1、211 华北理工大学轻工学院Qing Gong College North China University of Science and Technology毕 业 设 计 说 明 书设计题目：基于单片机的简易数字示波器的设计学生姓名： 学 号：专业班级：测控技术与仪器 学 部：信息科学部指导教师： 2015 年 5 月 30 日摘 要-I-摘 要数字存储示波器是依据数字集成电路技术的发展而出现的智能化示波器，现在已经成为电子测量领域的基础测量仪器。数字存储示波器的技术基础是数据采集，该技术已经广泛应用于数据采集产品中，对相关仪器的研发与创新具有深远意义。随着技术与元器件的发展与创新，数字存
2、储示波器正在向宽带化、模块化、多功能和网络化的方向发展。数字存储示波器可以实现高带宽和强大的分析能力。高端的数字存储示波器实时带宽已经可以达到 20GHz，可以广泛的应用各种千兆以太网、光通讯等测试领域。而中低端的数字存储示波器已经可以广泛应用于各个领域的通用测试，也可以广泛应用于高校及职业院校的教学。但是现在国内外数字存储示波器在几千到几十万不等，普遍价格偏高，不适用于简单用途的使用与测量。所以这里介绍了数字存储示波器的原理与基本概念并设计了一个简易的基于单片机的数字存储示波器，简化制作成成本，并能实现其基本功能与主要技术指标。关键词 数据采集、单片机Abstract-II-Abstract
3、Digital storage oscilloscope is based on the development of Digital IC technology and intelligent oscilloscope, now electronic measurement field of basic measurement instrument. The technology of digital storage oscilloscope is the data acquisition, which has been widely used in data acquisition pro
4、ducts, and it has far-reaching significance for the development and innovation of the related instrumentsWith the development and innovation of technology and components, digital storage oscilloscope is developing to broadband, modular, multi-function and network Digital storage oscilloscope can ach
5、ieve high bandwidth and strong analytical skills. High end digital storage oscilloscope real-time bandwidth has been reached 20GHz, can be widely used in various Gigabit Ethernet, optical communications and other test areas. And the low-end digital storage oscilloscope has been widely used in variou
6、s fields of universal testing, can also be widely used in Colleges and universities and vocational colleges teaching.But now the digital storage oscilloscope at home and abroad, ranging from thousands to hundreds of thousands, the general price is high, not for simple purposes and measurement. So he
7、re the basic concepts and principles of digital storage oscilloscope and design a simple digital storage oscilloscope based on MCU, simplify the production cost and realize the basic functions and main technical indicators.Keywords: data acquisition microcontroller目 录-III-目 录摘 要 IAbstract.II第 1 章 绪论
8、 .11.1 选题的背景意义和研究现状 11.1.1 选题的背景意义 11.1.2 国内外研究现状 11.2 设计的任务和要求 21.2.1 设计的主要任务 21.2.2 设计的基本要求 2第 2 章 数字存储示波器的基本原理 .32.1 数字示波器的基本原理 32.1.1 数字存储示波器的组成原理 32.2 数字存储示波器的工作方式 32.2.1 数字存储示波器的功能 32.2.2 触发工作方式 42.2.3 测量和计算工作方式 42.2.4 面板按键操作方式 42.2.5 数字存储示波器的显示方式 42.3 数字存储示波器的特点 62.4 数字存储示波器的主要技术指标 62.4.1 最高取
