數(shù)字存儲示波器

1、 簡易數(shù)字存儲示波器作者: 陳勇 張勛 儲成火 摘 要本簡易數(shù)字存儲示波器以C8051F為控制和數(shù)據(jù)處理為核心,由信號調(diào)理模塊.A/D轉(zhuǎn)換模塊.數(shù)據(jù)存儲模塊.D/A模塊.方波整形模塊.觸發(fā)模塊.程控增益控制模塊和人機接口模塊組成.采用示波器輸出一個DC-50KHZ的正弦波信號,經(jīng)程控增益轉(zhuǎn)換后,進(jìn)行電平移位,把雙極性信號變?yōu)閱螛O性信號,進(jìn)行A/D采樣,存儲后,再D/A后回放.水平掃描控制通過控制器產(chǎn)生一個水平掃描信號,進(jìn)行行掃描.用示波器可以觀察到通過按鍵控制可以進(jìn)行水平掃描,還有一部分?jǐn)?shù)據(jù)可以通過液晶顯示.為了提高測量精度,把各部分電路的誤差合理分配,使電路達(dá)到最佳的測量的效果.一,總體設(shè)計

2、和單元電路的實現(xiàn) 1.1總體方框圖 本系統(tǒng)由8051F單片機,增益控制模塊,電平移位模塊,過零比較模塊,高速A/D和高速D/A模塊組成;以下是單通道信號發(fā)數(shù)字示波器的方框圖; 1.2電源模塊設(shè)計 電源的穩(wěn)定如否直接關(guān)系著系統(tǒng)是否穩(wěn)定,因此設(shè)計出高穩(wěn)定性的電源是必不可少的,同時由于不同的集成電路工作的電壓不一樣,為了讓它們都工作在最佳狀態(tài),必須給它們提供適當(dāng)?shù)碾娫措妷?一般最常用的是-5V+5V和-12V-+12V,因此我們設(shè)計出了相應(yīng)的電源,給它提供了各種濾波措施,都是為了讓它輸出的電源穩(wěn)定.1.3程控增益模塊 由于本設(shè)計要求垂直的靈敏度設(shè)置為0.01V/div,0.1V/div,1V/div

3、,以0.01V/div說明,此時示波器滿刻度顯示時,是0.01x8=0.08V,也就是當(dāng)我們輸入的信號是0.08V時,剛好滿度顯示,但是A/D采樣的電壓在2V,那么它的增益A=2/0.08=25.,同理0.1V/div時,A=2/0.8=2.5;1V/div時,A=2/8=0.25,由此我們可以設(shè)計出程控增益放大器; 當(dāng)Vin<0.08時,A=25; 當(dāng)Vin<0.8時,A=2.5; 當(dāng)Vin<8時,A=0.25;由上可知,要設(shè)計此程控增益放大器,對放大器的要求比較高,特別是線性度越高越好,在這里我們選擇LF356;1.4電平移位 由于單片機對雙極性的信號采集有很大的困難,誤

4、差也很大,所以在采集之前,要把雙極性的信號變單極性的信號,這樣對單極性信號采集就相對容易,電路圖如下： 1.5 A/D和D/A模塊 A/D和D/A是本設(shè)計的核心部分,它的速度直接影響波形輸出的好壞,控制器C8051F內(nèi)部集成有A/D和D/A,但是它的采樣速率是100kbps,而本設(shè)計要求能夠?qū)?0KHZ以下的頻率能進(jìn)行采樣后恢復(fù),由此可知道當(dāng)在50KHZ時,采樣點數(shù)n=100KHZ/50KHZ=2,即在一個周期內(nèi)只能采樣2個點,是不可能恢復(fù)出完整的波形,在一個周期中采樣的點數(shù)越多,恢復(fù)出來的波形也就越完美.設(shè)在一個周期內(nèi)采樣100個點,可知在50KHZ時的采樣率是5MHZ,對C8051F單片機

5、的采樣率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,因此就需要更高采樣速率的A/D和D/A;轉(zhuǎn)換芯片,我們用了20MHZ采樣速率的TLC5510的A/D轉(zhuǎn)換芯片,可以完成50KHZ的采樣,而且可以完整的恢復(fù)出來,同樣也用了高速的D/A芯片THS5651,使輸出的波形近似于輸入波形,使誤差降到了最低.以下是A/D和D/A芯片的簡要介紹:1.6 整形電路模塊 要使控制器時時保持同樣的采樣的點數(shù),就要對不同的頻率的周期進(jìn)行計算,但是我們輸入的信號是正弦信號,因此先得把它給整形成方波信號,這樣便天單片機處理,我們用LM339進(jìn)行過零比較,可以把它較好的給整形,電路原理圖如下:二. 系統(tǒng)調(diào)試與系統(tǒng)測試 2.1系統(tǒng)調(diào)試 根據(jù)方案設(shè)計要

6、求，調(diào)試過程共分三大部分，硬件調(diào)試，軟件調(diào)試，軟件和硬件聯(lián)調(diào)。電路按模塊逐個調(diào)試，各模塊調(diào)試通過后在聯(lián)調(diào)。程序先在最小系統(tǒng)板調(diào)試，通過后在軟硬聯(lián)調(diào)。硬件調(diào)試主要是考慮怎么把各個模塊的測量誤差降到最低，把誤差控制在最小范圍內(nèi)。A/D和D/A轉(zhuǎn)換的精度、過零比較的速度、放大電路的倍率等都是系統(tǒng)的主要誤差來源。由于在系統(tǒng)的硬件設(shè)計中考慮到各個部分電路的誤差分配，盡量將誤差降低到最小。軟件和硬件的聯(lián)合調(diào)試過程中，我們運用的相應(yīng)的軟件補償和硬件補償措施，保證把誤差控制在一個小范圍內(nèi)波動。2.2 指標(biāo)測試 測試儀器 TDS1002數(shù)字示波器 DF2172B交流毫伏表 GFG-8216A低頻函數(shù)發(fā)生器 DF1731SB