基于單片機的簡易數(shù)字示波器的設計

1、-華北理工大學輕工學院Qing Gong College North China University of Science and Technology畢業(yè)設計說明書設計題目：基于單片機的簡易數(shù)字示波器的設計學生：學 號：專業(yè)班級：測控技術與儀器 學 部：信息科學部指導教師： 2021 年5月30日. z-摘 要數(shù)字存儲示波器是依據(jù)數(shù)字集成電路技術的開展而出現(xiàn)的智能化示波器，現(xiàn)在已經(jīng)成為電子測量領域的根底測量儀器。數(shù)字存儲示波器的技術根底是數(shù)據(jù)采集，該技術已經(jīng)廣泛應用于數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品中，對相關儀器的研發(fā)與創(chuàng)新具有深遠意義。隨著技術與元器件的開展與創(chuàng)新，數(shù)字存儲示波器正在向?qū)拵Щ?、模塊化、多功能

2、和網(wǎng)絡化的方向開展。數(shù)字存儲示波器可以實現(xiàn)高帶寬和強大的分析能力。高端的數(shù)字存儲示波器實時帶寬已經(jīng)可以到達20GHz，可以廣泛的應用各種千兆以太網(wǎng)、光通訊等測試領域。而中低端的數(shù)字存儲示波器已經(jīng)可以廣泛應用于各個領域的通用測試，也可以廣泛應用于高校及職業(yè)院校的教學。但是現(xiàn)在國外數(shù)字存儲示波器在幾千到幾十萬不等，普遍價格偏高，不適用于簡單用途的使用與測量。所以這里介紹了數(shù)字存儲示波器的原理與根本概念并設計了一個簡易的基于單片機的數(shù)字存儲示波器，簡化制作本錢錢，并能實現(xiàn)其根本功能與主要技術指標。關鍵詞 數(shù)據(jù)采集、單片機AbstractDigital storage oscilloscope is

3、based on the development of Digital IC technology and intelligent oscilloscope, now electronic measurement field of basic measurement instrument. The technology of digital storage oscilloscope is the data acquisition, which has been widely used in data acquisition products, and it has far-reaching s

4、ignificance for the development and innovation of the related instruments.With the development and innovation of technology and ponents, digital storage oscilloscope is developing to broadband, modular, multi-function and network. Digital storage oscilloscope can achieve high bandwidth and strong an

5、alytical skills. High end digital storage oscilloscope real-time bandwidth has been reached 20GHz, can be widely used in various Gigabit Ethernet, optical munications and other test areas. And the low-end digital storage oscilloscope has been widely used in various fields of universal testing, can a

6、lso be widely used in Colleges and universities and vocational colleges teaching.But now the digital storage oscilloscope at home and abroad, ranging from thousands to hundreds of thousands, the general price is high, not for simple purposes and measurement. So here the basic concepts and principles

7、 of digital storage oscilloscope and design a simple digital storage oscilloscope based on MCU, simplify the production cost and realize the basic functions and main technical indicators.Keywords:data acquisition microcontroller. z-目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 選題的背景意義和研究現(xiàn)狀11.1.1 選題的背景意義11.1.2 國外研究現(xiàn)狀1

8、1.2 設計的任務和要求21.2.1設計的主要任務21.2.2 設計的根本要求2第2章 數(shù)字存儲示波器的根本原理32.1數(shù)字示波器的根本原理32.1.1 數(shù)字存儲示波器的組成原理32.2數(shù)字存儲示波器的工作方式32.2.1數(shù)字存儲示波器的功能32.2.2觸發(fā)工作方式42.2.3測量和計算工作方式42.2.4面板按鍵操作方式42.2.5數(shù)字存儲示波器的顯示方式42.3數(shù)字存儲示波器的特點62.4數(shù)字存儲示波器的主要技術指標62.4.1最高取樣速率62.4.2存儲帶寬72.3.3分辨率72.4.4存儲容量72.4.5讀出速度72.5數(shù)字信號的采集與存儲7第3章 系統(tǒng)硬件電路的設計93.1 STC1

9、5W4K60S4系列單片機93.2 LCD1286493.3硬件系統(tǒng)設計11第4章 系統(tǒng)功能的軟件設計134.1單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)134.2主程序設計及流程圖134.2.1 數(shù)字存儲示波器系統(tǒng)流程圖13第5章 結論和展望155.1結論155.2展望15致 16參考文獻17附錄一18. z-第1章 緒論1.1 選題的背景意義和研究現(xiàn)狀1.1.1 選題的背景意義據(jù)IEEE的文獻記載1972年英國Nicolet公司創(chuàng)造了世界第一臺數(shù)字存儲示波器，到1996年惠普科技創(chuàng)造了世界第一臺混合信號示波器。數(shù)字示波器自從上個世紀七十年代誕生以來。應用已經(jīng)越來越廣泛，已成為測試工程師的必備工具。21世紀是一個技

