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1、基于ARM的简易手持示波器的设计摘 要本设计是基于ARM(Advance RISC Machine)以ARM92为控制核心简易手持示波器的设计。包括前级电路处理，AD转换，波形处理，LCD显示灯模块。前级电路处理包括程控放大衰减器，极性转换电路，过零比较器组成，AD的转换速率最高为500KSPS，采用实时采样方式，设计中采用模块设计方法。充分使用了Proteus Multisim仿真工具，大大提高了设计效率，可测量输入频率范围为10HZ60KHZ的波形，测量幅度范围为-3.3V+3.3V,并实现波形的放大和缩小，实时显示输入信号波形，同时测量波形输入信号的频率。总体来看，本文所设计的示波器，体
2、积小，价格低廉，低功耗，方便携带，适用范围广泛，基本上满足了某些场合的需要，同时克服了传统示波器体积庞大的缺点，减小成本，完全可以把本设计当做手持数字示波器1。关键词：AD ，ARM，实时采样，手持数字示波器A Design of Simple Handheld Oscilloscope Based On ArmABSTRACT The design is based on the ARM ( Advanced RISC Machine) with ARM92as the control core of simple handheld oscilloscope design .Includes
3、 a front stage circuit ,AD conversion ,waveform processing ,LCD display lamp module ,The front stage circuit processing includes programmable amplifier and attenuator, a polarity conversion circuit , a zero cross comparator , AD conversion rate up to 500KSPS, real-time sampling, design adopts module
4、 design method , Make full use of the Proteus, Multisim simulation tools ,greatly improving the efficiency of the design ,can measure for input frequency range of 10HZ-60KHZ waveform ,amplitude measurement range of -3.3v-+3.3v,and the realization of waveform amplification and narrow, real-time displ
5、ay of the input signal waveform ,while measuring the wave shape of the frequency of the input signal.Overall, the oscilloscope designed, small volume, low price, low power consumption ,convenient carrying ,wide application scope ,basically meet the needs of certain applications ,while overcoming the
6、 traditional oscilloscope bulky shortcomings, reduce cost , can make the design as a hand-held digital oscilloscope14KEY WORDS: AD, ARM, real-time sampling, handheld digital Oscilloscope目录前言1第1章 绪论21.1课题背景21.2课题研究的目的和意义21.3课题的主要研究工作3第2章 系统整体设计方案52.1硬件总体结构52.2系统实现的原理介绍62.2.1实时采样62.2.2 AD转换器介绍72.2.3 A
7、RM处理器介绍82.2.4 LCD显示部分82.3软件整体设计102.4数字手持示波器技术参数102.5本章小结10第3章 硬件结构113.1程控放大模块设计113.1.1程控放大电路的作用113.1.2 程控放大器电路所用芯片113.1.3 AD603放大电路及原理123.2 DA转换电路143.3极性转换电路153.4 AD转换电路183.5整形电路193.6显示控制电路21第4章 软件设计234.1软件设计总体框图234.2键盘控制程序234.3频率测量程序设计264.4 LCD显示程序设计26结论29谢 辞30参考文献31附录33外文资料翻译36中文资料翻译40前言由于传统示波器虽然功
