基于单片机的简易数字存储示波器设计研究

基于单片机的简易数字存储示波器设计研究内容摘要：

，存储结束转入 D/A 转换，数据读取中间有时间间隔， 判断 和 是否置位， 控制波形输出频率。 如果有按键按下，则程序判断是哪个键按下 ，从而 跳转执行 各个子程序。 二，存储波形子程序， A/D 转换结果由单片机控制依次存入外部存储器的 100 个存储单元，当这 100 个存储单元存储完毕，程序自毕业设计（论文）说明书 19 动转入扫描键盘继续执行 主程序。 三，显示存储波 形子程序，按外部存储器存储数据顺序读取数据进入 D/A 转换，数据转换中间有一定的时间间隔，可以控制波形的单倍、双倍、四倍 延伸 输出。 循环读取数据进入 D/A 转换，每次循环会判断是否复位拨码开关是否开启，如果开启程序自动转入扫描键盘继续执行主程序。 四， 实时显示双倍、四倍子程序，进入此子程序把 或 位置位，然后转到扫描键盘继续执行主程序。 毕业设计（论文）说明书 20 4 普通数字存储示波器 控制机构 及其存储功能 DSO有许多新的特性，这就使得 DSO 有许多模拟示波器没有的控制机构，下面我们将介绍若干最常见 的控制机构。 本次设计采用边沿触发方式，作用最终产生统一的上升沿有效的触发信号。 实验板上，单片机与 A/D 转换器时钟信号连接在 A/D 转换器介绍中已经介绍。 预触发和后触发 每次时基扫描都是由一个触发事件启动的。 这样一来我们就只通用性研究观察触发时刻以后的信号变化情况。 在很多应用场合，我们感兴趣的波形部分并不紧跟在引起稳定触 发的信号部位的后面，而是在触发以后一段时间，或者甚至可能在触发 之 前。 例如，当一个半导体器件被打开时，其输出信事情的幅度可能很大，我们可以用它来触发示波器，但是，如果 我们要研究该半导体器件开始导通的很 小的输入信号时，我们就会发现 ， 这个信号太小因而不能准确的触发示波器。 这就要求示波器具有所谓的预触发观察能力：即由 一个信号（这里指那个大的输出信号）来触发示波器，而示波器显示触 发时刻之前的信号的能力，这就使得示波器能用多通道的波形详细地显示出一个系统的输入和输出信号，从而看出系统响应的因果关系。 在另一些情况下，你可能想要详细地研究触发事件之后一段时间发生的信号有关部分。 例如在研究一个方波的抖动的大小，就可以使用一台具有后触发延迟或后触发观察能力的示波器。 这时可以毕业设计（论文）说明书 21 使用方波 的一个沿来触发示波器，而把时基设置成很高的速度以显示抖动，其做法是：在示波器探测到触发事件时，启动一个后触发延迟计数器。 将此计数器的计数时间设置成大约等于一个信号周期的时间。 当 此预先设计的定时时间结束以后，示波器就开始从方波的下一个上升沿 将开始的时刻开始采集。 由于延迟计数器是一个非常稳定的石英晶体控制的数字时钟，它与被测信号无关、独立工作，所以被没方波信号的抖动就会表现为示波器上采集到的上升沿位置的不稳定性。 也就是说在各次采集过程中，方波的上升沿将会在相对于触发事件卡拉奇不同时刻（即屏幕上的不同位置） 出现。 触发位置 ： 具有预触发或后 触发延迟能力的示波器必须具有某种方法来控制延迟时间的大小，这可以用触发位置控制机构来完成。 这个控制机构可以舍不得触发位置在屏幕上或者在采集记录中移动。 在有些示波器中，触发位置只能设置为几个预先规定的数值，例如在采集的信号记录的开关、中间和结尾。 但如示波器具有很宽的触发位置控制范围，使用起来将会是很方便的。 因此 PM3394A 示波器就允许用户将触发时刻设置在整个采集记录中的任何位置，并且触发位置还是连续可变的。 毛刺捕捉 ： 图 所示的是一个带有快速的毛刺或尖峰的失真正 弦波。 产生这种波形的原因可能是由于其它电路的干扰，也可能是由于连线离被测系统过近的缘故。 这些毛刺常常会引起系统发生误动作。 如果使用模拟示波器来观察，只有当毛刺信号是重复性的并且和主信号（即这个例子中的正弦波）同步时，我们才能看到毛刺信毕业设计（论文）说明书 22 号。 或者，如果我们的运气好，出现了很多的毛刺的朦胧形象。 由于毛刺源于其它的电路系统，所以这些毛刺通常只是偶尔发生，并且和主信号不同步。 那么， 通过 DSO 我们 不一定 能 触 发这些毛刺 ， 首先我们必须确保示波器已准备好去捕捉这些快速毛刺。 