1、本 科 毕 业 设 计数字式小示波器的设计所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II摘要在现代电子测量中，示波器作为最常用的仪器之一，被广泛的应用于各个领域。众所周知，示 波 器 可 以 用 来 观 察 、 测 量 和 记 录 各 种 瞬 时 电 压 电 流 ， 同 时 还 可 以 通 过 波 形 方 式 来 显示 电 压 电 流 与 时 间 的 关 系 。 从 波 形 中 ， 可 以 知 道 所 测 信 号 的 很 多 特 征 。 通 过 示 波 器 的 直 观显 示 ， 我 们 就 能 更 加 深 入 的 理 解 被 测 对 象 了 。通常，
2、数字示波器主要是利用A/D转换技术和数字存储技术来工作的。它将模拟信号经过A/D实时采样以产生数字信号并在存储器中长期保存。当数字示波器进行工作时，它先对从探针中输入的模拟信号进行A/D转换，从而得到与输入瞬时值对应的一系列数值，并将这些数值进行存储。而存储后的数值经过处理器复杂的处理运算后，将被用于液晶显示器信源波形的绘制及信源波形各种参数的计算与分析。这就是数字示波器的基本工作原理。本次设计主要是针对单片机和液晶显示器两大重要组成部份，进行硬件电路及控制程序的分析与设计，最终实现对输入波形的监测与显示。单片机方面，采用宏晶公司的STC12C5A16S2单片机。它是新一代的8051单片机，具
3、有高速、低功耗、超强抗干扰等特点，并且指令代码完全兼容8051，但速度却是普通单片机的812倍。可进行在线程序写入，特别适合开发设计阶段使用。除些之外，它还具有丰富的片内资源，如ADC功能、PWM功能、片内时钟等；液晶显示器方面，采用中文液晶显示器12864，它有很多种接口形式，低电平功耗是它的一大显著特点。它能以点阵的方式对图形进行显示。通过使用这个模块，显示器就能很方便的显示汉字与图形了。并且，它的硬件结构和显示程序方面都很简洁，只要处理器给一个命令就能很方便的对芯片系统进行操作与控制。通过最后的调试与测量，本设计已具备显示一定频率的信源波形功能，完全达到了设计的要求。关键词：数字示波器；
4、单片机；设计 IIIDesign of Digital OscilloscopeAbstractIn modern electronic measurement, oscilloscope, as one of the most commonly used instruments, is widely used in various fields. As we all known, the oscilloscope can be used to observe, measure and record the variety of transient voltage and current, b
5、ut also to show the relationships between voltage(or curr ent) and time by the way of waveforms. From the waveform, we can know many features of the measured signal. With the visual display by an oscilloscope, we can get more in-depth understanding of the measured object. Typically, the oscilloscope
6、 generates a two-dimensional waveform. The input voltage or current signal is displayed on the Y axis, while the time parameters is shown in X axis. Usually, the traditional analog oscilloscopes display device uses a CRT (a monitor which uses cathode ray tube). Because of modern computer technology
7、and the continuous development of microelectronic technology, the oscilloscope has started a transition from analog oscilloscope to digital oscilloscope. Compared with analog oscilloscope, digital oscilloscope has more advantages, so it beginns to gradually replace the analog oscilloscopes status an
8、d becomes the mainstream on the market.Typically, digital oscilloscopes mainly uses A/D conversion technology and digital storage technology to work. With A/D real-time sampling, analog signal is transformed into digital signal.and stored in long term. When the digital oscilloscope works, firstly it
