波形采集、存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)

1、波形采集、存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)波形采集、存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)武漢東湖學(xué)院陳鵬、費(fèi)埜、何凱摘要本設(shè)計(jì)以ST32F103ZET6作為控制芯片，把波形采集分為A、B兩個(gè)通道，對A通道的輸入信號(hào)進(jìn)展衰減，對B通道的輸入信號(hào)進(jìn)展放大，然后采用內(nèi)部集成的高速AD對信號(hào)進(jìn)展實(shí)時(shí)采樣，方式為上升沿內(nèi)觸發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)波形的單次和屢次觸發(fā)存儲(chǔ)和回放顯示，以及頻率、周期、峰-峰值的測量和顯示，并具有掉電存儲(chǔ)功能。整個(gè)系統(tǒng)操作簡便，界面友好，到達(dá)了較好的性能指標(biāo)。關(guān)鍵字：ST32、波形采集、波形存儲(chǔ)、波形回放一、系統(tǒng)方案1.1題目要求及相關(guān)指標(biāo)分析題目的要求是將待測信號(hào)進(jìn)展數(shù)字存儲(chǔ)，并通過普通示波器將被測信號(hào)顯示出來。由于被測信號(hào)

2、為模擬信號(hào)，存儲(chǔ)過程為數(shù)字方式，故應(yīng)該將模擬信號(hào)進(jìn)展量化處理，然后存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，當(dāng)需要顯示的時(shí)候，從存儲(chǔ)器輸出數(shù)據(jù)并恢復(fù)為模擬信號(hào)，然后送往普通示波器進(jìn)展顯示。本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是模擬信號(hào)的處理與采樣、數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)、系統(tǒng)的控制三個(gè)方面。1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)與框圖：系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1-1所示。模擬信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理模塊阻抗變換、固定衰減/放大、觸發(fā)電路將模擬信號(hào)的幅值大小調(diào)理到高速AD的輸入范圍03.3V。同時(shí)，兩路信號(hào)經(jīng)比較器得到方波，送處理器ST32進(jìn)展測頻。處理器測得輸入信號(hào)頻率后控制內(nèi)部AD以輸入信號(hào)頻率的80倍速率采樣。在ST32內(nèi)部增加波形存儲(chǔ)控制模塊，當(dāng)滿足觸發(fā)條件時(shí)AR對AD轉(zhuǎn)換得到的

3、數(shù)據(jù)進(jìn)展存儲(chǔ)。圖1-1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖圖1圖1圖1A通道信號(hào)調(diào)理B通道信號(hào)調(diào)理存儲(chǔ)、顯示與控制ST32F103ZET6比較器比較器A通道信號(hào)調(diào)理輸出B通道信號(hào)調(diào)理輸出內(nèi)部集成AD內(nèi)部集成DA鍵盤顯示二、理論分析與計(jì)算2.1A/D采樣頻率選擇采用內(nèi)部集成A/D，采樣頻率由輸入信號(hào)的頻率決定，在輸入信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)采集80個(gè)點(diǎn)，那么，通過式2.1，可以求出采樣頻率，其中為信號(hào)頻率。A/D采樣由信號(hào)的上升沿觸發(fā)，采樣時(shí)間為一個(gè)信號(hào)周期，采樣時(shí)間間隔為信號(hào)周期除以采樣點(diǎn)式2.2。假設(shè)采樣頻率過高，那么處理器的處理速度不夠，假設(shè)采樣頻率過低，那么波形失真嚴(yán)重。通過屢次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)周期采集80個(gè)點(diǎn)可以符合

4、要求。輸入信號(hào)經(jīng)比較器比較后轉(zhuǎn)換為方波，由ST32內(nèi)部定時(shí)器的外部輸入捕獲形式進(jìn)展測量，測量兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間即為輸入信號(hào)的周期，并且上升沿觸發(fā)A/D采樣。2.12.22.2A/D位數(shù)選擇題目要求原信號(hào)與回放信號(hào)峰峰值之差的絕對值小于等于10V，那么AD的最小分辨率至少為10V，AD的參考電壓為3.3V，那么AD位數(shù)至少為：2.3本設(shè)計(jì)中采用12位AD及DA轉(zhuǎn)換器，幅度最小分辨率為3.3V/4096=0.8V，完全滿足題目指標(biāo)要求。2.3模擬信號(hào)調(diào)理參數(shù)的選擇對于A通道，輸入高電平約4V，低電平接近0V，而AD的參考電壓為3.3V，故需要對A通道輸入信號(hào)進(jìn)展衰減，再給AD轉(zhuǎn)換。最小衰減倍數(shù)為

