7128SLC84-

52、15）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的控制。由于可編程器件的工作頻率很高，所以用它控制高速A/D工作是合適的，同時(shí)又有著MAXPLUSII這樣強(qiáng)大的軟件予以支持，所以設(shè)計(jì)調(diào)試都會(huì)變得十分方便。</p><p>　　控制邏輯從總線上監(jiān)控這些數(shù)據(jù)以等待觸發(fā)點(diǎn)的到來(lái)。采用這樣的觸發(fā)設(shè)計(jì)方法就無(wú)需設(shè)計(jì)通常所需的觸發(fā)電路，并且可以縮短模擬信號(hào)路徑，從而減少噪聲干擾。它的另一個(gè)好處在于，用作邏輯分析儀時(shí)，還可在觸發(fā)點(diǎn)處停止對(duì)數(shù)字信號(hào)的采集

53、。</p><p>　　除了觸發(fā)控制之外，控制邏輯中還包含了其他高級(jí)模式，比如預(yù)觸發(fā)模式。控制邏輯中還將產(chǎn)生存儲(chǔ)器控制信號(hào)，當(dāng)存儲(chǔ)器被寫滿時(shí)，就會(huì)停止數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)并口將數(shù)據(jù)送往PC機(jī)。</p><p>　　從圖3-2中可以看出，兩個(gè)通道之間完全是相互分離的，那么，它們就可以單獨(dú)使用。例如，可以讓通道A用作邏輯分析儀，同時(shí)通道B處于模擬輸入方式。如果選擇用兩路模擬輸入，并使得二者的相位相

54、差180度，就可能得到雙倍的等效采樣率。當(dāng)數(shù)據(jù)被送入PC機(jī)之后，通過(guò)軟件對(duì)其進(jìn)行交叉存儲(chǔ)再重建波形。這種情況下，雖然信號(hào)采樣率比通常情況高一倍，記錄長(zhǎng)度并沒(méi)有縮短，因?yàn)閮蓚€(gè)存儲(chǔ)器都用來(lái)存儲(chǔ)同一個(gè)波形的數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)存儲(chǔ)深度也增加了一倍，同時(shí)記錄長(zhǎng)度不會(huì)減少。</p><p>　　為了穩(wěn)定實(shí)時(shí)的顯示波形，必須使采樣數(shù)據(jù)輸出與掃描信號(hào)同步，同時(shí)掃描速度要快，所以也應(yīng)該用可編程器件來(lái)控制波形數(shù)據(jù)的輸出。由于EPM712

55、8SLC84-15的硬件資源不是十分豐富，為了以后功能擴(kuò)展方便，所以我們選用了兩片該器件分別控制著模擬信號(hào)的采樣以及采樣數(shù)據(jù)的輸出，用單片機(jī)控制并協(xié)調(diào)它們之間的工作。</p><p>　　圖3-2 基于PC機(jī)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器的系統(tǒng)框圖</p><p>　　3.2主要器件的選擇</p><p>　　本文要設(shè)計(jì)的是一個(gè)低成本的價(jià)廉物美的數(shù)字示波器，所以我在選擇器件時(shí)首

56、先考慮的是在合理的價(jià)位上盡量選擇性價(jià)比最高的器件。還有是考慮到目前電路設(shè)計(jì)的主流為3.3v電壓設(shè)計(jì)，為了使DSO系統(tǒng)具有更好的兼容性，在器件選擇上，盡量選用3.3V的低電壓供電器件。</p><p>　　3.2.1 核心控制——AT89C52</p><p>　　數(shù)字存儲(chǔ)示波器是由單片機(jī)AT89C52來(lái)進(jìn)行控制。AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes

57、的可反復(fù)擦寫的FLASH只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　AT89C52為8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會(huì)聚

58、調(diào)整時(shí)的功能控制。功能包括對(duì)會(huì)聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會(huì)聚調(diào)整控制，會(huì)聚測(cè)試圖控制，紅外遙控信號(hào)IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST（9腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40腳）和VSS（20腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0-P3 為可編程通用I/O 腳，其功能

59、用途由軟件定義，在本設(shè)計(jì)中，P0 端口（32-39 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號(hào)功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測(cè)及會(huì)聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。</p><p>　　3.2.2邏輯控制——

