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1、目录1任务分析32 方案论证和比较42.1 处理器的比较和选择42.2 信号前向调整模块的设计方案42.3 A/D转换器选型方案42.4 显示设备的选择53系统硬件设计53.1 总体设计思路53.2信号前向调整模块53.3频率计的基本原理63.4 MSP430F247处理器73.5存储器83.6 显示输出电路93.7键盘设计93.8电源稳压保护电路104 软件设计105 系统测试116结束语127 参考文献138附录14附录1 系统电路总图14附录2 制作实物图15摘 要本设计是一种简单实用的数字存储示波器。该设计主要由四个模块电路组成：前端信号处理模块、数据的采集与存储模块、键盘输入控制模块
2、、单片机控制模块与LCD显示模块。采样率可达1M，并具有数据的采集、显示菜单、单次触发、存储显示等功能。本设计以MSP430F247单片机为核心，采用运算放大器OPA2132，对大小信号分别进行放大处理；LCD12864显示波形，并且可以显示当前的时间扫描灵敏度和垂直灵敏度状态。此外作品大大优化了外围硬件线路的设计，增加了系统的稳定性和可靠性。关键词： 示波器 数字存储 高速AD转换，简易数字存储示波器1 设计任务设计并制作一个简易数字存储示波器( 简易DSO )。基本要求 (1) 可以显示测量的波形， (2) 垂直灵敏度：0.01V/div，0.02V/div，0.05V/div，0.1V/
3、div，0.2V/div，0.5V/div，1V/div，2V/div，5V/div误差5% ； (3) 水平扫速： 30s/div，50s/div，100s/div，200s/div，500s/div，1ms/div，2ms/div，5ms/div，10ms/div，20ms/div，50ms/div，100ms/div，200ms/div，1s/div，误差5%；(4) 可测量的模拟输入信号的电压范围在10mV-5V。信号频率： 0.05Hz-30kHz (5) 单次触发、扩展、触发电平可调； (6) 显示波形无明显失真。发挥部分 （1）连续触发存储方式，并有“锁存功能”；（2）具有移相功
4、能。 （3）垂直灵敏度 0.01V/div，低输入噪声电压。1任务分析根据设计任务的要求，必须实现信号的放大、衰减，采集和波形显示。这需要选择合适的运放，A/D转换器，处理器和显示设备。2 方案论证和比较2.1 处理器的比较和选择方案一：如图以AT89S51单片机为控制核心，对输入信号进行增益放大或衰减后，通过A/D转换将模拟信号转换成数字信号后，通过单片机将数据锁存至外部RAM，然后再通过单片机将数据送至显示屏显示，这种方案结构较为简洁，但A/D的最高采样速度比较高，无法利用AT89S51单片机直接采集这样速率的数据。方案二：而由美国德州仪器公司（TI）推出的MSP430系列超低功耗16位处
5、理器内部具有4K的RAM，并且具有很高的处理速度，检测的信号进行增益放大或衰减后，直接输入MSP430F247单片机进行数据采集和处理，最后通过LCD显示出波形。方案比较： MSP430F247单片机的高速运算能力和较大的数据存储器，既可满足输入信号的采样速度和精度，又有足够的空间存储采集的数据，从而使得外围电路简单所以采用方案二。2.2 信号前向调整模块的设计方案方案一：采用集成程控放大器(例如:PGA103)作为信号的前向输入通道，根据输入信号的幅度选择不同的放大衰减倍数，以达到所要求的输入范围。在系统前端采用集成器件，对抑制系统的噪声是很有帮助的,而且这种器件控制简单,使用方便。方案二：
