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1、便携式数字示波表的设计Design of the portable digital storage oscilloscope学 生 姓 名高 思专 业电子信息科学与技术摘 要本文论述了便携式数字示波表的系统结构，并对基本功能模块进行了研究设计。在对模拟信道幅度控制、Butterworth滤波器、频率测定、高速A/D转换、数据存储、LCD显示及LCD控制电路等进行分析的基础上，对A/D转换前的模拟信道进行了详细研究，提出了实现信号的幅度变化和宽的频率范围测试中所涉及问题以及解决方案。完成了模拟信号幅度调整过程中的衰减、放大、宽带低通滤波、CPU控制电路等相关硬件电路的设计和MCS-51语言、C5
2、1语言软件程序的编写调试。在频率检测部分，分析了频率测量的基本思想，并且阐述了频率测定的CPU控制过程。关键词：模拟信道 信号调理 巴特沃思滤波器 频率检测Abstract This thesis describes the system architecture of the portable digital storage oscilloscope,and the basic modules are also designed and researched. On the basis of analysis of the amplitude control of the analog si
3、gnal path, Butterworth filter, frequency mensuration, super-speed A/D (Analog signal /Digital signal) conversion, data storage, LCD (Liquid Crystal Display) display and the control circuit of LCD , the analog signal channel preceding A/D conversion is researched detailedly and the relative problems
4、and the solutions are brought forward in realizing the control of the signal amplitude variation and the mensuration for the wide-range frequency. The design of hardware circuit such as attenuators, operational amplifiers, low frequency signal pass filter, CPU control circuit etc. is achieved. The w
5、riting and debugging of MCS-51 language and the software program of C51 language is completed as well. In the part of the frequency mensuration, the basic thinking of the frequency mensuration is analyzed, and the CPU control process of frequency mensuration is described.Key words:Analog Channel;Sig
6、nal Conditioning;Butterworth Filter;Frequency Mensuration目 录 摘 要IAbstractII第1章 绪 论1第2章 设计概述32.1 数字示波器工作原理32.2 数字万用表工作原理32.3 数字频率计工作原理32.4 数字示波表工作原理32.5 数字示波表的系统结构42.6 数字示波表的性能指标4第3章 硬件描述53.1 通道信号处理模块53.1.1 衰减器的实现53.1.2 放大器的实现73.1.3 Butterworth滤波器的实现93.2 A/D转换模块113.2.1 衡量A/D转换器的主要指标113.2.2 实现A/D转换的常用