10、術和科學都在飛速開展的時代，隨著自動化技術、通信技術、電子技術、計算機技術的高速開展，電子測量技術也獲得了巨大的開展。數(shù)字示波器就是存儲波形以及對多種信號的計算、分析、處理等優(yōu)異的性能逐步取代模擬示波器。數(shù)字示波器可以對信號進展一次性的采集，將波形存儲起來，還可以通過操作波形的位移來觀察波形的任何一個局部。在測量領域示波器是最常用的電子儀器之一，但是傳統(tǒng)的示波器都存在一定的缺點。模擬示波器無法存儲波形和監(jiān)視實時信號，而示波器雖然擁有這些功能，但是卻價格昂貴，而且都存在體積過于笨重、操作過于繁瑣、不方便攜帶、耗電量大與不便于現(xiàn)場測試等缺點，給實際應用帶來了相當多的不便。為了將書本上的專業(yè)知識運用

11、到實際當中，而且了解到作為電子儀器將來有非常廣闊、巨大的開展空間，所以我選擇了數(shù)字存儲示波器這個畢業(yè)設計題目。1.1.2 國外研究現(xiàn)狀從示波器創(chuàng)造至今，微處理技術和數(shù)字集成電路得到了迅速開展，示波器也已經(jīng)開場融合這些技術了來使用各種需要。經(jīng)過幾十年的開展，示波器由電子管開展到晶體管，又開展到集成電路；由模擬電路開展到數(shù)字電路；由通用示波器開展到取樣、數(shù)字、邏輯、記憶、存儲、智能化示波器等十大系列、幾百樣品種。美國Tektroni*公司建立于1947年，已經(jīng)有了9大系列，100多種產(chǎn)品，產(chǎn)品普及全球，已經(jīng)是是世界公認的示波器權威。目前主要的生產(chǎn)廠家是美國的安捷倫公司、泰克公司、力科公司、的固緯公

12、司、國的中國電子科技集團第41研究所和普源精電公司等。自1951年以來，我國在示波器生產(chǎn)研發(fā)方面也取得了非常大的進展，現(xiàn)在已經(jīng)可以生產(chǎn)寬帶、記憶、高靈敏度、邏輯、數(shù)字存儲等各類示波器，而且一些種類示波器的主要技術指標已經(jīng)到達國際先進水平。在20世紀30年代是電子示波器時代，1985年示波器寬帶到達了100MHz。20世紀50年代是晶體管示波器階段，由于采用了晶體管元件，示波器寬帶突破了100MHz到達了150MHz，在1969年又到達了300MHz。20世紀70年代是集成化示波器階段，集成電路技術實現(xiàn)了示波器的小型化和高性能、高準確性。1971年問世的微處理器，讓示波器的寬帶到達了500MHz

13、，1979年到達了1GHz的頂峰。1972年第一臺數(shù)字示波器問世，它對示波器的開展產(chǎn)生了巨大的影響。1973年同時出現(xiàn)了邏輯定時分析儀和邏輯狀態(tài)分析儀標志著示波器測量已經(jīng)跨入了數(shù)領域。1974年發(fā)表的帶微處理器的示波器，預示著示波器的開展進入了一個嶄新的階段。80年代以來，示波器正朝著智能化、數(shù)字化飛速開展，示波器的技術日新月異，新的產(chǎn)品層出不窮。1.2 設計的任務和要求1.2.1設計的主要任務數(shù)字存儲示波器是利用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)把被測模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,然后存入隨機存儲器(RAM)中,需要顯示的時候?qū)AM中的容調(diào)出,通過相應的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(D/A)在恢復為模擬信號顯示在示波器屏幕

14、上,便于人們記錄、觀察波形，而且可以將獲得的信息進一步的處理、分析。所以要求設計能對被測信號進展采集、存儲和顯示，掃描頻率可調(diào)，波形無明顯失真，設計硬件控制電路，畫出硬件設計原理圖，編寫相應的控制軟件，并進展對信號的實際測試與調(diào)試。1.2.2 設計的根本要求設計的需利用單片機進展控制，基于51單片機和液晶顯示的示波器。適合-5V5V信號的采集，頻率測量010000Hz，頻率誤差小于0.1%，寬帶可到達010KHz，電壓測量圍0V5V，精度為0.1V，液晶顯示使用LCD12864，觸發(fā)電平+/-，耦合方式有交流耦合和直流耦合，可以識別正弦波、三角波、方波。第2章 數(shù)字存儲示波器的根本原理2.1數(shù)

15、字示波器的根本原理2.1.1 數(shù)字存儲示波器的組成原理數(shù)字示波器是數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換，軟件編程等一系列的技術制造出來的高性能示波器。數(shù)字示波器一般支持多級菜單，能提供給用戶多種選擇，多種分析功能。還有一些示波器可以提供存儲，實現(xiàn)對波形的保存和處理。目前高端數(shù)字示波器主要依靠美國技術，對于300MHz帶寬之的示波器，目前國品牌做的示波器在性能上已經(jīng)可以和國外品牌抗衡，且具有明顯的性價比優(yōu)勢。數(shù)字示波器因具有波形觸發(fā)、存儲、顯示、測量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨特優(yōu)點，其使用日益普及。由于數(shù)字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異，如果使用不當，會產(chǎn)生較大的測量誤差，從而影響測試任務。帶寬是示波器最