9、 high-speedly samples the analog signal from the probe, to obtain a series of data corresponding to the instantaneous value of the input and these data will be stored. the data stored in memory will be used to reconstruct the signal waveform on the LCD screen; To obtain all the required signal param
10、eters, the oscilloscope uses digital signal processing technology to process and compute sampling digital signal.; Finally, according to the received signal parameters, the oscilloscope draws the waveform and analyse the measured signal in real time, to facilitate the users to understand the signal
11、quality. All of above are the basic working principle of digital oscilloscope. This design is mainly aimed at SCM and LCD monitor. After analysing and designing the hardware circuit and control program, testing the actual function, this design realizes the detection and display of the input waveform
12、. Key words: digital oscilloscope; SCM; designIV目 录第 1 章 前言 .11.1 数字示波器的历史背景与现状 .11.2 数字示波器的发展前景 .21.3 设计要求与目的意义 .2第 2 章 系统设计方案 .32.1 数字式小示波器的 ADC 转换方式 .32.2 数字式小示波器的处理器选择方案 .32.3 数字式小示波器显示器选择方案 .32.4 数字式小示波器的总体设计方案 .3第 3 章 系统硬件电路设计 .43.1 数字式小示波器的硬件设计原理 .43.1.1 信号电平接口电路 .53.1.2 单片机最小系统电路 .63.1.3 显示接
13、口电路 .83.1.4 串行口电路 .103.1.5 电源电路 .11第 4 章 系统软件设计原理 .124.1 A/D 转换子程序 .124.2 LCD 液晶显示子程序 .134.3 按键处理子程序 .144.4 数据存储子程序 .15第 5 章 调试与性能分析 .16小结 .17致谢 .18参考文献 .19附录 1：数字式小示波器原理图 .20附录 2：数字式小示波器实物图片 .20附录 2：数字式小示波器实物图片 .21附录 3：数字式小示波器的软件程序 .22V附录 4： STC12C5A16S2 单片机芯片资料 .33附录 5： LCD12864 芯片资料 .361第 1 章 前言1
14、.1 数字示波器的历史背景与现状1.历史背景示波器的兴起是在上世纪四十年代左右。当时，电视和雷达等设备的开发都需要性能良好的波形观察工具。在这样的需求下，泰克公司旗下的带宽为10MHz的同步示波器就应运而生了。显然，它的出现也为近代示波器的飞速发展奠定了很好的基础。随着半导体和电子计算机的相继问世，五十年代的电子示波器技术比之前又进步了不少，此时的示波器带宽已能达到100MHz。而到了六十年代，美国、日本、英国、法国等发达国家都在电子示波器的发展史上贡献出了自己的力量。带宽6GHz的取样示波器、带宽4GHz的行波示波管和带宽为1GHz的存储示波管等设备都相继被研发出来，而便携式、插件式示波器也
15、成为了系列产品。七十年代后，模拟示波器的发展已经达到了顶峰。此时的行谱系列已非常完整，带宽为1GHz的多功能插件式示波器也被当成是当时示波器科技的最高水平。之后，为测试了数字电路需要，制造厂商又增添了逻辑示波器和数字波形记录器等仪器。自此，模拟示波器就没有了更大的进展，开始被数字示波器所取代，英国和法国等制造开发商也相继退出示波器市场。此后，美国一如继往的以其先进技术在示波器领域领先，而日本则占据了示波器的中低档产品市场。对于模拟示波器来说，要提高带宽，需要示波管、水平扫描和垂直放大的全面推进。而数字示波器的带宽改善，只需要提高前端的A/D转换器的性能，在示波管和扫描电路等方面却没有特殊的要求