DSO 在特定时刻对输入信号进行采样， 采样点之间的时间间隔取决于时基设置。 如果毛刺的宽度比示波器的时间分辨率还要小，那么能否捕捉到毛刺就看运气如何了。 为了能够捕捉到毛 刺 ，我们的办法就是峰值检测或毛刺捕捉。 采 用 峰值检测的方法时，示波器将对信号波形的幅度连续地进行监测，并由正负峰值检测器将信号的峰值幅度暂 时 地存贮起来。 当示波器要显示采样点的时候，示波器就将正或负峰值检测器保存的峰值进行数字化，并将该峰值检测器清零。 这样在示波器上就用检测到的信号的正，负峰值代替了原来的采样点数值。 因此，峰值检测的方法能够帮助我们发现由于使用的采样速率过低而 丢失的信号或者由于假象而引起失真的信号。 峰值检测的方法对于捕捉调制信号，例如图 所示的 AM 波形，也是非常有用的。 为了显示这类信号，必须将示波器的时基设置得和调制信号在频率相配合，而在这种信号中，调制信号的频率通常在音频范围但载波频率通常为455KHz 或者更高。 在这种情况下，不使用行刺捕捉功能，就不能正确地采集信号，而使用了毛刺捕捉功能就可以看到类似模拟示波器所显示的波形。 示波器上的峰值检测功能是通过硬件（模拟）峰值检测器的方法或者快速采样的方法来实现的，模拟峰值检测器是一个专门的硬件电路，它以电容 上电压的形式存贮信号的峰值，这种缺点是速度毕业设计（论文）说明书 23 比较慢，它通常只能存贮宽度大于几个微秒且具有相当幅度的毛刺。 数字式峰值检测器围绕 ADC 而构成，这时 ADC 将以可能的最高采样速率连续对信号进行采样，然后将峰值存贮在一个专用的存储器中，当要显示采样点的值时，贮存的峰值就作为该时刻的采样值来使用。 数字式峰值检测器的优点是其速度和数字化过程的速度一样快，本书中用作示例的示波器 PM3394A 就能够在很低的时基速率设置下，如 1秒 /格，以正确的幅度采集到窄至 5ns 的毛刺。 滚动模式 ： DSO 能用和模拟示波器类似的方式显示波形，从触发事件开始， 示 波器采集信号的采样点，并将其存于采集在储器中的连续位置中。 一旦新的数据已将存储器的最后一个单元填满以后，采集过程结束，示波器就将采集存储器中的波形数据复制到显示存储器中去 ， 在此时期示波器不再采集新的数据。 对于低频应用的场合，信号的变化周期可达分钟量级而远不只是微秒的量级，这时 DSO 可以应用于一种全连续的显示方式：滚动模式。 而这种背后的极样点显示于屏幕的右面，屏幕上已有的波形则向左滚动（见图 ）。 老的采样点一旦移动到屏幕的左面即行消失。 这样一来示 波器屏幕上显示的波形总是反映出最新信号对时间变化的情况。 由于有了这种滚动模式，我们就可以用示波器来代替图表记录仪来显示慢变化的现象，诸如化学过程、电池的充放电周期或温度对系统性能的影响等。 特殊的触发方式 DSO 的存贮功能使它成为捕捉十分罕见、甚至于只发生一次的信号，例如单次事件或者系统闭锁等情况的极为有用的工具。 为捕捉这些信号就要求示波器具有各种各样的触发方式去探测这些特殊的条件，以便启动波形采集。 毕业设计（论文）说明书 24 这实惠这一目的，只有边缘触发方式往往是不够的，为此又开发了若干附加的触动发能力。 我们在此讨论其中的 几种。 图形触发 ： 在逻辑硬件电路各，信号是由许多并行的线来传送的，整个硬件的瞬时状态则是由在给定时刻时这些线上的状态来表示的。 为了识别硬件状态，就需要有一种仪器来检测这些线的状态。 使用图形触发功能可以监视多条，例如 4 条线的状态，当探测到用户规定的图形（例如 HHLH）或字时，示波器就被触发。 由于图形触妇的设计是和数字逻辑配合使用的，因此，可以用来监视各条线的状态是为高（ H）、低（ L）、或者任意（ X）。 状态触发 ： 逻辑硬件通常是围绕着一个中央时钟系统来构成的。 其中的所有硬件都在时钟系统的 指令之下来存贮其输入信号，因此我们的测试仪器也应依据同样的原则工作。 当使用状态触发时。 输入信号怕自理方法和图形触发时一样，只不过把其中的一个输入信号当作时钟信号。 如果示波器在时钟上升沿或下降沿时存贮的其余三条线的输入字和用户规定的触发定一致，则示波器新触发。 毛刺触发 ： 使用毛刺触发时，能引起系统误动作的窄脉冲，如毛刺、类 似 峰 值 等可以引起示波器触发。 