7、方法113.2.3 A/D输出的CPU控制113.3 LCD显示控制模块123.3.1 LCD器件简介123.3.2 LCD显示模块的接口技术133.4存储器模块143.5键盘模块153.6 频率测定设计153.6.1 测频信号提取电路设计153.6.2 频率测定的CPU控制过程16第4章 软件描述194.1 示波表软件程序结构194.2系统软件设计流程图19第5章 调试与改进21致 谢23参考文献24第1章 绪 论从某种意义上讲，电子技术的发展，是建立在检测手段的提高的基础上的。电子测量手段是电子技术应用与发展中最重要的课题，没有精密仪表作为检测手段，很难生产出高质量的电子产品。传统的测量仪
8、器是一个自封闭的系统，它作为独立的设备拥有自己的机箱包括各种开关旋钮的操作面板，信号输入输出端，指针式或LED显示表，CRT或LCD波形显示窗口，打印输出端口。仪器内部包括有传感器、信号处理器、A/D转换器、微处理器、存储器和内部总线等专门化的电路。通过这些电路来转换、测量、分析实际信号，并将结果以各种方式显示。但是由于仪器所包含的功能均由仪器厂家定义，所有的功能块全部都是以硬件的形式存在于测量仪器中，单台仪器的功能单一、固定，用户无法根据实际需要改变或扩展仪器功能。而在实际应用中，电子工程师往往需要用到多种不同的测量功能，在进行野外实地测量的情况下，在测量的信号种类较多的情况下，在需要对被测
9、信号进行存储、离线分析的情况下，传统测量仪器就体现出了诸多的不便和功能上的局限。虽然电子计算机技术的发展给传统的仪器注入了强大的活力。特别是微电子技术和大规模集成电路的发展，促进了数字化仪器，智能仪器的快速发展，使其功能越来越强，精度越来越高，性能越来越好。但是，传统的测量仪器的固有局限性并没有根本改变。 随着电子科学技术的发展，由于电子测量的一系列优点，许多物理量都设法通过一定的传感器变换成电信号，然后利用一整套比较成熟的电子学方法来进行测量。随着大规模集成电路技术、信号分析与处理技术、计算机技术、软件技术和网络技术的迅速发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、方法、领域以及新的
10、仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破传统仪器的概念，电子测量仪器的功能积作用发生了质的变化。由于科学技术的迅速发展对测试技术与设备提出了越来越高的要求，如测试速度、效率、精度、可靠性、牢固性，测试数据的可交换性、灵活性，测试系统的智能化、小型化等等，而新的测试技术的发展则为电子测量提供了越来越强的技术手段和越来越宽广的应用前景。 随着微电子集成技术、数字技术的飞速发展，现代数字化存储示波器的研究与开发也有了很快的发展，是近年发展最快的仪器。90年代以来，基于实时取样、量化技术的高速存储示波器的研制与生产得到了飞速的发展，这类仪器测试功能更加强大。各大公司不断推出采样率更高、带宽更宽的产品。例如
11、：TEK公司的TDS680B/684B示波器，数字化率达5GSa/S，带宽1GHz，量化分辨率8 bit。HP公司的HPS4722A数字示波器数字化速率高达8GSa/S带宽2GHz，量化分辨率8 bit。 与此同时，便携式测量仪器也取得了飞速发展。其中，万用示波表获得了示波器技术的一个突破。通过大规模集成电路技术和使用液晶显示器，FLUKE公司的FLUKE 190万用示波表把一个全功能的2通道50MHz数字存储示波器和一个数字万用表组合在一个重量只有1.8kg的手持式体内。它是适合真正需要便携式示波器的维修工程师使用的仪器。 近十年来，国内数字存储示波器技术研究及发展也取得了相当大的成果。但在
12、实时数字化采集速率上距国外的水平还有相当大的距离。我们单纯去和国外大公司竞争这种技术指标是不现实的，只有立足于国内现有的条件和设备在测量仪器领域作一些努力，逐步缩小这种差距。 本课题要实现的最终设计目标：集数字万用表、数字存储示波器、数字频率计三者功能为一体，它具有极高的技术含量，既可进行电阻等元器件参数及电压、电流测量，也可对信号波形参数进行测量、显示、分析。除此以外，它还有很强的实用性和巨大的市场潜力，也代表了当代电子测量仪器的一种发展趋势，即向体积小、重量轻、功能多、使用方便的掌上型仪器的方向发展。本示波表的工作特色和新颖之处:采用新技术和器件使本示波表在技术指标和理念上与传统示波器有较