8、能齐全但是体积旁大，不方便携带，本设计针对这种缺点设计一种体积小、成本低、功耗小、便携数字示波器，同时达到学以致用，理论和实践相结合，进一步学习课外知识，培养综合应用知识，锻炼动手和实际工作的能力。示波器实现输入频率范围为10HZ60KHZ，幅度范围为-3.3V+3.3V，并实现波形实时显示以及放大和缩小。同时显示波形频率和幅度。示波器在电子、电气、控制等领域应用十分广泛，随着计算机的发展，示波器已经实现了和计算机互联，共享数据，但现有示波器有诸多不足，体积庞大，价格昂贵，功能齐全的示波器在某些场合并不能得到充分的应用。本课题所研究的示波器定位于抵挡型，即在性能 上满足大多场合的需要，努力实现
9、小型化，价格低廉，携带方便，这样在财力有限的小用户能够普及，并和功能齐全高档示波器配合使用，取长补短。本设计对信号的采样，使用实时采样方式，这种方法的优点是，设计相对简单，能实时显示所测信号的波形。缺点是，由于受AD转换速率的限制不能测量频率很高的信号。另外，AD只能测量范围很小的电压信号，单输入信号可能更小，或者更大，所以要对信号进行程控放大和衰减，本设计采用AD603作为程控放大器，基本满足了要求。由于本设计使用的AD只能测量正极性的电压信号，而外界输入的信号有正有负，因此在输入AD前要把所有信号转换成正极性的，本设计采用加法电路，然后再做处理 。频率测量，输入信号可能是各种波形，不便测量
10、，所以本设计专门分一路信号，把信号通过比较器转换成矩形波，用定时器和中断来测量信号的频率，效果良好2。 第1章 绪论1.1课题背景在电子测量技术的发展史上，示波器的出现给测量技术带来了翻天覆地的变化，可以说的上是一场革命，从布劳恩的第一台示波器问世以来，示波器的功能越来越丰富，性能也与日俱增。从70年代开始人们的注意力主要转向自动化、实用化和提高准确度。微型计算机和仪器通用接口的出现，给示波器的自动化发展推到了一个崭新的水平。微机的引入使示波器在设计、性能、功能、实用以及操作和故障诊断等方面都产生了巨大变化，随着工业发展对示波器的设计和测量的需要，示波器的功能已从时域分析扩展到了数据域分析。当
11、前，高精度、功能多样、使用灵活、操作方便、性能可靠，已成为示波器生产厂家追求的主要目标31.2课题研究的目的和意义随着电子工业的发展，电子技术已经渗透到过敏经济个领域中利用电子技术进行的测量即电子测量技术发展很快，已经成为一门学科，并在一定程度上反映了一个国家科学技术水平。在电子测量仪器中，示波器所占的地位越来越重要，对电量和许多非电量的测试来说是一种主要的、通用的测量工具。其实用之广泛和发展速度之快都远远超过其他测量仪器，已经广泛应用于国防、科研、学校以及工农商业等各个领域和部门。半个世纪以来，示波器由电子管发展到晶体管，有发展到集成电路；由模拟电路发展到数字电路；由通用 示波器发展到取、记
12、忆、数字存储、逻辑分析、故障判断、只能化等多个系列，几百个品种。以美国Tektronix公司为例，建立于1947年，目前已有9大系列，100多个品种，产品销遍全球，已被世界公认为示波器的权威。自1951年，我国在示波器生产方面也有很大进展，形成了一支研发和设计示波器的专业队伍，已能生产宽带、取样、高灵敏度、记忆、数字存储、逻辑分析等各门类的示波器，有些门类的主要技术指标已经接近国际先进水平。数字示波器是随着数字电路的发展而发展起来的一种新型示波器。它是采用数字电路，把输入信号经过AD转换，把模拟波形变换成数字信息，并存储在存储器中，待需要读出时，在通过DA转换，能捕捉触发前的信号，可通过接口与
13、计算机相连接等特点，与计算机连成系统。分析复杂的单次瞬变信号的有效仪器。刚一问世，就显示出它强大的生命力，各行各业都迫切需要，有其广阔的市场空间。传统模拟的示波器也有其优点，即具有迅速的响应特性、面板直接控制操作、可直接观测输入信号、价格低廉等。目前数字示波器已经完全能够做到，特别是在捕获非重复信号、避免信号虚化和闪烁、在时间上从触发事件方向寻迹实现在电路中隔离故障等方面，数字示波器显示出了模拟示波器无可比拟的优势。因此，数字示波器由于其性能优越，和良好的性价比，现在已成为示波器的主流产品。通过本设计，可以达到学以致用，把理论与实践相结合，学会处理设计过程中出现的一些问题，掌握设计的技巧，为以