60、ALTERA EPM240</p><p>　　控制邏輯是DSO的硬件系統(tǒng)的控制單元，設(shè)計(jì)者們通常采用一塊或多塊FPGA或是CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)。FPGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列(Field Programmable Gate Array)的英文縮寫，是可編程邏輯器件的一種。CPLD是復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device)的英文縮寫，也是一種可編程邏輯器件。FPGA/CPL

61、D通常由許多邏輯單元組成，每個(gè)邏輯單元都由一個(gè)觸發(fā)器(flip-flop)和一些簡(jiǎn)單的組合邏輯構(gòu)成。邏輯塊是由多個(gè)邏輯單元就構(gòu)成的，同一個(gè)塊內(nèi)部的邏輯單元之間都有可編程的連接關(guān)系。通過(guò)對(duì)邏輯單元和他們之間的連接關(guān)系進(jìn)行配置，構(gòu)建復(fù)雜的邏輯系統(tǒng)。這個(gè)配置的過(guò)程，是通過(guò)用硬件編程語(yǔ)言(如Verilog HDL，NHDL，AHDL等)的編程設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。編程設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)有很多，比如ALTERA公司的Quartus II軟件，XILINX公司

62、的ISE Foundation等。</p><p>　　了解了一些FPGA/CPLD的相關(guān)知識(shí)之后，結(jié)合本次課題設(shè)計(jì)的需要，決定選擇ALTERA公司的EPM240T100C5器件，它是MAXU系列的成員之一。它是ALTERA推出的MAX II器件系列，是迄今成本最低的CPLD。MAX II器件采用了全新的CPLD體系結(jié)構(gòu)，在所有CPLD系列中單位I/O成本最低，功耗最低。它有240個(gè)邏輯單元，是TQFP封裝，有1

63、00個(gè)引腳，其中80個(gè)是用戶可配置的I/O引腳。器件型號(hào)中的C5表示速度等級(jí)，同類型的產(chǎn)品有3個(gè)速度等級(jí)，分別是C3，C4，C5，其中C3的速度最快。(由于購(gòu)買時(shí)供應(yīng)商只能提供帶C5后綴的器件，所以我們沒(méi)有選擇速度最快的EPlVl240T100C3。)整個(gè)芯片的核心電壓是1.8V低電壓設(shè)計(jì)，外部供電電壓是3.3V。</p><p>　　EPM240是基于EEPROM技術(shù)的一款CPLD，只需使用Byteblaste

64、rII下載電纜和Quartus II軟件配置即可實(shí)現(xiàn)對(duì)其在線編程。對(duì)比基于SRAM技術(shù)的FPGA/CPLD而言，EPM240的在線配置大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，因?yàn)榛赟RAM技術(shù)的器件在系統(tǒng)加電時(shí)都需要進(jìn)行配置下載，這樣，它們的在線編程通常是通過(guò)單片機(jī)配置的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，而采用單片機(jī)配置就需要增加許多額外的外圍電路，并且在配置FPGA或CPLD之前，還需要進(jìn)行單片機(jī)調(diào)試工作，這無(wú)疑給系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加了不必要的麻煩。所以我們選用了基于EEPROM技

65、術(shù)的EPM240。</p><p>　　3.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器——AD9238</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器（也就是ADC）是具有對(duì)模擬信號(hào)波形進(jìn)行采樣并產(chǎn)生數(shù)字化輸出的功能器件。作為示波器的核心模塊之一，A/D轉(zhuǎn)換器的性能直接決定著示波器的帶寬，而帶寬作為示波器的三大基本指標(biāo)之一，決定了示波器對(duì)信號(hào)的基本測(cè)量能力。</p><p>　　基本工作原理：ADC首

66、先對(duì)輸入波形進(jìn)行采樣，再將采樣點(diǎn)處的信號(hào)電平轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字表示。轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)字的位數(shù)就是ADC的分辨率。分辨率越高，能表示的電平級(jí)數(shù)就越多，它們之間的關(guān)系可以用式3-1表示：</p><p>　　電平級(jí)數(shù)N=2^分辨率 （式3-1）</p><p>　　轉(zhuǎn)換的方法之一就是逐位逼近。逐位逼近的數(shù)字化過(guò)程是用一系列的基準(zhǔn)電壓與被轉(zhuǎn)換電壓相比較，由高位至低位逐位確定各位數(shù)碼是1還是0。