16、重要的指標之一。模擬示波器的帶寬是一個固定的值，而數(shù)字示波器的帶寬有模擬帶寬和數(shù)字實時帶寬兩種。數(shù)字示波器對重復信號采用順序采樣或隨機采樣技術所能到達的最高帶寬為示波器的數(shù)字實時帶寬，數(shù)字實時帶寬與最高數(shù)字化頻率和波形重建技術因子K相關數(shù)字實時帶寬=最高數(shù)字化速率/K，一般并不作為一項指標直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出，模擬帶寬只適合重復周期信號的測量，而數(shù)字實時帶寬則同時適合重復信號和單次信號的測量。廠家聲稱示波器的帶寬能到達多少兆，實際上指的是模擬帶寬，數(shù)字實時帶寬是要低于這個值的。例如說TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz，實際上是指其模擬帶寬為500MHz，而最高數(shù)字實時

17、帶寬只能到達400MHz遠低于模擬帶寬。所以在測量單次信號時，一定要參考數(shù)字示波器的數(shù)字實時帶寬，否則會給測量帶來意想不到的誤差。2.2數(shù)字存儲示波器的工作方式2.2.1數(shù)字存儲示波器的功能數(shù)字存儲示波器的隨機存儲器RAM按功能可分為信號數(shù)據(jù)存儲器，參考波形存儲器，測量數(shù)據(jù)存儲器和顯示緩沖存儲器四種。信號數(shù)據(jù)存儲器存放模擬信號取樣數(shù)據(jù)；參考波形存儲器存放參考波形的數(shù)據(jù)，它采用電池供電，或采用非易失性存儲器，故可以長期保存數(shù)據(jù)；測量數(shù)據(jù)存儲器存放測量量與計算的中間數(shù)據(jù)和計算的結果，和一般微機化儀器的隨機存儲器作用根本一樣；顯示緩沖存儲器存放現(xiàn)時代波形，熒光屏上顯示的信息均有顯示緩沖存儲器提供。2

18、.2.2觸發(fā)工作方式數(shù)字存儲示波器的觸發(fā)方式包括常態(tài)觸發(fā)和預置觸發(fā)兩種方式常態(tài)觸發(fā):常態(tài)觸發(fā)是在存儲工作方式下自動形成的，同模擬示波器根本一樣，可通過面板設置觸發(fā)電平的幅度和極性，觸發(fā)點可處于復現(xiàn)波形的任何位置及存儲波形的末端，觸發(fā)點位置通常用加亮的亮點來表示。預置觸發(fā):預置觸發(fā)即延遲觸發(fā)，是人為設置觸發(fā)點在復現(xiàn)波形上的位置，它是在進展預置之后通過微處理器的控制和計算功能來實現(xiàn)的。由于觸發(fā)點位置的不同，可以觀測到觸發(fā)點前后不同區(qū)段上的波形，這是因為數(shù)字存儲示波器的觸發(fā)點只是一個存儲的參考點，而不一定是取樣，存儲的第一點。預置觸發(fā)對顯示數(shù)據(jù)的選擇帶來了很大的靈活性。2.2.3測量和計算工作方式數(shù)

19、字存儲示波器對波形參數(shù)的測量分為自動測量和手動測量兩種。一般參數(shù)的測量為自動測量，及示波器自動完成測量工作，并將測量結果以數(shù)字的形式顯示在熒光屏上，特殊值的測量使用手動光標進展測量，即光標測量。光標測量指的是在熒光屏上設置兩條水平光標線和兩條垂直光標線，這四條光標線可在面板的控制下移動，光標和波形的交點，對應于信號存儲器中的相應的數(shù)據(jù)。測量時，示波器在測量程序控制下，根據(jù)光標的位置來完成測量，并將測量結果以數(shù)字形式顯示在熒光屏上。2.2.4面板按鍵操作方式數(shù)字存儲示波器的面板按鍵分為執(zhí)行鍵和菜單鍵兩種，按下執(zhí)行鍵后，示波器立即執(zhí)行該項操作。當按下菜單鍵時，屏幕下方顯示一排菜單，屏幕有方則顯示對

20、應菜單的子菜單，然后按子菜單下所對應的軟鍵執(zhí)行相應的操作。2.2.5數(shù)字存儲示波器的顯示方式由于數(shù)字存儲示波器可以對被測信號存儲，波形的采集和顯示可以分開進展，與寬帶示波器相比，采集速度和顯示速度可不一樣，因此采集速度很高的數(shù)字存儲示波器對其顯示的速度要求不高。數(shù)字存儲示波器的顯示方式靈活多樣，具有根本顯示，抹跡顯示，卷動顯示，放大顯示和*Y顯示等，可適應不同情況下波形觀測的需要。存儲顯示:存儲顯示方式是數(shù)字示波器的根本顯示方式，適用于一般信號的觀測，在一次觸發(fā)形成并完成信號數(shù)據(jù)的存儲后，經(jīng)過顯示前的緩沖存儲，并控制緩沖存儲器的地址順序，依次將欲顯示的數(shù)據(jù)讀出并進展DA變換，然后將信號穩(wěn)定的顯