14、后工作打下基础，并完成一个能满足基本需要的手持示波器13。1.3课题的主要研究工作数字示波器利用AD把被测量的模拟信号转换成数字信号，并在液晶上显示波形，而且可以对获得的信息做进一步的处理，例如可以放大，缩小波形。和传统模拟示波器相比，屏幕更新速率是数字示波器另一个限制因素，它不像模拟示波器那样实时显示波形的变化，波形在采样转换显示的过程中被延迟了，被测信号总要经过一段时间才能在屏幕上显示出来。由于普通AD只能测量一种极性的电压信号，而且测量电压范围小，因此，在进行AD转换之前需要对外界信号做一些处理：首先把外界的电压信号转换成正电压，并把电压大的信号衰减，把电压小的信号放大，所以本设计采用了
15、极性转化电路，和程控放大电路，这样就可以测量范围稍微大，正负电压信号了17。为了使测量的波形更便于观测，需要对波形进行放大和缩小，放大和缩小分别包括，幅度周期的放大和缩小。幅度放大时，可以把AD转换到的数据左移两位达到放大两倍的效果，右移两位缩小两倍；周期的放大可以对原来的波形采样更少的点，这样在相等的时间段里可以显示更多的波形，不过这样会丢弃很多数据，容易失真，相反采样更多的波形就放大周期，这样更真实的反应波形。不过，数字示波器也有其局限性，其中之一是，多数数字示波器实用AD，受AD转换速率的影响实时采样不能达到很高的频率。因此，数字示波器不能用于测量频率较高的场合。另外一个解决办法是等效时
16、间采样来达到最大带宽，由于采样密度可以超过重复触发脉冲，因此对连续波形是完全可以的，但是对瞬时脉冲的存储，实时采样速率扔受AD转换速率的限制。尽管如此，在低于10MHZ时，数字示波器有一系列的有点，例如，可以重建一个清晰的存储波形，还可以捕捉并显示预触发波形，这一特征可以用来查找那些导致未知或间断响应的过程。总之与通用的模拟示波器相比，数字示波器有以下特点：(1) 具有存储触发前信息的功能，用数字存储示波器的预触发功能能观测触发前的信号，因而可捕获和显示故障发生前的信号，便于故障检测。(2) 长久保存波形，在观察缓慢信号时无闪烁现象。因为数字存储示波器采用了RAM，可以慢速写入，快速读出，所以
17、无闪烁。(3) 数据输出可加至数据采集系统，用快速傅里叶变化进行处理。(4) 精确度高。第2章 系统整体设计方案示波器的设计分为硬件设计和软件设计两部分。示波器的控制核心采用ARM9，由于ARM9芯片里有自带的AD，采样速率最高位500KSPS,分辨率为10位，供电电压为3.3V，基本上能满足本设计要求，显示部分用 4.3寸的LCD。软件部分采用C语言进行设计，设计环境为ADS。采用仿真软件为Proteus14。2.1硬件总体结构该设计采用模块化的设计方法，根据系统功能把整个系统分成不同的具有特定功能的模块，硬件整体框图如下图所示。图2-1 系统整体框图总体原理图见附图该示波器由5部分电路构成
18、，分别是：(1) 输入程控放大衰减电路；(2) DA转换电路；(3) 极性转换电路；(4) AD转换电路；(5) 整形电路；(6) 显示控制电路；整体设计思路是：信号从探头输入，进入程控放大衰减电路进行放大衰减，程控放大器对电压大的信号进行衰减，对电压小信号进行放大以符合AD的测量范围，经过处理后信号进入极性转换电路进行电平调整成03.3V电压，因为被测信号可能是交流信号，而AD只能测量正极性电信号，经调整后送入AD转换电器对信号进行采样，采样所得数据送入LCD显示。从程控放大电路出来的一路信号送给AD转换器，一路送给整形电路对输入信号进行整形即比较器，把各种信号变成矩形波，利用计数器进行频率
19、测量。这样实现了信号频率的测量和波形的显示。按键控制可以通过不同的按键来控制波形 波形的放大和缩小，同时也可以控制程控放大器，选择放大和衰减的倍数。2.2系统实现的原理介绍2.2.1实时采样数字示波器是利用AD转换器把被测模拟信号变换成数字信号 ，然后 通过相应的硬件和软件将波形数据转换为特定的形式并且显示在屏幕上。实时采样就是AD对被测模拟信号不停的进行转换存储，只要AD转换速率足够高，理论上可以测量任意频率的波形 ，并能正确显示，故能观察单次信号，在观察波形时取样的密度足够大，这样显示器才能重现被观察的波形，根据香农定理，采样的频率必须大于等于被测波形的最高频率的两倍，否则会产生频谱混叠效
20、应，使示波器得出错误的测量结果。等效时间采样，使用等效采样的前提是被测量信号是周期出现的，因此，为了重建原信号，可以每一个周期内等效地等间隔地抽取少量样本，最后将多个周期抽取的样本集合到同一个周期内，这样就可以等效成在一个被测量信号周期内的采样效果。该方案的优点是采样品路不需要太高，与被测信号频率相当即可，缺点是要求被测信号时周期的，而且采样过程较慢，比较耗时，同时要求知道被测信号的精确频率，和精确的时钟，要求很高，本设计决定采用实时采样方式。2.2.2 AD转换器介绍AD转换器的分类下面简要介绍常用的几种类型的AD及其基本原理和特点；1. 积分型积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间（脉冲