6、为了使不同幅度的输入信号都能被所采样，模拟输入信号需要放大或衰减，在采样电路的前端采用本次大赛提供的TI公司的OPA2132运算放大器应对输入信号进行一定的放大衰减。方案选择：根据需要，输入信号的幅度范围为10mV2V，则需要放大200倍，OPA2132运算放大器完全能满足要求。因此选择方案二。2.3 A/D转换器选型方案信号电压的数字转换决定着测量的精度与准确度，这是本设计的关键部分之一。方案一：采用德州公司的ADS804E器件，该器件可将模拟信号转化为12位的数字信号，输出具有自动校准功能。采样速度能够满足采样转换的要求。方案二：采用MSP430F247单片机自带的ADC，可将模拟信号转化
7、为12位的数字信号，采样速度能够满足采样转换的要求。MSP430F247内部的A/D将接收到的经过处理的模拟信号进行实时采样，然后以逐次逼近的方式进行模数转换处理，最后存储在片内RAM中。然后将RAM中的数据显示成波形。方案选择：MSP430F247单片机的高速ADC完全可以满足本设计的要求。因此选择方案二。2.4 显示设备的选择方案一：使用点阵图形液晶显示模块12864显示，；其显示分辨率为12864,利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，虽然分辨率不是很高，但也可以满足本设计的要求。方案二：使用彩色的液晶显示屏，可以将波形显示的更加清晰，并且具有更高的分辨率。但显示屏需要很多的I
8、/0，还会消耗大量宝贵的RAM。方案选择：考虑到制作成本和简易示波器的设计要求，选择方案一比较合适。3系统硬件设计 3.1 总体设计思路 系统结构框图如图3-1。输入信号放大或衰减MSP430F247输出显示键盘输入图3-1 系统结构框图3.2信号前向调整模块输入信号在1200倍可调放大。电路如图3-2所示。图3-2 运放的设置在输入信号为10mV时运放放大200倍，幅度将达到2V，在ADC12的参考电压取25V时，转换数据为22 5*4096=3276。在输入信号为200mV时，运放放大lO倍，幅度将达到2V，在ADC12的参考电压取25V时，转换数据为225*4096=3276。在输入信号
9、为2V时，运放放大1倍，幅度将达到2V，在ADC12的参考电压取25V时，转换数据为225*4096=3276。根据以上分析，如此配置运放是完全可行的。ADC12的配置应该为：片内参考电压为25V；P60为模拟输入信号A0，采样使用主动读取方式，非ADC12中断。采样与保持的时间取最小值，主要为了兼顾最快采样。3.3频率计的基本原理频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。闸门时间越
10、短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。在大于1000Hz我们采用直接测频法，小于1000Hz我们采用间接测频法，以此来减小测量误差。图3-3 数字频率计测频的基本原理3.4 MSP430F247处理器MSP430 f247是一个 16 位的、具有精简指令集的、超低功
11、耗的混合型单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作数寻址、 4 种目的操作数寻址）有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。16 位的数据宽度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）并且其抗干扰能力强，适应温度范围宽，还可以很方便地实现多机和分布式控制。使整个系统的效率和可靠性大为提高。MSP430 F247主要功能特性： P1-P6为48条I0口线的6个并行口，其中P1、p2具有中断能力；USART0和USARTl
12、为两个可用于UART/SPI模式选择的串 行口； 内含12位的AD转换器ADCl2，快速执行88、816、1616乘法操作并立即得到结果的硬件乘法器；多达160段的LCD控制器比较器，可以实现多种方式的驱动显示；可以实现UART、PWM、斜坡ADC的16位Timer-A和16位Timer-B；MSP430F247单片机最小系统电路图如图3-4所示。图3-4 MSP430F247单片机最小系统图3.5存储器 本系统的存储器采用MSP430F247的片内4K RAM，使得本系统的设计大为简化。首先，它的写入和读出端口是相互独立的，这样就避免了RAM的数据线在读、写是的切换，这就使得A/D和D/A工