13、大不同。(1)放大器采用宽频高增益进口器件，自适应线性预测及算法实现大范围信号幅度控制。(2)精确测频技术。(3)自适应A/D可变抽样率。(4)高速双口RAM存储处理技术。(5) LCD液晶显示驱动技术和用菜单选取仪表功能。(6) CPU集中处理技术。(7)多层PCB表面贴装工艺。(8)用ASIC技术实现大规模数字电路和可再编程技术。简言之，由本设计实现的示波表应具有技术密集、科技含量高、在国内具有一定领先水平，希望能有利于改善我国无便携示波表的状况，打破国外对这一市场的垄断，从而降低价格、普及应用、利国利民。第2章 设计概述2.1 数字示波器工作原理 现代数字存储示波器首先对模拟信号进行高速
14、采样获得相应的数字数据并存储。用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算，从而获得所需的各种信号参数（包括可能需要使用万用表测试的一些元器件电气参数）。根据得到的信号参数绘制信号波形，并可对被测信号进行实时的、瞬态的分析，以方便用户了解信号质量，快速准确地进行故障的诊断。测量开始时，操作者可通过中文界面选定测量类型（波形测量、元件测量）、测量参数（频率/周期、有效值、电阻阻值、二极管通断等）及测量范围（可选自动设置，由仪器自动设置最佳范围）；微处理器自动将测量设置解释到采样电路，并启动数据采集；采集完成后，由微处理器对采样数据按测量设置进行处理，提取所需要的测量参数，并将结果送显
15、示部件。如果需要，用户可选择自动测试方式：微处理器在分析首次采样得到的数据后会根据具体情况调整、修改测量设置，并重新采样。在经过几次这样的“采样-分析-调整-重采样”循环后，示波表即可完成即触即测功能，而无须人工调换量程，便于手持操作。2.2 数字万用表工作原理 模拟万用表通过电阻分压网络实现电参数的测量。目前有许多数字万用表的专用芯片，这些芯片内部一般集成有A/D转换器、LCD液晶显示驱动器和测量模式选择开关等模块。其外围电路较简单，常常由测量输入电路、AC/DC变换电路、电压基准电路和蜂鸣器等组成。电压、电容、电阻测量分别有一个外部基准电压，这个电压经过一个齐纳二极管稳压后再经微调电阻调节
16、到各自所需的电压值。芯片的电压/电阻/电容/频率端口可分别测量交流/直流电压、电阻、电容、频率。2.3 数字频率计工作原理 被测信号经过整形电路，产生同频率的矩形波规则的脉冲信号。计数器根据所提供的矩形波上升沿进行计数，计数时间由选通时间控制部分决定，根据频率所处的范围来决定档位。为提高测量精度，通常分级进行，即对频率较低的信号采用测周的方法进行，而对频率较高的信号则采用测频的方法。频率计常用计数器及单片机实现，也可通过可编程逻辑器件实现。2.4 数字示波表工作原理 数字示波表由高性能微处理器、高速A/D及数据处理电路组成。被测信号经信号输入通道进行调理，以满足最佳A/D转换要求。高速A/D转
17、换后的数据存储在RAM中，供微处理器进行处理。微处理器根据菜单的选择输入，执行相应的算法处理软件，得到相应的测量结果。2.5 数字示波表的系统结构对示波表的设计，采用模块化结构设计。先对各模块分别进行设计调试，在此基础上进行综合联调。又分硬件和软件两个部分，由于许多模块的功能受软件的控制，故对可编程器件，硬件与软件的开发要协调进行，相互补充。开发基本思路是先分后合，先易后难、先粗后细，逐步合成。其原理方框图如图2-1所示。图 2-1 示波表原理方框图功能简述：输入通道模块：完成对不同幅度，不同频率的程控输入控制，达到A/D转换所需幅度要求，并为CPU提供频率检测信号、为A/D提供开始进行取样的
18、触发信号，接收CPU发来的幅度控制信号和通道开、断信号。A/D模块：根据输入信号的不同频率采用合适的取样频率进行取样，并进行A/D转换输出。存储模块：将A/D送来的数字信号先进行双口RAM缓存。LCD显示模块：显示CPU写入的待显示数据。键盘控制模块：实现人机指令传递，把接收的指令送CPU。时基、电源、中央控制模块：完成对全局的整体控制，提供各模块所需电源、时钟和控制信号，完成对指令的解释和相应的控制。2.6 数字示波表的性能指标（1）数字存储示波器：带宽：DC20MHz（-3dB） 扫描时间：20nsls/格垂直灵敏度：10mV/格50V/格 精度：2最大纵向移动：8格 最大横向移动：16格