21、示在熒光屏上。抹跡顯示:抹跡顯示方式適用于觀測一長竄波形中在一定條件才會發(fā)生的瞬態(tài)信號。抹跡顯示時，應先根據(jù)預期的瞬態(tài)信號，設置觸發(fā)電平和極性；觀測開場后儀器工作在末端觸發(fā)和預置觸發(fā)相結合的方式下，當信號數(shù)據(jù)存儲器被裝滿單瞬態(tài)信號未出現(xiàn)時，實現(xiàn)末端觸發(fā)，在熒光屏上顯示一個畫面，保持一段時間后，被存入的數(shù)據(jù)更新。假設瞬態(tài)信號仍未出現(xiàn)，在利用末端觸發(fā)顯示一個畫面，這樣一個個畫面顯示下去，如同為了查找莫個容，一頁頁的翻書一樣，一旦出現(xiàn)預期的瞬態(tài)信號則立即實現(xiàn)預置觸發(fā)，將捕捉到的瞬態(tài)信號波形穩(wěn)定的顯示在熒光屏上，并存入?yún)⒖疾ㄐ未鎯ζ髦?。卷動顯示:卷動顯示方式適于觀測緩變信號中隨機出現(xiàn)的突發(fā)信號，它包括

22、兩種方式，一種是新波形逐漸代替舊波形，變換點自左向右移動；另一種是波形從右端向左一定，在左端消失，當異常波形出現(xiàn)時，可按下存儲鍵，將此波形存儲在熒光屏或存入?yún)⒖疾ㄐ未鎯ζ髦?，一邊做更細致的觀測與分析。放大顯示:放大顯示方式適于觀測吸信號波形的細節(jié)，此方式是利用延遲掃描的方法實現(xiàn)的，此時熒光屏一分為二，上半局部顯示原波形，下半局部顯示放大了的局部，其放大位置可用光標控制，放大比例也可調(diào)節(jié)，還可以用光標測量放大局部的參數(shù)。*Y顯示:與通用示波器的顯示方法根本一樣，一般用于顯示麗薩如圖形，此處不做詳述。顯示的插:數(shù)字存儲示波器是將取樣數(shù)據(jù)顯示出來，由于取樣點不能無限增多，能夠做到正確顯示的前提是足夠

23、的點來重新構成信號波形?？紤]到有效存儲帶寬問題，一般要求每個信號顯示20-25個點。但是較少的采樣點會造成視覺誤差，可能使人看不到正確的波形。數(shù)據(jù)點插入技術可以解決顯示中視覺錯誤的問題。數(shù)據(jù)點插入技術常常使用插入器將一些數(shù)據(jù)插在所有相鄰的取樣點之間，主要有線性插入和曲線插入兩種方式。2.3數(shù)字存儲示波器的特點與模擬示波器相比，數(shù)字存儲示波器具有以下幾個特點：波形的取樣存儲與波形的顯示是獨立的:在存儲工作階段，對快速信號采用較高的速率進展取樣和存儲，對慢速信號采用較低速率進展取樣和存儲，但在顯示工作階段，其讀出速度可以采用一個固定的速率，不受采樣速率的限制，因而可以清晰而穩(wěn)定的獲得波形，可以無閃

24、爍的觀測被測極慢變化信號，這是模擬示波器無能為力的。對觀測極快信號來說，數(shù)字存儲示波器采用低速顯示，可以使用低帶寬，高精度，高可靠性而低造價的光柵掃描示波管。能長時間的保存信號:由于數(shù)字存儲示波器是把波形用數(shù)字方式存儲起來，其存儲時間在理論上可以是無限長。這種特性是對觀察單次出現(xiàn)的順便信號極為重要，如單次沖擊波，放電現(xiàn)象。先進的觸發(fā)功能:它不僅能顯示觸發(fā)后的信號，而且能顯示觸發(fā)前的信號，并且可以任意選擇超前或滯后的時間。除此以外，數(shù)字存儲示波器還可以提供邊緣觸發(fā)，組合觸發(fā)，狀態(tài)觸發(fā)，延遲觸發(fā)等多種方式，來實現(xiàn)多種觸發(fā)功能。測量準確度:高數(shù)字存儲示波器由于采用晶振做高穩(wěn)定時鐘，有很高的測時準確度