13、作互不干涉影响；第二，由于是FIFO结构，RAM的写入和读出分别由WCK和RCK控制，不需外部地址线，可以同时在两个不同的时钟下工作，大大简化了外围控制电路和电路的连线；第三，利用WRST和RRST可使uPD42280的内部写地址计数器和读地址计数器复“0”，可方便地进行写入和读出的同步控制。在我们设计的系统中，写入端的WCK和AD采样频率一致，而WRST受同步信号控制，从而保证了写入RAM数据的完整性和周期性。在读出端，RCK和RRST以是固定频率和周期将数据读出，并送至DA转换器，形成Y轴信号，以RRST为周期产生锯齿波，形成X轴信号。该模块为RAM模块的写地址累加器，可控制波形的存储。H
14、_sering为单次和多次触发控制引脚，当为高电平时，单次触发，停止向RAM写入数据，所显示波形为存储波形；为低电平时，多次触发，当检测到一次触发时，即向RAM写一次数据，共l K个点，并在写操作时屏蔽触发。写地址先写奇地址，存入通道一采样后的波形数据，后写偶地址，存入通道二采样后的波形数据。如果连续多次检测不到触发时，向RAM中写入全0，显示一条直线，即实现自动捕捉功能。该模块为读地址累加器，从RAM中读取数据，并产生行扫描和列扫描数据。通过单片机写入累加器基地址，改变读取数据的起始位，实现波形的平移。该模块还可计算波形的峰峰值、平均值，单片机可直接读回数值。波形显示控制模块如图3-5所示。
15、 图3-5 RAM工作原理3.6 显示输出电路 显示终端的主要功能是从主通讯控制器接收信息,发送数据只给出必要的应答。电路中用MSP430F247的串口接收主通讯控制器传来的数据,经过处理在MSP430F247 单片机的I/ O 口送给LCD 进行显示,完成主通讯控制器对各终端的控制和传递数据。图中MSP430F247 的P1. 3 、P1. 4 为LCD左右半屏的片选信号CS1 、CS2 , P1. 2 为LCD 的R/ W 读写控制线, P1.1 为LCD 的E 使能信号,P1.0为LCD 的D/ I 数据/ 指令选择信号, P4 口作为LCD 显示数据( 或指令) 通讯口。MSP430F
16、247 的外部时钟接高速时钟8MHz ,为系统的不同模块提供了不同的工作频率。该模块为液晶屏提供8位并行数据传输口，以及上拉输入端口，电源，从而确保液晶屏的正常工作。图3-6 液晶屏显示模块 设计时我们设定水平扫描分辨率为00点/div，示波器水平刻度为10div，我们采用内部DA作为数模转换器，其转换时间最快为1s，即扫描一周所需时间为200s。如前所述，输出数据的速率是固定的，与信号的采样频率没有直接的联系，所以可选择一个使内部DA 工作特性较好的时钟速率。由于采用固定的数据率，所以输出设计也较为简单。3.7键盘设计在本系统中，单片机负责扫描键盘并把键盘指令转换成相应的控制信号控制。键盘采
17、用8键输入，键脚其一接地，另一接入单片机系统，以高/低电平控制功能的开启/关闭，8个按键的功能依次为：锁存/解锁、垂直分辨率+、垂直分辨率-、时间分辨率+、时间分辨率-、水平左移动、水平右移动、垂直向上移动、竖直向下移动3.8电源稳压保护电路被测信号通过通用探头和分压器得到的输出信号，由于输出阻抗较高，需要经过阻抗变换成为低的输出阻抗，以保持信号的完整性。同时，对于一个系统来讲，过载是不可避免的，在过载情况下，如果没有保护，器件很容易损坏。因此，系统中设计了由二极管和电阻构成的过载保护电路，将输入信号限制在4.8V的范围之间。由于MSP430是3.6伏供电的，而LCD是5伏控制的，故加5伏电源