19、存储深度：2KB 输入阻抗：1M/20pF（无探头）最大输入电压：600V（有效值)（10:1）（有探头）（2）数字三用表：电阻：量程：200、2K、20K、200K、2M、20M交、直流电压：量程：500mV、5V、50V、500V、1000V交、直流电流：量程：500mA、5A、50A、500A（3）数字频率计：连续自动设置频率范围：10Hz至20MHz,位数：4位第3章 硬件描述 本系统为典型的嵌入式系统，硬件电路主要由14位的A/D转换器LTC1419、存储器IDT7024、用于数据实时采集的可编程逻辑器件EPM7064、香港精电公司的MGLS128128T液晶显示器、LCD内置T69
20、63C控制器型液晶显示模块和其它辅助器件组成。硬件电路比较简单。下面分模块介绍硬件电路。 3.1 通道信号处理模块通道信号处理模块包括从测试头输入被测信号到A/D转换前的整个部分，是整个示波表工作的前提，也是整个设计的核心。在用示波表进行信号测试时，不论进入测试表笔的信号幅度和频率如何，只要是在测试指标允许范围内，示波表都应在LCD屏上以最佳的显示范围，清楚地显示所测信号的波形。另一方面，A/D转换器对输入信号的幅度和频率也是有要求的，当信号幅度很小，接近其最小量化刻度时（LSB），转换误差会很大，甚至无法转换；当信号幅度很大时，超过A/D转换器允许的最大输入幅度时，会因为限幅而失真，乃至于烧
21、毁器件。因此，在将信号送入A/D转换器前，必须对信号进行处理。不仅如此，在对信号进行抽样时，在将信号离散化过程中，会产生大量谐波分量。无用的谐波和输入信号中的带外分量都会对示波表的质量造成不利影响，必须滤除。上述内容均属于信号调理。信号调理的实现包括三个基本过程：整形、放大和滤波。 3.1.1 衰减器的实现 a) b)图3-1 T型衰减器及应用电路由典型的四端网络构成的衰减器为T型，为尽量简化电路，少用器件和便于调整，选取T型衰减器。如图3-1 a）所示。根据示波表输入指标要求，其输入阻抗应大于1M，即要求T型衰减器输入端串臂和并臂的阻抗大于1M。由于衰减器输出端接运算放大器，其共模输入阻抗近
22、于无穷大，接在并臂上，对输入阻抗影响不大。图中T型衰减器的衰减量为Z2/(Z1+Z2)。实际工作中使用的衰减器如图3-1 b)所示。由于当衰减量较大和频率较高时，电阻本身的和电路布线产生的分布电容在高频段对电路会产生严重影响，使信号波形严重失真，故需并接三个电容，以消除其影响。C1用于稳定输入电容，C2和C3形成分压，当其值与电阻R1和R2形成的分压相等时，输出信号无歧变。R3用于防自激，一般为100，不用时将其短路。图3-1的信号波形如图3-2所示。图3-2 输入和输出信号波形图64倍衰减器设计 由a=1/64=R2/(R1+R2)，C2R1=C3R2，Zi=R1+R2=1M，可解出C2，C
23、3，R1，R2。R3一般取100。若取R1=1M，R2/(R1+R2)=1/64，R2=1000/63=15.873K。标准值：R2=15.8K。当输入电压164V时，最大功耗为164164/1000000=0.27W，取电阻标称功率1/4W。 C1按输入电容要求小于20pf和标准值规定，取3/8pf可变电容，根据情况进行调节。C2按输入电容要求小于20pf和标准值规定，取8/20pf可变电容，根据情况进行调节。C2的中值为(8+20)/2=14pf，C3=C2R1/R2= (141000) /15.8=886pf，取标准值：C3=820pf，此时，C2= C3R2/R1=(82015.8)/
24、1000=12.9pf。由于信号最大164V，故以此为电容耐压指标，取标称值160V。此时，衰减值为：a=15.8/(1000+15.8) =1/64。 当， 即： R1C2= R2C3 输出无失真 当， 即： R1C2 R2C3 输出有过电平失真 当， 即： R1C2Ts时，与被测信号周期近似无关。但Ts的变化范围在100ms50ns之间，因此如果取T0为10ms，则受Ts影响很大。当T0为1s时，可忽略Ts对的影响，但这时测试需要等待的时间可以被感觉出来，折衷考虑，取T0=100ms，这时的最大相对误差为：max=10-6/10-1+0.510-1=6.710-6。这时若输入信号为20 MHz，最大频偏F=201066.710-6=134Hz，表示20 MHz频率的7位十进制数的前4位不受影响；同理，当输入信号为10Hz时，F=106.710-6=6.710-5Hz，在10后面的4位小数不受误差影响。故可认为本设计采用的变阐门法的精度为绝对精确的。另一方面，T0=100ms也是定时时间所能选取的最小时间。当输入频率达到最低的l0Hz时，T0=100ms刚好只能计一个脉冲。然而，由于T触发器的2分频作用，就只能计半个脉冲，要测一个完