如果一个系统是设计在 DC到某一频率信号下工作的，那么由于线路走线可能会使系统引入比此范围更高的频率信号，例如来自其它线路的干扰或吸收大功率的瞬变 信号等，可以把示波器设置为当被测脉冲的宽度小于允许的毕业设计（论文）说明书 25 最高频率信号之周期的一半时触发。 国为我们可以认为，在正常工作的情况下，这样窄的脉冲是不会发生的。 毛刺触发的另一个应用场合是逻辑硬件，这时硬件电路的逻辑状态都是和系统时钟同步变化的。 结果，这种硬件电路中的脉冲宽度都应为系统时钟周期的整倍数。 在这种系统中，故障的发生常常和脉冲宽度异常有关，为了探测故障，我们现在可以把示 波器的 触 发条件设置为在脉冲宽小于一个时钟周期时触发。 时间限定触发 ： 这种触发方式使得示波器在满足一定的时间长度要求的条件下，可 以按上述任何一种方式触发。 这种时间长度要求可以是要注 意 最小时间长度（如果时间长于某值则为有效），要求某一最大时间长度或者要求某一个从最小值到最大值的时间范围。 时间限定触发对于按照 系统不能满足正常工作条件来触发以对系统进行检测时非常 适用 的。 还可 以 用这种触 发 方式来探测连续工作信号发生的中断现象。 事件延迟 ： 这种触发方式使示波器多个信号的情况来触发，而其中的一个入号，用来延迟采集的超始点。 触发周期是由一个主信号，通常为多个信号通道之一启动的。 接收到主触发信号以后，示波器就开始检查第二个信号（这也可 能还是那个主触发信号，但取不同的电平），并对这个信号上的触发事件进行计数，当达到预先规定的触发事件数时，示波器就开始采集波形。 典型应用实例为串行数据线、控制系统及机械环境等。 毕业设计（论文）说明书 26 次周期 ： 这种功能可以用来从输入信号中选出每个第 N 次出现的波形，然后将这种选出的信号加到正常触发系统来使示波器触发。 当一个信号受到它的 谐波的影响而失真，也就是说这个信号是周期性的但其各个周期并不完全相同，这种情况下， N次周期触发方式特别有用。 例如，其一系统按 某 一固定频率运行，但是每过 12 个脉冲，脉冲宽度就变得宽一些。 这时可以选择 “N= 周期 = n12 ，这样示波器就只对这些变 宽的脉冲 做 出响应，引起触发 波形存贮 被测信号的波形 存入存储器以后，可以将其复制到所谓的后备存储器或寄存器中，供以后进行分析或作参考及比较的目的使用，DSO 中通常装有多个这种存储器可以按扫迹存储器的 方式设置，这时示波器多通道采集的每一条扫迹将分别存贮，也可将后 备 存储器设置为记录存储器，这时示波器将多通道采集所有数据同时存贮了所有有关的时间信息。 示波器配备大量的后备存储器对于在现场工作的工程师是 很方便的。 这时工程 师可以把现场测量期间所有有关的波形都存贮下来，以便以后生成硬 拷贝 ，或将这些波形传往计算机再作进一步的分析。 在 DSO 屏幕上看到的波形是由存储器中的采样点重建出来的信号波形。 这时示波器在屏幕上显示出这些采样点，并在这些采样点之间画出连线， 这种波形显示的工作可以按几种方法来 做 ，最简单的方法是在各个采样点之间用直线连接，这种京都我为线性内差，只要各采样点之间告得很近，例如每格 50个采样点，用这种方法就毕业设计（论文）说明书 27 能获得足够的重建波形，如果在信号跳变沿前后都采集了采样点，那么用这种方法就可以观察领事的沿，如果 将显示的波形在水平方向放大，使得采集的采样点之间的距离变大，那么示波器屏幕上信号波形的亮度就会降低，所以，示波器是通过计算出内插的或显示的采样值来保持屏幕上显示的采样点数足够高，当屏幕上的波形在水平方向放大得很大时，在屏幕上显示出一条通过各采样点的连续的曲线就比在采点之间用直线连接要好得多，为此可用使用正弦内插法。 采用这种方法时，在屏幕上将各个采集的采样点用幅度和频率均为可变的最佳正弦拟合曲线连接直来。 采用了内插的方法以后，既使当屏幕上每格的采样点数较少时也能得到和模拟示波器显示波形类似的自然平滑的重建波形。 为了察看真正的采样点，示波器通常设有点显示方式，在此方式之下，不使用任何内插方法。 选择这种方式以后，我们在屏幕上只能看到用离散亮点表示采样点，而在这些点之间没有任何连线。 毕业设计（论文）说明书 28 5 测试结果及 总结 通过单片机控制本次设计可以实现数字存储示波器的一些简单功能，如实时显示波形、波形延伸、存储波形、显示存储波形、显示存储波形延伸等，但是。