67、</p><p>　　以上對(duì)ADC的基本原理進(jìn)行了粗略的介紹，對(duì)它有了一定的了解之后，可以開(kāi)始為此次的DSO設(shè)計(jì)選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器。本文中DSO系統(tǒng)采用8位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換，那么選擇DSO的條件之一是：分辨率為8位，最高采樣率約為40MHz?？紤]到ADC作為硬件系統(tǒng)的一個(gè)模塊時(shí)，其性能不可能達(dá)到其最大規(guī)格，那么選擇ADC的條件之二是：采樣率約為60MHz。綜合以上的條件，選擇了ANALOG公司的AD9

68、283。</p><p>　　AD9283的模擬信號(hào)輸入可以是差分輸入或者單端輸入。信號(hào)經(jīng)緩沖送入片上的“sample-and-hold”電路。ADC的核心體系結(jié)構(gòu)采用了一種帶轉(zhuǎn)換電容技術(shù)的逐位轉(zhuǎn)換器。輸出模塊把數(shù)據(jù)組成一排，經(jīng)糾錯(cuò)之后送給8個(gè)輸出緩沖器。AD9283內(nèi)部帶有參考電壓(1.25V)，由外部的ENCODE輸入提供時(shí)鐘信號(hào)。其數(shù)據(jù)輸出可以兼容TTL和CMOS電平。輸出緩沖由單獨(dú)的電源供電，以便控制數(shù)據(jù)

69、輸出電平為2.5V或3.3V邏輯。AD9283的PWRDWN輸入為高時(shí)，輸出都將呈現(xiàn)高阻態(tài)；PWRDWN為低時(shí)，輸出緩沖才能將信號(hào)送出。</p><p>　　3.2.4 存儲(chǔ)器——AL422B</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)存儲(chǔ)器的要求：8位的數(shù)據(jù)總線寬，384Kx8bits的存儲(chǔ)容量，每秒40M字節(jié)的數(shù)據(jù)傳送率，讀、寫端口分開(kāi)(雙端口)。雖然選用讀、寫端口分開(kāi)的存儲(chǔ)器并不

70、是一定需要的，但是選擇雙端口的存儲(chǔ)器將大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)對(duì)一些存儲(chǔ)器的比較和分析，我們選擇了AVERLOGIC公司的AL422B作為此DSO的存儲(chǔ)器模塊。因?yàn)樵诂F(xiàn)有的FIFO存儲(chǔ)器中，它具有很高的存儲(chǔ)位/價(jià)格之比。這是一種專用于視頻緩沖的幀緩沖器，由于具有這樣的應(yīng)用背景，它有相對(duì)較大的存儲(chǔ)容量(每片AL422B的存儲(chǔ)容量為384K*8bits)，快速的數(shù)據(jù)傳輸率，和分開(kāi)的讀寫端口。另外，這樣的幀緩沖器通常集成了基本的存儲(chǔ)器控制邏輯

71、，可以方便和簡(jiǎn)化整個(gè)電路設(shè)計(jì)。</p><p>　　AL422B是基于DRAM技術(shù)的存儲(chǔ)器。DRAM往往需要特殊的控制，并且數(shù)據(jù)傳輸率相對(duì)較低。但是AL422B采用高集成度設(shè)計(jì)，避免了這些缺點(diǎn)。對(duì)很多幀緩沖器來(lái)說(shuō)，外部數(shù)據(jù)總線雖然是8位，但其內(nèi)部的確使用了很寬的數(shù)據(jù)總線，這樣就可以通過(guò)數(shù)據(jù)并行提高數(shù)據(jù)傳送速率。高速邏輯可以將內(nèi)部總線分成8個(gè)位段，再送給輸出數(shù)據(jù)總線。另外，AL422B中還集成了DRAM控制器和地址

72、產(chǎn)生邏輯。數(shù)據(jù)被寫入時(shí)，其寫入地址是由寫指針來(lái)確定的。寫指針的值會(huì)隨著數(shù)據(jù)的寫入而遞增，或者在開(kāi)始寫入時(shí)被清零。但是，寫指針不能被任意賦值，所以，所有的寫操作都必須是順序?qū)懭?。AL422B內(nèi)部就像一個(gè)循環(huán)緩沖區(qū)，因?yàn)楫?dāng)寫指針到達(dá)存儲(chǔ)器的尾地址時(shí)，它將自動(dòng)回到地址零所在，并覆蓋已存在的數(shù)據(jù)。類似的，讀操作也是使用這樣的讀指針。所以，幀緩沖器也叫做先進(jìn)先出緩沖器(First In First Out Buffers，F(xiàn)IFO’s)。<