16、。再加上数字示波管还能充分利用记忆、存储和处理，以及多种触发和预前触发能力。二十世纪八十年代后，数字示波器异军突起，发展至今已硕果累累，并有全面取代模拟示波器之势。而模拟示波器也自然而然的逐渐从前台退到后台 19。2研究现状国外的现状：泰 克 、 安 捷 伦 、 立 科 这 三 大 外 国 公 司 生 产 的 示 波 器 目 前 仍 占 据 着 市 场 的主 流 。 美 国 泰 克 公 司 在 示 波 器 领 域 的 权 威 性 是 世 界 公 认 的 ， 技 术 方 面 也 一 直 处 于 领 先 地 位 。它 推 出 的 示 波 器 具 有 独 特 的 保 证 高 信 号 保 真 度 的
17、获 取 结 构 ， 能 够 利 用 先 进 的 触 发 系 统 ， 提供 快 速 瞬 态 信 号 的 多 通 道 获 取 ， 显 示 和 所 有 测 量 的 有 效 修 正 ， 先 进 的 波 长 处 理 等 能 力 。 而安 捷 伦 公 司 ， 目 前 已 经 开 发 出 了 13Gsa带 宽 ， 40Gsa/s实 时 采 样 率 的 超 高 性 能 示 波 器 。 但由 于 昂 贵 的 价 格 ， 尤 其 是 核 心 部 件 A/D， 应 用 领 域 还 不 是 特 别 的 普 遍 。 排 名 第 三 的 立 科公 司 在 示 波 器 方 面 ， 它 推 出 了 各 种 信 号 的 示 波
18、 器 ， 并 具 有 其 独 特 的 特 点 ： 能 够 自 动 测 试32种 参 数 。 其 示 波 器 的 另 一 个 特 点 就 是 存 储 长 度 长 ， 长 存 储 提 供 高 的 分 辨 率 ， LeCory独 有 的 存 储 管 理 系 统 ， 配 合 其 先 进 的 峰 值 检 验 电 路 ， 使 得 整 个 波 形 在 单 一 屏 幕 内 显 示 ， 即可 即 时 找 出 毛 刺 及 干 扰 的 所 在 ， 确 保 任 何 扫 描 速 度 动 作 ， 都 能 保 持 较 高 的 采 样 速 率 。国内的现状：相 比 国 外 ， 我 们 国 内 在 数 字 示 波 器 研 发
19、方 面 还 处 于 起 步 阶 段 ， 日 常 使 用的 数 字 示 波 器 很 多 都 是 进 口 的 ， 高 端 示 波 器 的 技 术 主 要 还 是 靠 的 美 国 ， 但 在 300MHz带宽 之 内 的 示 波 器 ， 目 前 国 内 做 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 。 我 们 国 内 生 产 的 数 字 存 储 示 波 器 ， 由 于 受 到 高 速 取 样 技 术 的 限 制 ， 大 部 份采 用 的 是 重 复 取 样 技 术 。 这 样 一 来 ， 示 波 器 的 性 能 也 就
20、大 大 降 低 了 。 因 此 ， 我 们 需 要 充 分的 了 解 国 外 高 性 能 数 字 示 波 器 的 研 发 动 向 ， 突 破 技 术 障 碍 ， 从 而 提 高 自 身 的 市 场 竞 争 力 。21.2 数字示波器的发展前景在科技迅速发展、经济全球一体化的当今社会中，简洁、高效、经济已经成为人们做事的一大宗旨。越来越多的用户已经享受到了示波器所带来的便捷与实用。这种越来越大的市场需求，将促使示波器继续向 数 字 化 、 智 能 化 、 集 成 化 、 多 功 能 化 、 高 精 度 化 的 方 向 发 展 。从性能上来讲，示波器将会向高带宽，高采样率发展，最具代表性的 T70
21、000 及 8000 系列产品，它的带宽最高可达到 20GHz，采样速率可达 50GS/s,这意味着示波器完全可以对光电 信 号 和 微波 信 号 进 行 高 速 测 量 以 及 准 实 时 分 析 。 此 外 ,随 着 示 波 器 技 术 的 不 断 发 展 ，它 的 波 形 捕 获 速 率 也 将 会 大 幅 度 提 高 。 目 前 示 波 器 的 捕 获 速 率 已 由 10 年 前 的 每 通 道 几千 帧 ,发 展 到 了 现 在 的 每 通 道 30 万 帧 ,这 对 查 找 信 息 系 统 底 层 相 关 结 点 数 据 随 机 的 、 偶发 的 间 歇 故 障 提 供 了 快
22、速 的 查 找 和 有 效 的 统 计 分 析 ,提 高 故 障 诊 断 效 率 。从 功 能 方 面 来 讲 ， 由 于 人 们 对 电 子 设 备 的 性 能 要 求 不 断 的 提 高 ， 示 波 器 必 将 会 向 着 多功 能 的 方 向 进 行 研 发 与 扩 展 。 我 们 目 前 所 使 用 的 数 字 存 储 示 波 器 已 对 多 项 功 能 进 行 了 集 成 ，能 实 现 对 多 领 域 的 测 量 与 分 析 。 因 此 ， 对 示 波 器 功 能 的 区 分 与 界 定 将 会 变 的 越 来 越 困 难 。我 想 ， 未 来 示 波 器 的 发 展 主 要 将 会
23、 是 以 上 两 个 方 向 ， 同 时 不 断 提 升 它 的 基 础 性 能 ，来 满 足 电 子 工 业 飞 速 发 展 的 需 要 ； 此 外 ， 包 括 示 波 器 在 内 的 测 试 仪 器 也 将 会 更 人 性 化 、 更方 便 、 也 更 有 效 的 被 用 户 轻 松 操 作 ， 更 丰 富 的 软 件 特 性 也 应 该 被 加 入 到 示 波 器 平 台 上 以 迎合 客 户 日 益 多 样 化 的 需 要 。1.3 设计要求与目的意义本次设计的目的主要是通过对数字式小示波器的设计，掌握单片机应用系统的设计方法，提高我们对单片机的综合应用设计能力。用单片机设计出的能显示
