數(shù)字存儲(chǔ)示波器

1、 簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器作者: 陳勇 張勛 儲(chǔ)成火 摘 要本簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器以C8051F為控制和數(shù)據(jù)處理為核心,由信號(hào)調(diào)理模塊.A/D轉(zhuǎn)換模塊.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊.D/A模塊.方波整形模塊.觸發(fā)模塊.程控增益控制模塊和人機(jī)接口模塊組成.采用示波器輸出一個(gè)DC-50KHZ的正弦波信號(hào),經(jīng)程控增益轉(zhuǎn)換后,進(jìn)行電平移位,把雙極性信號(hào)變?yōu)閱螛O性信號(hào),進(jìn)行A/D采樣,存儲(chǔ)后,再D/A后回放.水平掃描控制通過(guò)控制器產(chǎn)生一個(gè)水平掃描信號(hào),進(jìn)行行掃描.用示波器可以觀察到通過(guò)按鍵控制可以進(jìn)行水平掃描,還有一部分?jǐn)?shù)據(jù)可以通過(guò)液晶顯示.為了提高測(cè)量精度,把各部分電路的誤差合理分配,使電路達(dá)到最佳的測(cè)量的效果.一,總體設(shè)計(jì)

2、和單元電路的實(shí)現(xiàn) 1.1總體方框圖 本系統(tǒng)由8051F單片機(jī),增益控制模塊,電平移位模塊,過(guò)零比較模塊,高速A/D和高速D/A模塊組成;以下是單通道信號(hào)發(fā)數(shù)字示波器的方框圖; 1.2電源模塊設(shè)計(jì) 電源的穩(wěn)定如否直接關(guān)系著系統(tǒng)是否穩(wěn)定,因此設(shè)計(jì)出高穩(wěn)定性的電源是必不可少的,同時(shí)由于不同的集成電路工作的電壓不一樣,為了讓它們都工作在最佳狀態(tài),必須給它們提供適當(dāng)?shù)碾娫措妷?一般最常用的是-5V+5V和-12V-+12V,因此我們?cè)O(shè)計(jì)出了相應(yīng)的電源,給它提供了各種濾波措施,都是為了讓它輸出的電源穩(wěn)定.1.3程控增益模塊 由于本設(shè)計(jì)要求垂直的靈敏度設(shè)置為0.01V/div,0.1V/div,1V/div

3、,以0.01V/div說(shuō)明,此時(shí)示波器滿刻度顯示時(shí),是0.01x8=0.08V,也就是當(dāng)我們輸入的信號(hào)是0.08V時(shí),剛好滿度顯示,但是A/D采樣的電壓在2V,那么它的增益A=2/0.08=25.,同理0.1V/div時(shí),A=2/0.8=2.5;1V/div時(shí),A=2/8=0.25,由此我們可以設(shè)計(jì)出程控增益放大器; 當(dāng)Vin<0.08時(shí),A=25; 當(dāng)Vin<0.8時(shí),A=2.5; 當(dāng)Vin<8時(shí),A=0.25;由上可知,要設(shè)計(jì)此程控增益放大器,對(duì)放大器的要求比較高,特別是線性度越高越好,在這里我們選擇LF356;1.4電平移位 由于單片機(jī)對(duì)雙極性的信號(hào)采集有很大的困難,誤

4、差也很大,所以在采集之前,要把雙極性的信號(hào)變單極性的信號(hào),這樣對(duì)單極性信號(hào)采集就相對(duì)容易,電路圖如下： 1.5 A/D和D/A模塊 A/D和D/A是本設(shè)計(jì)的核心部分,它的速度直接影響波形輸出的好壞,控制器C8051F內(nèi)部集成有A/D和D/A,但是它的采樣速率是100kbps,而本設(shè)計(jì)要求能夠?qū)?0KHZ以下的頻率能進(jìn)行采樣后恢復(fù),由此可知道當(dāng)在50KHZ時(shí),采樣點(diǎn)數(shù)n=100KHZ/50KHZ=2,即在一個(gè)周期內(nèi)只能采樣2個(gè)點(diǎn),是不可能恢復(fù)出完整的波形,在一個(gè)周期中采樣的點(diǎn)數(shù)越多,恢復(fù)出來(lái)的波形也就越完美.設(shè)在一個(gè)周期內(nèi)采樣100個(gè)點(diǎn),可知在50KHZ時(shí)的采樣率是5MHZ,對(duì)C8051F單片機(jī)

5、的采樣率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,因此就需要更高采樣速率的A/D和D/A;轉(zhuǎn)換芯片,我們用了20MHZ采樣速率的TLC5510的A/D轉(zhuǎn)換芯片,可以完成50KHZ的采樣,而且可以完整的恢復(fù)出來(lái),同樣也用了高速的D/A芯片THS5651,使輸出的波形近似于輸入波形,使誤差降到了最低.以下是A/D和D/A芯片的簡(jiǎn)要介紹:1.6 整形電路模塊 要使控制器時(shí)時(shí)保持同樣的采樣的點(diǎn)數(shù),就要對(duì)不同的頻率的周期進(jìn)行計(jì)算,但是我們輸入的信號(hào)是正弦信號(hào),因此先得把它給整形成方波信號(hào),這樣便天單片機(jī)處理,我們用LM339進(jìn)行過(guò)零比較,可以把它較好的給整形,電路原理圖如下:二. 系統(tǒng)調(diào)試與系統(tǒng)測(cè)試 2.1系統(tǒng)調(diào)試 根據(jù)方案設(shè)計(jì)要

6、求，調(diào)試過(guò)程共分三大部分，硬件調(diào)試，軟件調(diào)試，軟件和硬件聯(lián)調(diào)。電路按模塊逐個(gè)調(diào)試，各模塊調(diào)試通過(guò)后在聯(lián)調(diào)。程序先在最小系統(tǒng)板調(diào)試，通過(guò)后在軟硬聯(lián)調(diào)。硬件調(diào)試主要是考慮怎么把各個(gè)模塊的測(cè)量誤差降到最低，把誤差控制在最小范圍內(nèi)。A/D和D/A轉(zhuǎn)換的精度、過(guò)零比較的速度、放大電路的倍率等都是系統(tǒng)的主要誤差來(lái)源。由于在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中考慮到各個(gè)部分電路的誤差分配，盡量將誤差降低到最小。軟件和硬件的聯(lián)合調(diào)試過(guò)程中，我們運(yùn)用的相應(yīng)的軟件補(bǔ)償和硬件補(bǔ)償措施，保證把誤差控制在一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)。2.2 指標(biāo)測(cè)試 測(cè)試儀器 TDS1002數(shù)字示波器 DF2172B交流毫伏表 GFG-8216A低頻函數(shù)發(fā)生器 DF1731SB