5、4/3.3=1.21倍。經(jīng)過處理器DA處理后，需要對信號(hào)進(jìn)展相應(yīng)倍數(shù)的放大。本設(shè)計(jì)中，AD及DA的參考電壓均為3.3V，故對A通道輸入信號(hào)1.5倍衰減，對A通道DA輸出信號(hào)1.5倍放大的處理方法。對于B通道，輸入為雙極性信號(hào)，電壓峰峰值為100V，故需要對輸入信號(hào)進(jìn)展放大，以進(jìn)步采樣精度，同時(shí)，還需要給輸入信號(hào)一個(gè)偏置，使輸入信號(hào)在0-3.3V之間，滿足AD允許輸入信號(hào)的范圍。本設(shè)計(jì)中，采取對B通道輸入信號(hào)放大30倍，對B通道DA輸出信號(hào)衰減30倍的處理方法。三、電路與程序設(shè)計(jì)3.1電路設(shè)計(jì)：A、B通道輸入電路A、B通道輸入電路在整機(jī)中處于非常重要的地位，其性能決定了整機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)，前置放

6、大模塊應(yīng)滿足高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲，低漂移的要求。圖3-1為A通道的信號(hào)采集部分。為了增大輸入阻抗，所以采用軌至軌射極跟隨器，通過兩個(gè)等值電阻衰減一半電壓，根據(jù)式3.1計(jì)算得出電壓符合設(shè)計(jì)要求。然后把搜集到的單極性信號(hào)送給內(nèi)部集成AD采樣。3.1圖3-2為B通道信號(hào)采集部分。為了防止P27產(chǎn)生自激振蕩，采用雙級放大電路。前級采用同相放大以增大輸入阻抗，放大倍數(shù)為15倍，由式3.2求得，后級再進(jìn)展兩倍放大，由式3.3求得，并且偏置1.6V，將100V的雙極性小信號(hào)放大到3V，到達(dá)AD采樣要求。雙極放大電路后接軌至軌射極跟隨電路，防止電壓過高，燒毀主控芯片。3.23.3A、B通道輸出電路

7、：圖3-3A、B通道信號(hào)輸出圖1圖1圖1圖1圖3-3為A、B通道信號(hào)輸出電路，A通道采用軌至軌放大器，B通道采用電阻網(wǎng)絡(luò)分壓，中間接一個(gè)1uF電容隔直，將輸出的3V電壓衰減到100V。圖3-4為用L393AD的比較器電路，用于測量頻率，用電位器分壓提供基準(zhǔn)電壓。3.2程序設(shè)計(jì)圖3-5程序流程圖圖1圖1圖1圖1否是是AD采樣計(jì)算采樣率開啟DA轉(zhuǎn)換計(jì)算峰值并顯示是否回放完畢否開始周期測量并顯示開始采樣？四、測試方案與測試結(jié)果4.1測試儀器及型號(hào)示波器：LTD2102EL示波器萬用表：VITRV890D萬用表信號(hào)發(fā)生器：SG1080A數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器4.2測試方案4.2.1根本要求測試a)功能測試

8、功能測試結(jié)果上下電平顯示功能完成周期顯示完成采樣、回放功能完成b)A通道電平測試測試條件：輸入電壓峰-峰值4V，最大電壓4V的方波輸入頻率：1KHz輸入輸出誤差高電平4V4.12V0.1%周期1s1s4.2.2發(fā)揮部分測試a)功能測試功能測試結(jié)果采集、回放功能完成測量周期功能完成波形檢測功能完成掉電存儲(chǔ)功能完成注:波形檢測功能的測試過程為，依次輸入高電平4V，低電平20V的正弦波、三角波、方波，用示波器觀察A通道輸出，系統(tǒng)可以正確檢測波形并輸出。b)B通道指標(biāo)測試輸入雙極性信號(hào)，Vpp=100V輸入周期輸出周期周期誤差輸出峰-峰值峰-峰值誤差100s99.9s0.1%100.30.3%10s9.99s0.1%100.10.1%1s0.99s0.1%100.20.2%0.1s0.96s0.4%100.20.2%)可以存儲(chǔ)兩次采集的信號(hào)，回放時(shí)用按鍵或開關(guān)選擇顯示指定的信號(hào)波形。4.2.3測試結(jié)果分析經(jīng)測試，本設(shè)計(jì)能完成對A通道單極性信號(hào)、頻率約1KHz信號(hào)的采集、存儲(chǔ)與連續(xù)回放?？梢酝瓿葿通道雙極性信號(hào)采集和回放。采集、回放時(shí)能測量并顯示信號(hào)的高電平、低電平和信號(hào)的周