1、本科毕业论文（20 届）基于单片机的嵌入式简易数字示波器设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 苏州大学本科生毕业设计（论文）- i -目 录前言 .2第 1 章 数字示波器 .3第 1.1 节 认识数字示波器 .3第 1.2 节 设计要实现的目标 .4第 1.3 节 设计的主要内容 .4第 2 章 简易数字示波器系统总体设计 .5第 2.1 节 硬件系统方案选择 .5第 2.2 节 软件系统方案选择 .6第 3 章 简易数字示波器系统分析 .7第 3.1 节 硬件系统 .7第 3.2 节 软件系统 .14第 4 章 系统测试 .16第 4.1
2、节 测试条件和方法 .16第 4.2 节 测试分析 .16结论 .17参考文献 .18致谢 .18附录 .19附录 1：硬件原理总图 .19附录 2：嵌入式数字示波器实物 .20附录 3：简易数字示波器的 PCB 图 .21苏州大学本科生毕业设计（论文）- ii -附录 4：简易数字示波器测试过程中的实物图 .22附录 5：部分源程序 .23苏州大学本科生毕业设计（论文）第 1 页基于单片机的嵌入式简易数字示波器设计【摘要】：示波器是电子测量中一种用途十分广泛的仪器，被应用于各个领域，将电信号变成可视图像。随着微电子技术的快速发展，示波器从模拟示波器向数字示波器发展。与模拟示波器相比，数字示波
3、器具有许多优点，并开始逐步取代模拟示波器，成为市场上的主流。本文主要完成了基于单片机简易数字示波器的设计，包括硬件设计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 位开关电容型逐次逼近模数转换器，最大转换时间为 10s，转换精度小于等于 0.05%。控制器选用 AT89S52 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。【关键词】：示波器；单片机；A/D 转换；Abstract: Oscilloscope electronic measuring instruments in a very wi
4、de range of uses, has been applied in various fields, let the electrical signal into visible image. With the fast development of microelectronic technology, oscilloscope developing from analog oscilloscope to digital oscilloscope. Compared with analog oscilloscope, digital oscilloscope has many adva
5、ntages, and gradually replace the analog oscilloscope, and become the mainstream.This paper mainly completed the design of simple digital oscilloscope, including hardware design and software design two parts. The design of hardware, the signal waveform sampling by 12 switched capacitor type successi
6、ve approximation analog-to-digital converter, the maximum conversion time is 10 s, the conversion precision is less than or equal to 0.05%. Controller using AT89S52 MCU, solve the general oscilloscope using a single chip, the running speed is obviously insufficient problem. Waveform display part of
7、the liquid crystal display module, has simple and easy to implement, the advantages of Oscilloscope display effect and so on.Key words: Oscilloscope; MCU; A/D conversion;苏州大学本科生毕业设计（论文）第 2 页前言示波器是最常用在现代电子测量仪器，它是一种可以用来观察，测量，记录瞬时电压，电子仪器与时间的关系显示波形。可以显示信号的许多特性：信号幅度随时间变化的波形曲线，测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度。