25、，采用高分辨率AD轉(zhuǎn)換器也能使幅度測量準確度大大提高。很強的數(shù)據(jù)處理能力:數(shù)字存儲示波器由于含微處理器因而能自動實現(xiàn)多種波形參數(shù)的測量和顯示，例如上升時間，下降時間，脈寬，峰峰值等參數(shù)的測量與顯示，能對波形實現(xiàn)取平均值，取上下限值，頻譜分析以及對兩波形進展加減乘除等多種復雜的運算處理，還具有自檢與自校等多種操作功能。外部數(shù)據(jù)通信接口:數(shù)字存儲示波器可以很方便的將存儲的數(shù)據(jù)送到計算機或其他的外部設備，進展更復雜的數(shù)據(jù)運算和分析處理。還可以通過GPIB接口與計算機一起構成自動測試系統(tǒng)。2.4數(shù)字存儲示波器的主要技術指標數(shù)字存儲示波器與波形顯示有關技術指標與模擬示波器相似，下面僅討論與波形存儲局部有

26、關的主要技術指標。2.4.1最高取樣速率最高取樣速率指單位時間的取樣的次數(shù)，也稱數(shù)字化速率，用每秒鐘完成的AD轉(zhuǎn)換的最高次數(shù)來衡量。常以頻率來表示，取樣速率越高，反響儀器捕捉高頻或快速信號的能力愈強。取樣速率主要由AD轉(zhuǎn)換速率來決定。數(shù)字存儲示波器的測量時刻的實時取樣速率可根據(jù)被測信號所設定的掃描時間因數(shù).2.4.2存儲帶寬存儲帶寬與取樣速率密切相關，根據(jù)取樣定理，如果取樣速率大于或等于二倍的信號頻率，便可重現(xiàn)原信號。實際上，為保證所顯示波形的分辨率，往往要求增加更多的取樣點，一般取N=4-10倍或更多，即存儲帶寬。2.3.3分辨率分辨率指示示波器能分辨的最小電壓增量，即量化的最小單元。它包括

27、垂直分辨率和水平分辨率。垂直分辨率與AD轉(zhuǎn)換的分辨率相對應，常以屏幕每格的分級數(shù)或百分數(shù)來表示。水平分辨率由取樣速率和存儲器的容量決定，常以屏幕每格含多少個取樣點或用百分數(shù)來表示。取樣速率決定了兩個點之間的時間間隔，存儲容量決定了一屏包含的點數(shù)。一般示波管屏幕上的坐標刻度為8*10div，如果采用8位的AD轉(zhuǎn)換器，則垂直分辨率表示為32級/div，或用百分數(shù)來表示為1/256=0.39%：如果采用容量為1k的RAM，則水平分辨率為1024/10=100點/div。2.4.4存儲容量存儲容量又稱記錄長度，它由采集存儲器最大存儲容量來表示，常以字為單位。數(shù)字存儲器常采用256，512，1K等容量的

28、高速半導體存儲器。2.4.5讀出速度讀出速度是指將數(shù)據(jù)從存儲器中讀出的速度，常用“時間/div來表示，其中，時間為屏幕上每格對應的存儲容量乘以讀脈沖周期。使用中應根據(jù)顯示器，記錄裝置或打印機等對速度的要求進展選擇。2.5數(shù)字信號的采集與存儲在數(shù)字存儲示波器中，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路在給定采樣時鐘的節(jié)拍下把輸入模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)據(jù)值；A/D轉(zhuǎn)換器始終以最高取樣率進展工作。ADC參數(shù)的選取需要考慮多方面的因素；ADC的取樣頻率取決于待測信號的頻率圍，或者示波器對掃描速度的要求；而ADC的編碼位數(shù)與垂直分辨率相關。根據(jù)這兩個條件選擇適宜的ADC芯片。波形重組是根據(jù)所用的顯示器將采集到的離散數(shù)字信號進展調(diào)整

29、之后，將其在顯示器的垂直方向和水平方向重新定位，存儲到波形存儲器中。數(shù)字信號保存到存儲器中，RAM的位數(shù)須根據(jù)ADC的位數(shù)來選擇，如果ADC為8位輸出，則RAM也應該為8位，超過8位則可以選用16位的RAM。RAM的容量取決于每次采樣的采樣點數(shù)，這和水平分辨率相關。寫入RAM的數(shù)據(jù)來自于ADC，讀出之后再經(jīng)過單片機處理進展波形重組，然后在液晶顯示器上進展顯示。. z-在本設計中，硬件設計分為兩個局部波形顯示電路和頻率顯示電路，波形顯示電路中，首先使用A/D轉(zhuǎn)換器，對輸入的模擬信號數(shù)字化，以使單片機能夠識別，同時，還要使用單片機控制A/D轉(zhuǎn)換器。對于A/D轉(zhuǎn)換器采樣的數(shù)據(jù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后單片機可以

30、直接讀取，對于讀取的數(shù)據(jù)，通過單片機輸出，經(jīng)過顯示器，直接顯示波形。頻率顯示電路中，利用外圍電路對信號進展采集，轉(zhuǎn)換為上下電平之后，單片機讀取，輸出。. z-第3章 系統(tǒng)硬件電路的設計3.1 STC15W4K60S4系列單片機STC15W4K60S4系列單片機是STC生產(chǎn)的單時鐘、機器周期的單片機，是寬電壓、高速、高可靠、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，采用STC第九代加密技術。加密性超強指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快812倍。部集成高精度R/C時鐘,5MHz35MHz寬圍可設置，可徹底省掉外部昂貴的晶振和外部復位電路，6路CCP/PWM/PCA,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換,置