21、宽度信号）或频率（脉冲频率），然后又定时器/计数器获得数字值。其优点是利用简单电路就能获得很高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换率极低。初期的单片机AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已经逐步成为主流。2. 逐次比较型逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。优点是速度较高、功耗低，在低分辨率时价格便宜，但高精度时(12位)价格很高。3 . 并行比较型/串并行比较型并行比较型AD采用多个比较器，仅做一次比较而实行转换，又称Flash(快速)型。
22、由于转换数率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度要求特别高的领域。串并行比较型AD结构上介于并行和逐次比较性之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合AD转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为half flash(半快速)型。还有分成三步或者多步实现AD的叫做分级型AD，而从转换时序角度又可称为流水线型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果做数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小 。2.2.3 ARM处理器介绍Arm系列处理器是英国ARM公司设计的主流嵌入式处理器，ARM9主要包括
23、ARM9TDMI和ARM9E-S等系列。本设计使用的是 三星公司的S3C2440处理器，S3C2440基于ARM920T核心，低功耗、简单、精致、且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。ARM920T是16/32位RISC处理器。ARM9207实现了MMU,AMBA总线和哈佛结构 高速缓冲体系结构2。这一结构具有独立的16KB指令高速缓存和16KB数据缓存。S3C2440集成的片上功能如下：(1) 1.2v内核供电，1.8V/2.5V/3.3/V存储器供电，3.3V外部I/O供电(2) 外部存储控制器 (3) LCD 控制器(4) 4通道DNA并有外部请求引脚(5) 3通道UART(6
24、) 2通道SPI(7) 1通道IIC总线接口1通道IIS总线接口(8) AC97编解码器接口(9) 兼容SD主接口协议1.0版和MMC卡协议2.11兼容版(10) 2通道USB主机1通道USB设备(11) 4通道PWM定时器和1通道内部定时器/看门狗定时器(12) 8通道10位ADC和触摸屏接口(13) 130个通用I/O和24通道外部中断源2.2.4 LCD显示部分LCD液晶显示器是Liquid Crystal Display的简称，LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，通过通电与否来控制 杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面3。LC
25、D的主要技术参数有：1. 对比度LCD制造时选用的控制IC、滤光片和定向膜等配件，与面板的对比度有关，对于一般用户而言，对比度能够达到350:1就足够了，但在专业领域这样的对比度还不能满足用户的要求。对比值定义是最大亮度值(全白)除以最小亮度值(全黑)的比值2. 亮度LCD是一种介于固态与液态之间的物质，本身是不能 发光的，需要借助于额外的光源才行。因此，灯管数目关系着液晶显示器亮度。液晶显示器的最大亮度，通常由冷阴极涉嫌管来决定，亮度值一般都在200250cd/m2间。3. 可视面积 液晶显示器所表示的尺寸就是与实际可以使用的屏幕范围一致4.可视角度当背光源通过偏极片、液晶和去向层之后，输出
26、的光线变具有了方向性。也就是说大多说光都是从屏幕中 垂直射出来的，所以从某一个较大的角度观看液晶显示时，便不能看到原来的颜色，甚至是只能看到全白或者全黑。为了解决这个问题，制造商们也着手开发广角技术，到目前为止有三种比较流行的技术，分别是：TN+FILM、IPS和MVA。5. 色彩度任何一种色彩都是由红、绿、蓝三种基本色组成的。LCD面板上是由480272个像素点组成现象的，每个独立的像素色彩是由红、绿、蓝(R、G、B)三种基本色来控制。6. 信号响应时间响应时间是指液晶显示器对于输入信号的反应速度，也就是液晶由暗转亮或由亮转暗的反应时间，通常是以毫秒为单位。要说清这一点我们还要从人眼对动态图