8、是否存在故障使得信号失真、信号的直流分量和交流分量，噪声号的噪声值随时间变化情况，多个信号的分析比较。在示波器上显示有助于深入了解被测对象。典型的示波器产生一个二维的波形，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。模拟示波器，由于 CRT 的余辉时间很短，难于显示频率低的信号。由于示波管上的扫描轨迹亮度和扫描速度成反比，所以一些具有快速上升、下降时间的低重复速度信号就很难看到。数字存储示波器（DSO，Digital Storage Oscilloscope）随着模
9、数转换器（ADC）的发展而发展的示波器。A/D 转换器把输入示波器信号的瞬时值转变为对应的二进制数字值，并按时间顺序存储在存储器中。在信号采集完成后，将这一系列的数字从数字示波器取出，再经过一系列的处理后在屏幕上显示输入信号。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit） ，单片机芯片常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统） ，和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲
10、：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有 CPU 的专用处理器芯片发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成更复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 3 页第 1 章 数字示波器第 1.1 节 认识数字示波器1.1.1. 数字示波器简介数字示波器是数据采集，A/D 转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波
11、器一般支持多级菜单，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。 目前高端数字示波器主要依靠美国技术，目前国内品牌的示波器在性能上已经可以和国外品牌抗衡，且具有明显的性价比优势。数字示波器是设计、制造和维修电子设备不可或缺的工具。随着科技及市场需求的快速发展，工程师们需要最好的工具，迅速准确地解决面临的测量挑战。作为工程师的眼睛，数字示波器在迎接当前棘手的测量挑战中至关重要。数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，其使用日益普及。由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异，如果使用不当，会产生较大的测量误差，从而
12、影响测试任务。1.1.2. 数字示波器分类数字示波器分为数字储示波器（DSO，Digital Storage Oscilloscope） 、数字荧光示波器（DPO ，Digital Phosphor Oscilloscope） 、数字荧光示波器（DPO，Digital Phosphor Oscilloscope） 。数字存储示波器（DSO）：将信号数字化后再立建波形，有记忆、存储被观测信号的功能，可以用来观测和比较单次过程和非周期现象、低频和慢速信号，以及不同时间不同地点观测到的信号数字荧光示波器（DPO）：通过多层次辉度或彩色可显示长时间内信号混合信号示波器（MSO）：把数字示波器对信号细节
13、的分析能力和逻辑分析仪多通道定时测量能力组合在一起，可用于分析数模混合信号交互影响。1.1.3. 重要指标带宽是示波器最重要的指标之一。模拟示波器的带宽是一个固定的值，而数字示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。数字示波器对重复信号采用顺序采样或随机苏州大学本科生毕业设计（论文）第 4 页采样技术所能达到的最高带宽为示波器的数字实时带宽，数字实时带宽与最高数字化频率和波形重建技术因子 K 相关（数字实时带宽= 最高数字化速率/K） ，一般并不作为一项指标直接给出。从两种带宽的定义可以看出，模拟带宽只适合重复周期信号的测量，而数字实时带宽则同时适合重复信号和单次信号的测量。厂家声称示波器的带
14、宽能达到多少兆，实际上指的是模拟带宽，数字实时带宽是要低于这个值的。例如说 TEK 公司的TES520B 的带宽为 500MHz，实际上是指其模拟带宽为 500MHz，而最高数字实时带宽只能达到 400MHz 远低于模拟带宽。所以在测量单次信号时，一定要参考数字示波器的数字实时带宽，否则会给测量带来意想不到的误差。采样速率是数字示波器的一项重要指标，采样速率也称为数字化速率，是指单位时间内，对模拟输入信号的采样次数，常以 MS/s 表示。如果采样速率不够，容易出现混迭现象。采样速率与 t/div 的关系 :每台数字示波器的最大采样速率是一个定值。但是，在任意一个扫描时间 t/div，采样速率