31、4k字節(jié)大容量SRAM,4組獨立的高速異步串行通信端口,1組高速同步串行通信端口SPI針對多串行通信電機控制強干擾場合。置比較器，功能更強大。如圖3.1。圖3.1 STC15W4K6054原理圖3.2 LCD12864表3.1總體參數(shù)表管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1VSS0V電源地2VCC3.0+5V電源正3V0-比照度亮度調(diào)整4RS(CSH/LRS=“H,表示DB7DB0為顯示數(shù)據(jù)RS=“L,表示DB7DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/W(SID)H/LR/W=“H,E=“H,數(shù)據(jù)被讀到DB7DB0R/W=“L,E=“HL, DB7DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信號7DB0

32、H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線8DB1H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線9DB2H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線10DB3H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線11DB4H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線12DB5H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線13DB6H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線14DB7H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式16NC-空腳17/RESETH/L復位端，低電平有效18VOUT-LCD驅(qū)動電壓輸出端19AVDD背光源正端+5V20KVSS背光源負端12864是128*64點陣液晶模塊的點陣數(shù)簡稱。*注釋1：如在實際應用中僅使用并口通訊模式，可將PSB接固定高電平。*注釋2：模塊部接有上電復位電路，因此在不需要經(jīng)常復位的場合可將該端 懸空。*注釋3：如背光和模塊

33、共用一個電源，可以將模塊上的JA、JK用焊錫短接。LCD12806電路原理圖如圖3.2。圖3.2 LCD12864原理圖3.3硬件系統(tǒng)設計我們要先把波形顯示出來，因為波形有大有小，首先我們要對它進展一個調(diào)理。因為調(diào)理包括把大信號變成小信號，把小信號變成大信號，把信號抬高，把波形調(diào)到適合單片機ADC采樣，采樣之后將所得到的值寫到RAM中，通過單片機進展計算將波形在液晶屏幕上顯示出來，另外我們需要對輸入信號進展處理提取出信號的特性，包括頻率、電壓值、分析信號的波形。所以示波器我們大概可以分為兩個局部，一局部為顯示信號的波形，一局部為提取信號的特征。例如：我們在計算電壓值的時候，我們可以通過波形進展

34、計算。電壓值可以通過采樣值得出，采樣值可以通過求VPP進展計算，采樣得到許多的點，我們將這些點的最大值和最小值求出來就等于求出了VPP,頻率可通過對所得的圖形進展整形，整形成一個方波，我們對它在一定的周期里面進展計數(shù)就可以得到頻率，或者我們得到它的周期T，根據(jù)F=T/1可求得頻率。所以信號需要先對它進展整形，然后對它進展計數(shù)。信號的流動是經(jīng)過許多步驟進展流動的，首先是信號的輸入，信號輸入進來我們先要進展耦合，看我們是只取它的直流成分還是交流成分，或者說是要去掉它的直流成分還是交流成分，其中還包括輸入阻抗的局部，輸入阻抗要大于100K，用示波器測量電路中兩個點之間的波形，實際上是將示波器并聯(lián)到電

35、路中，為了測量到的精度，要求示波器對所測量電路的影響盡可能的小，根據(jù)R=R1*R2/(R1+R2),所以需要示波器的電阻無窮大才能減小對電路的影響,在理想狀態(tài)下我們可以將100K看作無窮大，我通過四個47K的電阻串聯(lián)得到這個阻抗，耦合是通過電容隔直通交的原理來實現(xiàn)，由繼電器控制。當繼電器選擇下面的時候直流就可以通過，將交流隔掉了。通過電阻分壓 繼電器可以選擇信號的，跟隨器提高阻抗將驅(qū)動的能力加強，將信號增強。放大器可以選擇放大兩倍或者放大十倍，U4d是一個加法器，信號是有負壓的但是單片機僅能測正壓，我們想到的方法就是將信號或者可接收的圖像進展抬高，在一個正弦坐標系中抬高到2.5V 。如圖3.3

36、。圖3.3波形抬高示意圖TL431可以產(chǎn)生一個2.5V的基準源，加上2.5之后進展跟隨，再進展一下濾波，然后送到單片機部ADC中去，這是一個前衛(wèi)電路，單片機信號為0V5V，當大于5V單片機接收就有可能燒毀，所以最好做一個保護裝置，將電壓限制在5V以，根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦?，前面是跟隨器通過電容去掉直流信號留下交流信號，又通過過零比較器可以產(chǎn)生一個方波，通過測量兩個相鄰波峰電壓或者波形周期就可以得到頻率。. z-. z-第4章 系統(tǒng)功能的軟件設計4.1單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)keil uVision簡介keil uVision是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系

37、統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、構造性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。keil uVision軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能表達高級語言的優(yōu)勢。C51工具包的整體構造，其中uVision是C51 for Windows的集成開發(fā)環(huán)境，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文