27、像的感知谈起。人眼存在视觉残留的现象，高速运动的画面在人脑中会形成短暂的印象。动画片、电影等一直到现在最新的游戏正式应用了视觉残留的原理，让一系列渐变的图像在人眼前快速连续显示，便形成动态的影像。人能够接受的画面显示速度一般为每秒24张，这也是电影每秒24帧播放速度的由来，如果显示速度低于这一标准，人就会明显感到画面的停顿和不适。按照这一标准计算，每张画显示的时间需要小于40ms。这样，对于液晶显示器来说，低于40ms的显示器便会出现明显的闪烁现象，要是想让图像达到不闪的程度，则就是每秒达到60帧的速度。7. 点距14英寸LCD的可视面积为285.7mm214.3mm，它的最低分辨率为1024
28、786，那么点距就等于：可视宽度/水平像素。2.3软件整体设计该示波器软件开发环境为ADS，代码采用C语言编写1。ARM中软件完成的功能:(1) 键盘中断处理。根据键盘的输入选择衰减倍数，波形放大和缩小倍数。(2) 输入波形频率和峰峰值测量。(3) LCD显示器的初始化和显示控制。2.4数字手持示波器技术参数(1) 水平扫描速度可调(2) 垂直电压灵敏度可调(3) 被测信号的各种参数屏幕显示，包括频率、电压峰峰值。(4) 能测量输入频率为10HZ60KHZ的信号(5) 测量幅度范围为-3.3V3.3V2.5本章小结本章主要目的是对设计中用到的部分做了系统的分析，分析了现在数字示波器的发展现在以
29、及前景和ARM处理器在嵌入式领域应用的优势，本章还简单并系统介绍了硬件部分和软件部分9。第3章 硬件结构该数字示波器的设计采用了模块设计方法 ，把一个功能复杂的系统分解为若干个相对简单的功能比较简单的模块，是设计简化，各个模块设计完成之后，再把模块组装 成一个完整的系统。该示波器硬件由6部分电路构成，分别是：(1) 输入程控放大衰减电路(2) DA转换电路(3) 极性转换电路(4) AD转换电路(5) 整形电路(6) 显示控制电路各个模块的实现原理，和功能作用分别如下所述。3.1程控放大模块设计3.1.1程控放大电路的作用程控放大器的作用是对输入信号进行衰减或者放大调整，使输出信号电压符合AD
30、转换器要求，达到最好的测量与观察效果，所以程控放大器电路在规定带宽范围内的增益一定要平坦，故对运算放大器的要求也比较高。本设计采用AD603，程控放大器的放大 或衰减倍数是由DA控制的。通过键盘控制DA输出大小不同的电压,送到AD603的控制端，控制放大器的放大倍数，根据DA产生电压的大小，达到程控的目的4。3.1.2 程控放大器电路所用芯片1.高速运算放大器AD603的特性 AD603是一种具有程控增益调整功能的芯片，它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90MHZ带宽增益可调的及承运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆率为275V/us。管脚间的连接方式决定了可编程的
31、增益范围，增益在-11+30dB时带宽为90MHZ，增益在+9+41dB事具有9MHZ带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D转换量程为扩展和信号测量系统12。2. AD603管脚图如图3-1所示图3-1 AD603管脚图3.1.3 AD603放大电路及原理AD603的放大电路如图3-2所示。AD603由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。从第3脚输入的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值Vg（1脚和2脚的电压差）有关，由于控
32、制电压1脚和2脚的输入电阻高达50M，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。当第7和第5两管脚的连接不同电阻时，其放大器的增益范围也不一样，当两管脚短接时增益范围为-10dB30dB，本设计这种性能5。选用AD603作为主放大器，两片AD603顺序级联，充分发挥每一片AD603的增益控制功能。AD603的2脚对地压固定，从而1、2脚的电压差Vg受1脚电压的控制。AD603的增益可表示为：Gain=40Vg+10。由此可见，随着1脚电压的 增加，Vg也增加，则AD603的增益变大，相反，若1脚电压减小，Vg也减小，则AD603的增益变小，从而使两级AD603的输出