73、/p><p>　　AL422B有3個(gè)寫操作控制引腳，分別是WCLK，/WE和/WRST。寫使能(/WE)為低時(shí)，在寫時(shí)鐘(WCLK)的上升沿，數(shù)據(jù)被送入存儲(chǔ)器。寫使能(/WE)為高時(shí)，寫指針不遞增，數(shù)據(jù)不能被寫入存儲(chǔ)器。若寫重置(/WRST)被拉低，在寫時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，寫指針被清零。</p><p>　　讀操作有4個(gè)控制引腳RCL、/RE、/RRST和/OE。讀使能(/RE)為低時(shí)，每當(dāng)讀時(shí)鐘

74、(RCLK)的上升沿到來(lái)，讀指針就遞增1。讀使能(/RE)為高時(shí)，讀指針停止遞增，新的數(shù)據(jù)不再被送往輸出端。若讀重置(/RRST)被拉低，在讀時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，讀指針被清零。輸出使能(/OE)為高時(shí)，數(shù)據(jù)輸出端引腳都呈高阻態(tài)。/OE是在RCLK的上升沿被采集的。</p><p>　　AL422B雖然在內(nèi)部集成了控制邏輯，但DRAM的刷新是根據(jù)RCLK或者WCLK中較快的那個(gè)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行的。因此，為了保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性，

75、需要RCLK和WCLK中至少有一個(gè)大于1MHz。</p><p>　　3.3 DSO與PC機(jī)接口</p><p>　　DSO與PC機(jī)之間的接口方案有多種，例如串口、并口、PCI、ISA、USB接口等。串口的數(shù)據(jù)傳送率不及并口。PCI和ISA插槽都在PC機(jī)機(jī)箱內(nèi)部，無(wú)法熱拔插，不易安裝。USB接口雖然有很高的數(shù)據(jù)交換速度，但它的控制協(xié)議相對(duì)并口而言要復(fù)雜得多。為了要將大部分的精力都集中在整個(gè)

76、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，本文選擇了相對(duì)簡(jiǎn)單的并口作為DSO與PC機(jī)之間的接口。</p><p>　　計(jì)算機(jī)的并口針腳(母頭)有25針，其引腳定義如表3-1所示：</p><p>　　表3-1 25針并行口插口的針腳功能</p><p>　　1、計(jì)算機(jī)并口寄存器</p><p>　　并行接口中有3個(gè)可訪問(wèn)的寄存器：數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端口。它們的偏移

77、地址分別為：00h、01h和02h，基地址由FDC37C935的配置寄存器選定，ISA兼容的I/O地址為：378h(278h)、379h(279h)、37Ah(27Ah)。</p><p><b>　　2、數(shù)據(jù)端口寄存器</b></p><p>　　CPU通過(guò)這個(gè)寄存器與外部設(shè)各傳送并行數(shù)據(jù)。寄存器數(shù)據(jù)在系統(tǒng)初始化過(guò)程中被清除。當(dāng)CPU對(duì)該寄存器進(jìn)行寫訪問(wèn)時(shí)，該寄存器

78、在IOW#信號(hào)的上升沿處鎖存CPU的寫數(shù)據(jù)，然后把鎖存的寫數(shù)據(jù)輸出到D[O：7]數(shù)據(jù)線上。當(dāng)CPU對(duì)該寄存器進(jìn)行讀訪問(wèn)時(shí)，D[O：7]數(shù)據(jù)線上的內(nèi)容經(jīng)并行接口緩沖(不被鎖存)后送入CPU。</p><p><b>　　3、狀態(tài)端口寄存器</b></p><p>　　CPU通過(guò)這個(gè)只讀寄存器輸入外部設(shè)備的狀態(tài)信息，當(dāng)CPU對(duì)該寄存器進(jìn)行讀訪問(wèn)時(shí)，各對(duì)應(yīng)狀態(tài)信號(hào)線上的現(xiàn)行

79、狀態(tài)信息鎖存于這個(gè)寄存器中并送至CPU。狀態(tài)寄存器各位如表3-2所示。</p><p>　　表3-2 狀態(tài)端口寄存器</p><p>　　位7鎖存的是Busy輸入引腳電平的反碼，該位為0表示打印機(jī)為忙狀態(tài)不能接受新的字符數(shù)據(jù)；該位為1表示打印機(jī)已準(zhǔn)備好接受下一字符數(shù)據(jù)。</p><p>　　位6鎖存的是ACK#輸入引腳的狀態(tài)，該位為0意思是打印機(jī)已經(jīng)收到個(gè)字符數(shù)據(jù)