18、，然后通过稳压管将5伏降到3.6伏。其次电源也需稳压保护。图3-8 输入电源稳压保护电路4 软件设计软件关键部分为数据采集子程序和显示子程序。数据采集子程序进行数据采集，并直接把数据送人内存和D/A 转换，显示在屏幕上。显示子程序把存储在内存中的数据送到D/A 转换显示在屏幕上，通过修改数据首地址，可以实现左右移动功能。通过在主控程序中调用这两个子程序，可以方便地实现“单触发”、“实时显示”、“双踪”功能。主控程序采用状态字方式模块化编写，通过设置状态字，使程序在单触发、实时显示、双踪功能程序段中进行切换，同样，在一个功能段中，也是通过设置不同的状态字以实现变换采样速率、锁存、左右移动等子功能
19、。系统软件的流程如下：开始系统初始化系统功能键判断垂直灵敏度选择扫描速度选择水平左移水平右移在示波器上显示锁存或实时显示单次或连续触发返回功能判断图4-1 单片机程序流程图由于液晶的使用，加上软件的设计，使得系统提供了良好的人机界面。软件主要由多层滚动式菜单组成，功能的设定都在菜单中完成，各个功能模块相互独立，具有很好的交互性。按键主要由数字键、确定键、取消键、四个方向键以及四个功能键组成，并且按键具有重复按键的功能，当按下某一键不放时，将重复响应此键，操作很方便。5 系统测试5.1测试仪器HG-1643函数发生器COS5020 20M模拟示波器EE434C频率计DT9202A数字万用表5.2
20、测试数据与整机指标整个系统本着筒单可靠的原则完成了任务。不仅完成了题目要求的基本目标，而且有了很大的发挥，各种技术指标均达到或超出了题设要求。现将题目要求指标和实际性能指标列举如下：类型序号测试项目与指标测试记录基本要求（1）单次触发存储显示方式有效单次非周期信号测试功能有效（2）扫描速 度 功能有效周期误差（5%） 0.2s/div(f=1kHZ)0.94HZ(6%)0.2ms/div(f=1kHZ)1KHZ(0%) 20us/div(f=10kHZ)10KHZ(0%)（3）垂直灵敏度 功能有效幅度误差（5%） 0.1V/div(0.4V)0.39V(2.5%) 1V/div(4V)4V(0
21、%)（4）频率范围 0.05Hz(5V)4.8V(0.4%) 30KHz(正弦信号)30KHz(0%)（5） 触发功能有效（6） 波形失真情况无发挥部分（1）连续触发存储的显示方式显示稳定性0.2s/div(f=1kHZ)0.94HZ(6%)0.2ms/div(f=1kHZ)1KHZ(0%)20us/div(f=10kHZ)10KHZ(0%)锁存功能有效（2） 移相功能 有效（3）垂直灵敏度（0.01V/V）功能（0.05V）0.048V 幅度误差（5%）（4.8%） 输入短路时的输出噪声电压1mV(4)其它采用LCD显示器，简单明了6结束语在以往的电路设计中单片机和外围器件大部分为5V 系统
22、,而随着电子技术的发展,低压低功耗器件越来越多, 选用3.6V 工作的MSP430微控制器和LCD 显示器,既能够降低系统功耗,又能简化电路。实践证明,采用液晶显示模块作为终端显示器,接口规范、使用方便。同时,MSP430 单片机集成许多通用模块,功能强大,采用先进的功耗管理技术,对功耗情况进行动态管理,可以进一步降低系统功耗,特别适合应用于对体积、功耗敏感和电池供电的设备。7 参考文献1魏小龙. MSP430 系列单片机接口技术及系统设计实例M . 北京:北京航空航天大学出版社,2002 2胡大可. MSP430 系列超低功耗16 位单片机原理及应用M . 北京:北京航空航天大学出版社,2000.3李毅等.数字存储示波器触发电路的数字化技术研究.仪器仪表学报.2004.3参考文献4康华光 主编.电子技术基础 数字部分(第四版)M高等教育出版社,2003: 455-5015艾德才等著.微型计算机总线M上海:电子工业出版社,1996: 249-2566VACON Drives Co.,Ltd.CX User manual.Finland.3.Fluke 电气电子测试工具样本7王松武,于鑫,武思军编著.电子创新设计与实践M北京:国防工业出版社,1990:255-2708附录附录1 系统电路总图附录2 制作实物图