38、件。然后分別由C51及A5l編譯器編譯生成目標文件。目標文件可由LIB51創(chuàng)立生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對目標文件。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標準的He*文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進展源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對目標板進展調(diào)試，也可以直接寫入程序存儲器如EPROM中。4.2主程序設計及流程圖4.2.1 數(shù)字存儲示波器系統(tǒng)流程圖儀器是一個以硬件為根底的、軟硬件嚴密結合的系統(tǒng)，軟件是智能儀器的靈魂。示波器軟件采用C語言來編寫，完成對人機界面、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)硬件、波形參數(shù)分析等的控制。系統(tǒng)的軟件設計主要是單片機程序設計，對于單片機控制程序

39、，采用C語言來編寫。輸入信號頻率計算，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲，鍵盤掃描，液晶顯示等。整個系統(tǒng)由鍵盤驅(qū)動，不同的按鍵對應不同的事件處理。圖4.1。圖4.1 系統(tǒng)流程圖標準信號發(fā)生器輸入方波，三角波，鋸齒波，正弦波得到的測試結果。顯示屏可以顯示波形，頻率及幅度的大小數(shù)值，同時存儲示波器樣機對波形的測試沒有明顯的失真。. z-第5章 結論和展望5.1結論經(jīng)過幾個月的努力，終于完成了該題目的設計，總結幾個月來的工作，主要有以下幾個方面：(1).綜述了現(xiàn)階段數(shù)字存儲示波器技術及產(chǎn)品的國外開展狀況，對數(shù)字存儲示波器的原理、工作方式、顯示方式等的根本概念及技術開展進展了介紹。(2).針對設計的任務和要求，確定

40、了存儲示波器波形采樣和數(shù)據(jù)處理及波形重組的硬件和軟件方案。(3).對整機各局部關鍵電路進展相關理論分析、計算和設計。(4).本系統(tǒng)由單片機主控，ICL7662進展模數(shù)轉(zhuǎn)換，用62256來實現(xiàn)波形的存儲，通過軟件直接對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進展存儲，并讀到單片機中完成波形重組任務之后顯示到液晶屏上，設置了16個按鍵，對采樣速率，顯示電壓類型等方面配合單片機進展了控制。(5).完成了樣機的制作與調(diào)試；論述了儀器的測試方法，完成數(shù)據(jù)測試及測試結果分析。5.2展望由于時間和條件的限制，本系統(tǒng)也存在一些缺乏之處，可在今后的工作中改進。(1).由于STC15W4K60S4的輸入電壓圍為0-5V，單極性輸入。這樣

41、就限制了設計的輸入，在電路設計中能加上信號放大電路和衰減電路，則可以增大信號的測量圍。(2).ARM等高性能、低本錢微處理器的出現(xiàn)，以及嵌入式Linu*、WinCE等操作系統(tǒng)的開展，為高性能智能化電子測試儀器的設計提供了良好的平臺。如能將本系統(tǒng)中的主控芯片單片機換成ARM，則該系統(tǒng)的能力將大大提高(3).對于采集到的數(shù)字信號的處理可以采用DSP高速數(shù)字信號處理芯片，這樣更能顯示出系統(tǒng)的實時性和靈敏性。(4).設計中的顯示屏為LCD12864，這樣示波器的指標，垂直刻度、垂直分辨率、水平刻度、水平分辨率就受到了限制，所以設計的顯示可以換成更好的顯示器。. z-致 通過這次畢業(yè)設計很好的檢驗了我在

42、大學四年中所學理論知識的掌握程度，鍛煉了我的實際動手能力，為以后的學習、工作奠定了根底?；貞涍@幾個月的設計制作，感受良多。首先感郭慧娜教師，感您在我的畢業(yè)設計期間對我的親切關心和悉心指導。在您的指導下，我學到了許多知識，還鍛煉了對知識的應用能力，這些將使我終生受益匪淺。在此向您致以最誠摯的敬意。在試驗調(diào)試的過程中，感學校在試驗室及網(wǎng)絡資料查閱方面提供的幫助。感華北理工大學輕工學院的所有教師，你們四年的教誨，讓我成熟進步許多；感測控技術與儀器班的所有同學，你們?nèi)缧值芙忝冒愕膸椭?，讓我感受到友誼的珍貴。感所有對我論文進展了評審和辯論的教師。. z-參考文獻1 泰克 TDS6000C 示波器獲 ED

43、N China 創(chuàng)新獎。測控技術，2005，122 Infiniium 系列示波器。世界電子元器件，2006.013 紅菊，基于CPLD的數(shù)字存儲示波器。電子工程師，2002，124 朱正，湯毅堅，大力推廣可變出邏輯器件，加速機電一體化產(chǎn)品開發(fā)，中國儀器儀表，1992，035 澤厚，周煜明，王有炳。數(shù)字存儲示波器在機電測試中的運用。國外電子測量技術，1997，056 Andrew Dawson。如何選擇適宜的波形儀器：數(shù)字存儲示波器或數(shù)字化儀表。今日電子，2006，017 茂泰。簡易數(shù)字存儲示波器評述。電子世界，2002，118 唐海慶，數(shù)字存儲示波器在機電測試中的運用J。儀器儀表與分析監(jiān)測，