80、并且可以接受下一個(gè)數(shù)據(jù)了：該位為1意思是打印機(jī)還正在處理上一個(gè)字符數(shù)據(jù)或尚未收到數(shù)據(jù)。</p><p>　　位5鎖存的是PE輸入引腳的狀態(tài)，該位為1表示打印紙已用完；為0表示還有打印紙。</p><p>　　位4鎖存的是SLCT輸入引腳的狀態(tài)，該位為l表示打印機(jī)已經(jīng)聯(lián)機(jī)；為0表示打印機(jī)未被主機(jī)選擇。</p><p>　　位3鎖存的是ERROR#輸入引腳的狀態(tài)，該位為

81、l表示一個(gè)打印機(jī)錯(cuò)誤已被檢測(cè)到；為0表示沒(méi)有檢測(cè)到錯(cuò)誤。</p><p><b>　　4、控制端口寄存器</b></p><p>　　并行接口對(duì)打印機(jī)輸出的各控制信號(hào)是通過(guò)CPU寫該寄存器來(lái)形成的，即由軟件實(shí)現(xiàn)控制。當(dāng)CPU對(duì)該寄存器進(jìn)行I/O寫訪問(wèn)時(shí)，該寄存器在Low#信號(hào)的上升沿處鎖存CPU的寫數(shù)據(jù)，然后把鎖存的寫數(shù)據(jù)輸出到打印機(jī)的控制信號(hào)線上。該寄存器亦可讀，故

82、可作為輸入外部設(shè)備命令信號(hào)的端口。并行接口的系統(tǒng)復(fù)位輸入信號(hào)清除該寄存。</p><p>　　控制寄存器的各位如表3-3所示：</p><p>　　表3-3 控制端口寄存器</p><p>　　位0寫入的邏輯值經(jīng)取反后輸出到STROBE#信號(hào)線上，向該位寫l，使STRORE#信號(hào)為低電平，它是D[O：7]的選通信號(hào)，把D[O：7]上的數(shù)據(jù)輸入外部設(shè)備里的數(shù)據(jù)輸入寄

83、存器：向該位寫0，則取消STROBE#信號(hào)。</p><p>　　位1寫入的邏輯值經(jīng)取反后輸出到AUTOFD#信號(hào)線上，向該位寫1，使AUTOFD#信號(hào)線維持低電平，使打印機(jī)每打印一行自動(dòng)走紙一行；向該位寫0，取消自動(dòng)走紙。</p><p>　　位2寫入的邏輯值不取反送到INIT#信號(hào)線上，INIT#是打印機(jī)要求的初始化信號(hào)，打印機(jī)收到這個(gè)信號(hào)后清除打印緩沖區(qū)，把內(nèi)部電路置為初態(tài)。向該位&

84、lt;/p><p>　　寫0，產(chǎn)生INIT#信號(hào)；寫1，取消INIT#。</p><p>　　位3寫入的邏輯值經(jīng)取反后輸出到SLCTIN#信號(hào)線上，向該位寫l，使SLCTIN#信號(hào)線維持低電平，表示主系統(tǒng)選中打印機(jī)，允許打印機(jī)工作；向該位寫0，表示不選中打印機(jī)。</p><p>　　位4是中斷請(qǐng)求使能位，用于并行接口內(nèi)部。并行接口的中斷請(qǐng)求信號(hào)是由</p>

85、<p>　　ACIO輸入信號(hào)經(jīng)接口里的非門反相后形成的，即由ACK#的前沿提出中斷請(qǐng)求。該中斷請(qǐng)求能否向系統(tǒng)提出由本位控制，本位置為I，便能并行接口的中斷請(qǐng)求信號(hào)。在ISA兼容的系統(tǒng)中，并行接口送往主系統(tǒng)的中斷請(qǐng)求設(shè)置為IRQ7；當(dāng)本位編程為0時(shí)，中斷請(qǐng)求被禁止。</p><p>　　位5是PCD位(Parallel Control Direction)，用于并行接口的內(nèi)部，是并行接口方向控制位．在打