33、恒定在某个信号强度上。两片AD603采用顺序级联模式有利于控制精度和信噪比的提高。而顺序级联模式要求在放大信号时先启用第一片AD603的增益，用尽后在使用第二片的增益。由AD603的增益计算公式可知，当Vg在-500mv+500mv之间时，其增益在-10+30dB范围内变化，则两片AD603的2脚之间有1V的压降。将第一片AD603的增益范围定为-10+30dB则相应的Vg为-500mv500mv，而其2脚以固定在2V，故1脚的控制电压应为1V2.5V。第二片AD603增益范围也应为-10+30dB，则相应的Vg与第一片AD603相同，其2脚以固定在3V，故1脚的控制电压应为2.5V3.5V，
34、两片顺序级联后的总增益范围-2060dB。由以上分析可知，当DA转换 器电压V从1V到3.5V变化控制1脚时，两级AD603的总增益将从-20dB60dB线性增加。程控放大器电路图如图3-1.3所示：图3-1.3 程控放大器仿真电路图其中XFG1为信号发生器，用来产生信号；XSC1、XSC2、XSC3为示波器，分别用来测量并显示输入信号，一级输出信号，二级输出信号。图3-1.4 输入信号仿真效果二级输出信号 仿真图如图3-1.5所示：图3-1.5 二级输出波形3.2 DA转换电路DA转换电路用于控制程控放大器，本设计用ADC0832，DAC0832是 分辨率为8位的D/A转换集成芯片。与微处理
35、器完全兼容，这个芯片仪器价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成，DAC0832主要参数如下7:分辨率，8位；电流稳定时间1us；可单环从、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电；功耗低等；DAC0832引脚图如图3-2所示：图3-2 DAC0832引脚图3.3极性转换电路在信号的处理过程中，由于AD只能测量单极性的电压信号，但是被测信号可能有正有负，因此，在把电信号送给AD之前需要对电信号做极性转换，把双极性的信号转换为单极性的，本设计中使用的是ARM9
36、中自带的AD，模拟输入范围是03.3V，因此，可以设计一个极性转换电路，如图3-3所示:图3-3 极性转换电路图根据公式Uo=R4(Ui/R2+Vref/R3 )，可令Vref的电压为3.3V，这样，可以实现测量范围为-3.3V+3.3V。在极性转换电路中使用了OP07，OP07是一种低功耗双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07引脚图如图3-3.1所示:图3-3.1 OP0
37、7引脚图本设计用 Multisim仿真软件，Multisim功能强大，仿真多种电路。仿真电路图如图3-3.2所示：图3-3.2 极性转换仿真电路图上图中，XFG1为波形发生器，本设计用来产生3.3V的正弦波；XSC2为示波器,用来测量和显示输入信号的波形即波形发生器的波形；XSC1为示波器，用来测量和显示输出信号的波形。该电路实现把振幅为3.3V的正弦波，转换为03.3V的正极性波形，送给ARM9中自带的AD，以处理数据。极性转换仿真效果图如图3-3.3所示：图3-3.3 极性转换仿真效果图该图为XSC2测量的输入信号的波形。极性转换输出信号波形如图3-3.4所示：图3-3.4 输出信号仿真效
38、果图 从仿真图中可以看出，极性转换电路，把-3.3V-+3.3V的正弦波转换成了0-3.3V的正弦波，符合AD的测量范围。达到了预期的目的。3.4 AD转换电路ARM9中自带的AD是一个8通道模拟输入的再循环类型设备，器转换模拟输入信号为10为二进制数字编码，最大转换率为2.5MHZ A/D转换器时钟下的500KSPS。A/D转换器支持片上采样-保持功能和掉电模拟的操作。其参数特性为：分辨率，10位；差分线性误差，1.0LSB；积分线性误差，2.0LSB；最大转换率，500KSPS；功耗低；供电电压，3.3V；模拟输入范围，03.3V。等等图3-4 ARM9自带AD引脚图其中AIN0AIN7为
39、 ADC输入引脚。3.5整形电路整形电路主要作用是用来把外界各种信号转换成矩形波，以此来测量信号的频率。过零比较器是将信号电压Vin与参考电压进行比较。图3.4.1所示，电路由集成运放构成，对于高质量的集成运放而言，其开环电压放大倍数很大，输入偏置电流、失调电压都很小。因此集成运放工作时，当 Vin0时，Vout为低电平；当 Vin0时，Vout为高电平。整形电路图如图3-5所示：图3-5 整形电路图在整形电路中用到了LM741，LM741是一种应用非常管饭的通用型运算放大器。由于采用了有源负载，所以只要两级放大器就可以达到很高的电压增益和很宽的共模及差模输入电压范围。仿真电路图为如图3-5.