44、1998， 039 周德新，王鵬，守正，朱鴻林?；贔PGA的數(shù)字存儲示波器 中國民航學院學報，20040210 從珍，王建國，黃玲。數(shù)字存儲示波器噪聲特性的分析 高電壓技術，2004，0611 蘭蓀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理和應用。：人民郵電，199512 新民。智能儀器設計根底。工業(yè)大學，199913 全等。攜式20M數(shù)字存儲示波器。電子制作，2005年第4期14 王成儒，英偉，USB2.0 原理和工程研發(fā)。：國防工業(yè)，2004附錄一數(shù)字存儲示波器主程序void DelayMs( int t )int i ;while( t- )i = 33178 ;while( i- ) ;void main(

45、)unsigned char iloop = 0 ;P0M1 = 0*00;P0M0 = 0*ff;P3M1 = 0*00;P3M0 = 0*00;P1M1 = P1M1 | 0*48 ;P1M0 = P1M0 & 0*b7 ;LCD_Init();PCA_Init();Uart1_init() ;Timer0_init() ;LCD_RAM_Init();LCD_RAM_Write( 0*f8 );while( 1 )iloop+ ;if( STOP_RUN = 1 ). z-ADC_Length = 0 ;ET0 = 1 ;while( ADC_Length < 512 )/

46、SwitchWork();ET0 = 0 ;WorkOutSample();LCD_RAM_Write( 0*21 );if( iloop = 5 ) LCD_RAM_Write( 0*de );iloop = 0 ;else ET0 = 0 ;if( iloop = 50 ) LCD_RAM_Write( 0*de );iloop = 0 ;SwitchWork();*include "LCD12864.h"*define lcm P0 sbit p_csl = P37;sbit p_cs2 = P36;sbit p_rs = P12;sbit p_rw = P11;sb

47、it p_e = P10;*data unsigned char LCD_RAM1024 = 0 ;code char PointCode8 = 0*01, 0*02, 0*04, 0*08, 0*10, 0*20, 0*40, 0*80 ;void delay(unsigned int k) ;void wcode(unsigned char c,unsigned char csl,unsigned char csr) ;void wdata(unsigned char c,unsigned char csl,unsigned char csr) ;void set_startline(un

48、signed char i) ;void set_*y(unsigned char *,unsigned char y) ;void dison_off(unsigned char o) ;void lw(unsigned char *,unsigned char y,unsigned char dd) ;void LCD_RAM_Point( unsigned char *, unsigned char y ) ;void LCD_RAM_Byte( unsigned char *, unsigned char y , unsigned char dat ) ;void LCD_RAM_Ch

49、ar5_8( unsigned char *, unsigned char y , unsigned char *p ) ;void LCD_RAM_Init( void ) ;unsigned char LCD_RAM_F( unsigned char * , unsigned char y , unsigned short f ) ;unsigned char LCD_RAM_V( unsigned char * , unsigned char y , unsigned char v ) ;unsigned char LCD_RAM_AC_DC( unsigned char * , uns

50、igned char y , unsigned char AC_DC ) ;unsigned char LCD_RAM_STOP_RUN( unsigned char * , unsigned char y , unsigned char STOP_RUN ) ;/延時void delay(unsigned int k) k = k*12;while(k-);/寫指令到LCMvoid wcode(unsigned char c,unsigned char csl,unsigned char csr)p_csl=csl; p_cs2=csr; p_rs=0; p_rw=0; lcm=c;/將變量

51、C賦予LCM p_e=1;delay(1); p_e=0;void wdata(unsigned char c,unsigned char csl,unsigned char csr)p_csl=csl; p_cs2=csr; p_rs=1; p_rw=0; lcm=c;/將變量C賦予LCM p_e=1; delay(1);p_e=0;/設定起始行void set_startline(unsigned char i)i=0*c0+i; wcode(i,1,1);/定位*方向，Y方向void set_*y(unsigned char *,unsigned char y)*=*+0*40; y=y

52、+0*b8; wcode(*,1,1); wcode(y,1,1);/屏幕開啟、關閉void dison_off(unsigned char o)o=o+0*3e; /o為1為開，為0是關 wcode(o,1,1);/寫數(shù)據(jù)到LCMvoid lw(unsigned char *,unsigned char y,unsigned char dd)if(y>63)return; if(*<64) set_*y(*,y);wdata(dd,1,0);else if( *>=64 && *<128) set_*y(*-64,y); wdata(dd,0,1); else return;/LCM初始化void LCD_Init(void)unsigned char *,y; delay(200); dison_off(0); for(y=0;y<8;y+) for(*=0;*<128;*+) lw(*,y,0); dison_off(1); set_startline(0);void WriteAllToLCM(unsigned char Mode )/ 0*00:write all area/ 0*