86、印機(jī)方式里，此位無(wú)效，因?yàn)樵诖蛴C(jī)方式下不管此位設(shè)置為何值方向總是輸出的。在雙向方式里，本位為0，端口處于輸出模式；寫入為1，表示端口處于輸入模式。</p><p>　　5、并行接口信號(hào)的時(shí)序</p><p>　　在并行接口信號(hào)中，有時(shí)序關(guān)系的信號(hào)為D[O：7]，STROBE#、BUSY和ACK#，其余為靜態(tài)的控制或狀態(tài)信號(hào)。從以上的敘述可知，并行接口中除了中斷請(qǐng)求信號(hào)直接由硬件實(shí)現(xiàn)以外，

87、輸入／輸出數(shù)據(jù)、發(fā)出選通、檢測(cè)狀態(tài)都由程序?qū)崿F(xiàn)，可根據(jù)所連接的外部設(shè)備的實(shí)際需要設(shè)計(jì)時(shí)序。</p><p>　　4 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用單片機(jī)+CPLD結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活，有較強(qiáng)的適用性，適合模塊化設(shè)計(jì)；同時(shí)其開(kāi)發(fā)周期較短，系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展，適用于實(shí)時(shí)信號(hào)的處理。本章主要討論了其硬件電路的設(shè)計(jì)。</p><p&g

88、t;　　4.1信號(hào)前向調(diào)整模塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　采用高速低噪聲模擬開(kāi)關(guān)MAX4545選擇不同的反饋電阻和模擬運(yùn)算放大器MAX817構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的反相運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。MAX817的單位增益3DB截止頻率為50MHZ，可保證對(duì)頻率小于50KHZ的信號(hào)進(jìn)行100倍放大。將MAX4545的四根控制線接在最小系統(tǒng)的擴(kuò)展接口上，即8255的PA0-PA3，控制信號(hào)與放大倍數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表4-1所示，高速數(shù)據(jù)采集電路

89、如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 高速數(shù)據(jù)采集電路</p><p>　　表4-1 控制信號(hào)與放大倍數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系</p><p>　　4.2高速數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)題目要求垂直分辨率為32級(jí)/div,示波器上共8格，即要分為256級(jí)，因此可選用8位A/D。又由于水平分辨率為20點(diǎn)/div,所以對(duì)應(yīng)于三檔

90、掃描速度0.2s/div,0.2ms/div,20us/div的采樣速度應(yīng)分別是100HZ，100KHZ和1MHZ。分析如下：</p><p>　　圖4-2 高速數(shù)據(jù)采集電路</p><p>　　設(shè)掃描速度為Xs/div,要求水平分辨率為20點(diǎn)/div,所以每點(diǎn)的取樣時(shí)間間隔為X/20s,即取樣信號(hào)的頻率為20/X HZ。因此，當(dāng)要求三檔掃描速度分別為0.2s/div，0.2ms/div

91、，20us/div時(shí)，相應(yīng)的三檔采樣頻率應(yīng)分別是100HZ，100KHZ，1MHZ。但是，從100HZ到100KHZ的跨度太大,不利于中間頻段信號(hào)的顯示，因此我們又多加了1KHZ和10KHZ兩檔掃描速度。由于最高采樣速率達(dá)到１MPS，所以普通的A/D難以滿足要求，因此我們選用了TI公司的8位COMS ADC TLC5510。該芯片用單5V供電，轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)到20MPS，內(nèi)部帶有采樣保持電路和基準(zhǔn)電阻。該芯片的最大優(yōu)點(diǎn)就是速度快，控制

92、簡(jiǎn)單，適用于可編程器件控制。設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)采集電路如圖4-2所示，該電路除了對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行5倍衰減外，還在輸入信號(hào)上迭加1.5V的直流。</p><p>　　4.3波形顯示電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　波形顯示方式有X－Y方式及外部觸發(fā)方式。但是為了在示波器上顯示字符就必須選用X－Y方式。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)輸出速率的分析</b>

93、;</p><p>　　由于數(shù)據(jù)采集的最高速度為1MHZ，因此數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)的掃描速率應(yīng)大于1MHZ，才能實(shí)時(shí)的顯示數(shù)據(jù)更新的過(guò)程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)比較，我們選定輸出頻率為2MHZ。在該輸出頻率下，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較好，而且波形穩(wěn)定，不失真。我們選用的DA是DAC0800，它的輸出電流建立時(shí)間為100ns,即10MHZ，滿足數(shù)據(jù)輸出的速度要求。D/A電路如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3