40、1所示：图3-5.1 过零比较器仿真电路图图 3-5.1中，XFG1为信号发生器可以产生正弦波，XSC2为示波器，用来测量和显示输入信号波形，XSC1也为示波器，用来测量和显示输出信号的波形。仿真效果如图3-5.2所示。图3-5.2为输入信号的波形。图3-5.2 过零比较器输入信号波形仿真图过零比较器输出信号波形仿真如图3-5.3所示：图3-5.3 过零比较器输出波形仿真图从上图中可看出，极性转换电路把输入信号转换成了矩形波，这样可以很方便的通过矩形波测量输入信号的频率。3.6显示控制电路该部分电路是ARM9控制的LCD，LCD个引脚与ARM9控制器的连接如图3-6所示：图3-6 LCD控制电
41、路 第4章 软件设计该示波器采用一个ARM芯片控制，通过键盘选择波形放大和缩小。并在LCD上显示，同时显示频率和峰峰值。以下是根据整个系统进行 软件设计，软件设计环境为ADS.4.1软件设计总体框图系统总体框图如图4-1所示：图4-1系统总体框图4.2键盘控制程序利用4个按键K1,K2,K3,K4来选择波形的放大和缩小，按键采用外部中断方式，其中K1产生外部中断EINT1，减少一个周期内采样点数，达到控制水平扫描速度，即让原来在相同时间内显示两个周期的波形显示四个或者更多。K2产生外部中断EINT4，其作用正好和K1相反，增加一个周期内采样点数，拉长波形，按一下波形拉长原来的两倍。K3产生外部
42、中断中断EINT2，控制幅度的放大，按一下幅度扩大到原来的两倍.K4产生外部中断EINT0,其作用和K3相反，缩小波形幅度，按一下波形缩小为原来的两倍。按键中断程序流程图如下图所示8。图4-2 按键中断流程图按键中断主要程序为：void key_interupt_init()rGPFCON=rGPFCON&(34)|(30)|(38)|(32) | (24)|(20)|(28)|(22) ;rEXTINT0 &= (7|(74)|(78)|(716);rEXTINT0 |= (2|(24)|(28)|(216);rEINTPEND |= (14);/clear eint 4；rEINTMASK
43、 &= (10)k-;rEINTPEND |= 14;if(rINTPND=BIT_EINT1)ClearPending(BIT_EINT1);k+;rEINTPEND |= 12)l-;rEINTPEND |= 12;if(rINTPND=BIT_EINT0)ClearPending(BIT_EINT0);l+;rEINTPEND |= 10;4.3频率测量程序设计从程控放大器出来的信号进入整形电路，信号变换成矩形波，打开定时器，定时一秒，计数一秒内矩形波高电平的次数，从而得到原来信号的频率。频率测量程序流程框图如下图所示9。图4-3 频率测量程序设计框图4.4 LCD显示程序设计本设计所使
44、用的是4.3寸480272.图形点阵LCD，该部分程序主要有LCD初始化，AD转换过来的数据转换成显示数据 。有两种显示方式：一种是AD转换结束，就读取数据并在 LCD上显示一个点，这样实时显示波形；另一种是，AD转换结束后，读取数据并保存，一直到存满一屏就刷屏显示，这样一屏一屏的显示，但是这样速度有点慢，不能 实时显示波形的变化，本设计采用第一种。LCD显示主要程序为：void Main(void)char *mode;int x,y,ys,yss;U8 key;U32 mpll_val = 0 ;Port_Init();Isr_Init(); Lcd_TFT_Init() ;/ LCD initialdownload_run=1; /The default menu is the Download & Run mode.y=0;x=0;key_interupt_init();while(1) /Lcd_ClearScr( 0); preScaler = ADC_FREQ;preScaler = 50000000/ADC_FREQ -1; for(ys=0;ys480;ys+)if(k0)k=0;for(i=0;i=480)Lcd_ClearScr( 0);fhz();display(nums,2);x=0;ys=0;AD中断的