15、fs 由下式给出：=N 为每格采样点当采样点数 N 为一定值时，fs 与 t/div 成反比，扫速越大，采样速率越低。综上所述，使用数字示波器时，为了避免混迭，最好置于扫速较快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，则最好置于扫速较慢的位置。第 1.2 节 设计要实现的目标本文设计的目的主要是利用 A/D 转换模块、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、幅值、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、幅值、频率。第 1.3 节 设计的主要内容本设计中，对于输入的信号，首先由信号调理电路将信号进行整形，滤波处理，然后将处理后的信号送入到
16、 A/D 转换器的模拟输入端，由 A/D 转换器对输入的模拟信号进行数字化处理，数字化处理后的数据存储在 AT89S52 的 RAM 中，数据采集完成后，经过一定的数字信号处理算法，计算出波形的相关参数，并对波形进行重建送入到 LCD 液苏州大学本科生毕业设计（论文）第 5 页晶显示器中显示。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 6 页第 2 章 简易数字示波器系统总体设计第 2.1 节 硬件系统方案选择2.1.1. 方案一、使用 AT89S52 单片机采用 AT89S52 单片机为控制核心，将输入信号通过 A/D 转换后将模拟信号转换成数字信号，再通过 AT89S52 单片机将数据锁存至外部 R
17、AM，然后由单片机控制将数据送至D/A 输出。该方案结构较为简洁，A/D 的最高采样速度也比较低，但是对于本设计设计简易的数字示波器是足够的。单片机价格也便宜，无需花费太大的成本就能完成设计。 2.1.2. 方案二、使用 FPGA 可编程逻辑器件用 FPGA 可编程逻辑器件作为控制和数据处理的核心，利用 FPGA 的层次化存储器系统结构，使用 FPGA 内部集成的基本逻辑功能块配置成双端口同步 RAM 对采集信号进行存储，完成设计指标。因为 FPGA 可在线编程，从而大大加快了开发速度。电路中的绝大部分逻辑控制功能都是由单片 FPGA 完成。同样多个功能模块如采样频率控制模块、数据存储模块都集
18、中在单个芯片上，因此大大简化了外围硬件电路设计，增加了系统的稳定性和可靠性。FPGA的高速性能比其他控制芯片更适合于高速数据采集和处理，FPGA 是由存放在片内 RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的 RAM 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。2.1.3. 方案三、以 Cortex-M3 内核的 STM32 为主控制器微处理器采用意法半导体的 32 位处理器 STM32F103VET6,其内部是 ARM 公司Cortex-M3 内核,再在其上面移植开源的实时操作系统 C/OS-II 系统，确保系统的实时性和稳定性。由于高速 A/D 转换器的速度太快，
19、STM32 处理数据的速度跟不上，所以在中间加入 FIFO 高速缓存器。利用 STM32 内部自带的 FSMC(灵活的静态存储器控制器)来控制 TFT 液晶屏刷新波形，可实现更高频率的信号的波形刷新和显示。此为，利用 STM32的高级定时器可输出很高的时钟，可以作为高速 A/D 转换器的采样时钟和 FIFO 存储器的控制时钟，从而避免了一大堆由有源晶振和数字芯片组成的时钟电路。2.1.4. 方案比较：苏州大学本科生毕业设计（论文）第 7 页方案一简单能够在短时间内完成设计且做成实物，而且这种示波器能够简易的显示常规信号的波形、幅度、频率，实现数字示波器的基本指标；方案二采用 FPGA 虽然能深
20、入开发数字示波器，然而，其成本偏高，即使加入可编程片上系统（SOPC)，其软件压力也很大。难度大难以在短时间内完成任务。方案三是能够实现嵌入式数字示波器基本指标的方案，虽然该方案是完成该任务的最好的方案，能够实时操作系统简化编程，提供系统实时性和稳定性，但是 ARM 成本目前较高，短时间内不能够完成设计及做成实物。因此，本设计最终选择方案一开展设计。第 2.2 节 软件系统方案选择2.2.1. 方案一采用 C 语言环境编写C 是结构式语言。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。它简单、灵活、对各种需要的适应性强。C 语言功能齐全，具有各种各样的数据类型、运算符、表达式、数组、结构体以及共用体，并引入了指针的概念，可使程序效率更高，而且 C 语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，用户还可以自定义函数，这使得 C 语言的使用更加方便。且我们学的就是 C 语言，有一定的功底运用比较方便。2.2.2. 方案二采用汇编语言环境编写汇编语言比机器语言易于读写、易于调试和修改，同时也具有机器语言执行速度快，占内存空间少等优点，但在编写复杂程序时具有明显的局限性，汇编语言依赖于具体的机型，不能通用，也不能在不同机型之间移植。虽然学过汇编，但是编写难度较大。为了方便编写、修改，后期维护选择了方案一。