94、D/A電路</p><p>　　輸出數(shù)據(jù)的地址由地址累加器得到，我們?cè)诘刂防奂悠鞯暮蠹?jí)加入了一級(jí)數(shù)據(jù)選擇器，通過(guò)掃描信號(hào)的進(jìn)位脈沖切換數(shù)據(jù)通道，即可實(shí)現(xiàn)鎖存后或單次觸發(fā)后顯示波形的水平移動(dòng)。局部電路圖如下圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 波形顯示局部電路</p><p><b>　　2、鋸齒波形成電路</b></p>

95、<p>　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在可編程器件EPM7128SLC84-15的內(nèi)部搭建的計(jì)數(shù)電路很容易產(chǎn)生毛刺，使輸出鋸齒波不穩(wěn)定，因而我們選用硬件電路計(jì)數(shù)產(chǎn)生鋸齒波。鋸齒波的時(shí)鐘由數(shù)據(jù)輸出電路提供，以保證掃描信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)同步。將鋸齒波計(jì)滿后輸出的進(jìn)位脈沖經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)放大后，送給模擬示波器的Ｚ軸，以消隱</p><p>　　回掃線。鋸齒波產(chǎn)生電路如下圖4-5所示。</p><p>

96、　　圖4-5 鋸齒波產(chǎn)生電路</p><p>　　4.4觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖4-6 觸發(fā)電路</p><p>　　觸發(fā)電平由單片機(jī)通過(guò)D/A(MAX508)輸出，通過(guò)比較器與輸入信號(hào)相比較，從而得到觸發(fā)信號(hào)。該觸發(fā)信號(hào)使單片機(jī)產(chǎn)生中斷，經(jīng)單片機(jī)處理后啟動(dòng)EPM 7128開(kāi)始采集。</p><p>　　這里選用的比較電路是

97、由高增益，低噪聲，低漂移運(yùn)放OP37開(kāi)環(huán)構(gòu)成的。其輸出用兩個(gè)二極管限幅，以得到標(biāo)準(zhǔn)的TTL信號(hào)，電路見(jiàn)上圖4-6。</p><p>　　4.5雙蹤示波電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　理論上嚴(yán)格的雙蹤示波器應(yīng)對(duì)兩路信號(hào)同時(shí)采樣，那麼就需要兩個(gè)高速A/D，及其前端電路。但是普通模擬示波器分辨率一般不高，因而就沒(méi)有任何意義去要求兩路信號(hào)嚴(yán)格的同時(shí)。因此我們采用一路采集電路對(duì)兩路輸入信號(hào)交替采樣，

98、將采集數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)于原存儲(chǔ)器的奇偶地址內(nèi)，再分別示波，同樣可以以較高的精度作到雙蹤示波，并且使系統(tǒng)的性價(jià)比提高。開(kāi)關(guān)切換電路如下圖4-7所示。</p><p>　　圖4-7 開(kāi)關(guān)切換電路</p><p>　　4.6最小系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)以AT89C52為核心。鍵盤由20個(gè)按鍵組成，對(duì)其掃描由MM74C923完成。系統(tǒng)的顯示器用的是DCM-1

99、62A，它是字符型LCD，共有兩行十六列，每個(gè)字符位由8行5列組成，由于其分辨率不高，難以進(jìn)行漢字顯示，因此我們采用全英文界面。此外該系統(tǒng)還帶有32K的RAM（62256）和一片82C55作為端口擴(kuò)展備用。系統(tǒng)的電源部分為+5V，+12V及-12V三種供電方式。</p><p>　　4.7字符顯示模塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　在X軸輸入水平掃描信號(hào)，在Y軸輸入掃描信號(hào)，在Z軸輸入亮度信號(hào)

100、即可在示波器上形成字符。其中，場(chǎng)掃描信號(hào)由EPM 7128內(nèi)部計(jì)數(shù)產(chǎn)生。Z軸的數(shù)據(jù)存在外部ROM中。</p><p>　　5 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1 DSO控制軟件總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　系統(tǒng)軟件的總體流程如圖5-1所示。由于液晶的使用，加上軟件的設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)提供了良好的人機(jī)界面。軟件主要由多層滾動(dòng)式菜單組成，功能的設(shè)定都在菜單

101、中完成，各個(gè)功能模塊相互獨(dú)立，具有很好的交互性。按鍵主要由數(shù)字鍵、確定鍵、取消鍵、四個(gè)方向鍵以及四個(gè)功能鍵組成，并且按鍵具有重復(fù)按鍵的功能，當(dāng)按下某一鍵不放時(shí)，將重復(fù)響應(yīng)此鍵，操作很方便。</p><p>　　圖5-1 系統(tǒng)軟件的總體流程圖</p><p>　　程序從主程序(main.c)開(kāi)始執(zhí)行，它會(huì)調(diào)用到圖形用戶界面顯示程(gui.c)中的全局函數(shù)用來(lái)在屏幕上顯示出窗口，而圖形用戶界