24、信源波形的实物,通过输入控制源程序，能演示功能，具有一定的实用价值。3第 2 章 系统设计方案2.1 数字式小示波器的 ADC 转换方式ADC 转换是一个将模拟量转换为数字量的过程。流行的电压标定 ADC 原理是先用基准电阻串联，将基准分为若干区间，每个区间对应一个数字码，这样基准区间和数据码就构成了一维线性有序表，所以 ADC 转换实际上就是一个查表的过程。目前最新的全并行（flash）ADC 转换是多指针并行查找过程，因此速度为最快。而典型的逐次逼近 ADC 则属于单指针折半查找过程，因此速度很慢。本次设计采用的是宏晶公司的单片机，它具有 8 路 10 位精度的片内 ADC，ADC 转换速
25、度可达 250 万次/秒，能对本次设计中的信号完成高精度快速采集。2.2 数字式小示波器的处理器选择方案本次设计采用的单片机是宏晶公司的STC12C5A16S2，是一款单时钟/机器周期的单片机。并且它还是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容8051，但速度却是普通单片机的8-12倍。可进行在线程序写入，特别适合开发设计阶段使用。除些之外，它丰富的片内资源，如ADC功能、PWM功能、片内时钟等，都是选择它的原因之一。2.3 数字式小示波器显示器选择方案考虑到本设计要显示各类信号波形等信息，并要尽可能的降低能耗，所以我决定采用中文液晶显示器 12864。LCD12864
26、 具有显示数字、字母、中文字符和图像等功能。它的所有功能都被集成在一块芯片内，只要处理器给一个命令就能很方便的对芯片系统进行操作与控制。同时，液晶系统还包含了中文字型 ROM、半宽字型 ROM、字型产生 RAM，它能产生 8192 个中文字符和 126 个符号字型。此外，LCD 的绘图功能还有一个 25664 点阵的画图区域，能实现与文字的混合显示。2.4 数字式小示波器的总体设计方案数字式小示波器的系统框图如图 2.1 所示。图 2.1 数字式小示波器的系统框图电压变换器电流变换器电平转换电路电平转换电路单片机处理器液晶显示器操作按键4第 3 章 系统硬件电路设计3.1 数字式小示波器的硬件
27、设计原理数字式小示波器电路原理图 11,17如图 3.1 所示。图 3.1 数字式小示波器原理图数字式小示波器将模拟信号通过 A/D 高速实时采样以获得数字信号，并利用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关的处理，最终这些处理后的数据被用来在 LCD 屏幕上重建信号波形。本次设计，我采用时钟晶振为 12M 的 STC12C5A16S2 单片机作为主控芯片。它的P1 和 P2口将被作为数字式小示波器的 8 路高速 ADC输入口和LCD 液晶显示口；P3 口则用于按键操作和串行口程序的收发2.3,5,6。3.1.1 信号电平接口电路信号电平接口电路主要是用于完成信号幅度以及电平的变换。由于单
28、片1 12 23 34 4DDCCBBAATitleNumberRevisonSizeA4Date:201-67Shet ofFilC:Docuents adSetings.Previous Backp fLCDTIME.SchrawnBy:EA/VP31X9218REST9D17W6 INT01213045 P10/T2314P56178P0391827036P4506732P01234P256728PSEN29AL/30TXD1RU5SC12A6S10k Y21MHZC430PFC530PF90125.1k18 VE中9L+4 RS5W6 E3Vlcd(中)2 1s10kP1.56.712
29、84中14+ +520uF+5+5+5R1 IN328T I0R1 OUT1229 47C1+ -3C2+ -5U6MAX3()1uF1.0uF162738495中DB9P3.0P3.1RESTVin1GND2Vout37805AC1V+23-450/212AC-60ON470uF10uFR320kR1k4K*ADC1中T1中2 +5R02kR21kK*T0中1 ADC0中DBBD2020 -7DB0key3P3.7910 3B42 D51364 75/ 1,06 7DB0123B4D567.61key03.4P.54P.3.P312864中中 中01Vc2312.5VTL432312.5VT
30、L435机ADC口的信号需要满足是05V的正极性信号，而我们的待测信号则是大于5V的交流信号，所以我们需要对信源信号进行极性和幅值的调整 15,18，如图3.2所示。图3.2 信号电平接口电路原理图待测交流电压由相应的变换器转换为05V的交流电压后，再通过电阻分压法进行电压幅值的调整，根据设计要求计算可得，5V交流电压有效值的峰峰值为：VP-P=2 5=14.14V （3-21）如图3.2对信号进行分压，R0、R1电阻分别采用20K和 11K， ，则可通过公式（2）计算出分压后ADC口实际可得到的电压峰峰值：ADC口的实际可得电压V P-P *R1/(R1+R2)=14.1411315V (3-2)在信号电平接口电路设计中，我们采用了稳压值为2.5V的TL431稳压管进行交流到直流的变换，从而满足了ADC口05V正极性信号波形的要求。信号的电平幅值前后变换，如图3.3所示。