102、面顯示程序中又將調(diào)用繪圖程序(plot.c)的函數(shù)來(lái)繪制DSO所采集到的數(shù)據(jù)波形。在此過(guò)程中，并口I/O程序(p_port_io.c)和控制DSO的程序(dso_io.c)將用戶在對(duì)話窗中選擇和設(shè)置的信息經(jīng)并口傳給DSO，轉(zhuǎn)化為DSO的控制信號(hào)，使它能夠按照用戶的要求來(lái)工作。文件的控制程序(file_io.c)則會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)文件的讀取、保存和輸出進(jìn)行管理。另外，數(shù)學(xué)處理程序(numeric.c)對(duì)軟件顯示DSO采集的信號(hào)做一些數(shù)學(xué)處理；而在

103、整個(gè)軟件運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的任何錯(cuò)誤，則都會(huì)調(diào)用錯(cuò)誤處理程序(error.c)報(bào)錯(cuò)并進(jìn)行相應(yīng)地處理。</p><p>　　程序中包含了一個(gè)全局的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)scope_data_struct，它含有以下信息：</p><p>　　pre trigger：預(yù)觸發(fā)值</p><p>　　trig_value：觸發(fā)電平值</p><p>　　trig_se

104、l：觸發(fā)源選擇，其值分別表示</p><p><b>　　0：外觸發(fā)</b></p><p>　　1：通道A，通道A＆通道B，通道A or 通道B</p><p><b>　　2：通道B</b></p><p><b>　　3：無(wú)</b></p><p>

105、;　　trig_falling：觸發(fā)值比較</p><p>　　O：信號(hào)值大于設(shè)定的觸發(fā)值</p><p>　　l：信號(hào)值小于設(shè)定的觸發(fā)值</p><p>　　clock_div：DSO的時(shí)鐘信號(hào)頻率選擇</p><p>　　scope_mode：DSO通道模式，其值分別表示</p><p><b>　　0：

106、雙模擬通道模式</b></p><p><b>　　l：?jiǎn)文M通道模式</b></p><p>　　2：16位邏輯分析儀模式</p><p>　　3：混合模式(通道A為邏輯通道，通道B為模擬通道)</p><p>　　data(聯(lián)合)：數(shù)據(jù)</p><p>　　dual channel

107、 struct(結(jié)構(gòu))：雙通道模式的數(shù)據(jù)</p><p>　　a[FIFO SIZE]：通道A的數(shù)據(jù)</p><p>　　b[FIFO SIZE]：通道B的數(shù)據(jù)</p><p>　　logic[FIFO_SIZE]：16位邏輯分析儀模式時(shí)的數(shù)據(jù)</p><p>　　single_channel[FIFO_SIZE*2]：?jiǎn)瓮ǖ滥Ｊ降臄?shù)據(jù)<

108、;/p><p>　　因?yàn)镈SO采集到的有關(guān)的信號(hào)信息以及用戶設(shè)置的數(shù)據(jù)信息都存放在這個(gè)全局結(jié)構(gòu)中，所以對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作，便能實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的處理。</p><p>　　5.2 DSO控制軟件組成</p><p>　　DSO的PC控制軟件由八個(gè)源程序構(gòu)成，下面主要介紹主程序和圖形用戶界面顯示程序。</p><p>　　5.2.1 主程序(main.

109、c)</p><p>　　這個(gè)程序包括了一個(gè)主函數(shù)WinMain()，WinMain()函數(shù)將作為一個(gè)初始的入口函數(shù)被系統(tǒng)調(diào)用開(kāi)始整個(gè)程序的執(zhí)行，主要用來(lái)完成一些初始化工作，并維護(hù)一個(gè)消息循環(huán)。主函數(shù)第一個(gè)任務(wù)是建立一個(gè)全局變量hInstance，它是當(dāng)前應(yīng)用程序的一個(gè)實(shí)例句柄。下一步是初始化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域和各個(gè)參數(shù)變量。完成這些工作以后，調(diào)用圖形用戶界面顯示程序Cui.c中的全局函數(shù)Show_Gui()，用來(lái)在屏