9、样速率 62.4.2 存储带宽 72.3.3 分辨率 72.4.4 存储容量 72.4.5 读出速度 72.5 数字信号的采集与存储 7第 3 章 系统硬件电路的设计 .93.1 STC15W4K60S4 系列单片机 .93.2 LCD1286493.3 硬件系统设计 .11第 4 章 系统功能的软件设计 134.1 单片机软件开发系统 .134.2 主程序设计及流程图 .134.2.1 数字存储示波器系统流程图 .13第 5 章 结论和展望 155.1 结论 .155.2 展望 .15致 谢 .16参考文献 .17附录一 .18第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 选题的背景意义和研究现
10、状1.1.1 选题的背景意义据 IEEE 的文献记载 1972 年英国 Nicolet 公司发明了世界第一台数字存储示波器，到 1996 年惠普科技发明了世界第一台混合信号示波器。数字示波器自从上个世纪七十年代诞生以来。应用已经越来越广泛，已成为测试工程师的必备工具。21 世纪是一个技术和科学都在飞速发展的时代，随着自动化技术、通信技术、电子技术、计算机技术的高速发展，电子测量技术也获得了巨大的发展。数字示波器就是存储波形以及对多种信号的计算、分析、处理等优异的性能逐步取代模拟示波器。数字示波器可以对信号进行一次性的采集，将波形存储起来，还可以通过操作波形的位移来观察波形的任何一个部分。在测量
11、领域示波器是最常用的电子仪器之一，但是传统的示波器都存在一定的缺点。模拟示波器无法存储波形和监视实时信号，而示波器虽然拥有这些功能，但是却价格昂贵，而且都存在体积过于笨重、操作过于繁琐、不方便携带、耗电量大与不便于现场测试等缺点，给实际应用带来了相当多的不便。为了将书本上的专业知识运用到实际当中，而且了解到作为电子仪器将来有非常广阔、巨大的发展空间，所以我选择了数字存储示波器这个毕业设计题目。1.1.2 国内外研究现状从示波器发明至今，微处理技术和数字集成电路得到了迅速发展，示波器也已经开始融合这些技术了来使用各种需要。经过几十年的发展，示波器由电子管发展到晶体管，又发展到集成电路；由模拟电路
12、发展到数字电路；由通用示波器发展到取样、数字、逻辑、记忆、存储、智能化示波器等十大系列、几百样品种。美国 Tektronix 公司建立于 1947 年，已经有了 9 大系列，100 多种产品，产品遍及全球，已经是是世界公认的示波器权威。目前主要的生产厂家是美国的安捷伦公司、泰克公司、力科公司、台湾的固纬公司、国内的中国电子科技集团第 41 研究所和北京普源精电公司等。自 1951 年以来，我国在示波器生产研发方面也取得了非常大的进展，现在已经可以生产宽带、记忆、高灵敏度、逻辑、数字存储等各类示波器，而且一些种类示波器的主要技术指标已经达到国际先进水平。华北理工大学轻工学院-2-在 20 世纪
13、30 年代是电子示波器时代，1985 年示波器宽带达到了100MHz。20 世纪 50 年代是晶体管示波器阶段，由于采用了晶体管元件，示波器宽带突破了 100MHz 达到了 150MHz，在 1969 年又达到了 300MHz。20 世纪 70年代是集成化示波器阶段，集成电路技术实现了示波器的小型化和高性能、高准确性。1971 年问世的微处理器，让示波器的宽带达到了 500MHz，1979 年达到了 1GHz 的高峰。1972 年第一台数字示波器问世，它对示波器的发展产生了巨大的影响。1973 年同时出现了逻辑定时分析仪和逻辑状态分析仪标志着示波器测量已经跨入了数领域。1974 年发表的带微处
14、理器的示波器，预示着示波器的发展进入了一个崭新的阶段。80 年代以来，示波器正朝着智能化、数字化飞速发展，示波器的技术日新月异，新的产品层出不穷。1.2 设计的任务和要求1.2.1 设计的主要任务数字存储示波器是利用模/数转换器(A/D)把被测模拟信号转换成数字信号,然后存入随机存储器(RAM)中,需要显示的时候将 RAM 中的内容调出,通过相应的数/模转换器(D/A)在恢复为模拟信号显示在示波器屏幕上,便于人们记录、观察波形，而且可以将获得的信息进一步的处理、分析。所以要求设计能对被测信号进行采集、存储和显示，扫描频率可调，波形无明显失真，设计硬件控制电路，画出硬件设计原理图，编写相应的控制
15、软件，并进行对信号的实际测试与调试。1.2.2 设计的基本要求设计的需求是利用单片机进行控制，基于 51 单片机和液晶显示的示波器。适合-5V5V 信号的采集，频率测量 010000Hz，频率误差小于 0.1%，宽带可达到 010KHz，电压测量范围 0V5V，精度为 0.1V，液晶显示使用LCD12864，触发电平（+/-），耦合方式有交流耦合和直流耦合，可以识别正弦波、三角波、方波。第 2 章 数字存储示波器的基本原理-3-第 2 章 数字存储示波器的基本原理2.1 数字示波器的基本原理2.1.1 数字存储示波器的组成原理数字示波器是数据采集，A/D 转换，软件编程等一系列的技术制造出来的
16、高性能示波器。数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能。还有一些示波器可以提供存储，实现对波形的保存和处理。目前高端数字示波器主要依靠美国技术，对于 300MHz 带宽之内的示波器，目前国内品牌做的示波器在性能上已经可以和国外品牌抗衡，且具有明显的性价比优势。数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，其使用日益普及。由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异，如果使用不当，会产生较大的测量误差，从而影响测试任务。带宽是示波器最重要的指标之一。模拟示波器的带宽是一个固定的值，而数字示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。数字示波器对重复
17、信号采用顺序采样或随机采样技术所能达到的最高带宽为示波器的数字实时带宽，数字实时带宽与最高数字化频率和波形重建技术因子 K 相关（数字实时带宽=最高数字化速率/K），一般并不作为一项指标直接给出。从两种带宽的定义可以看出，模拟带宽只适合重复周期信号的测量，而数字实时带宽则同时适合重复信号和单次信号的测量。厂家声称示波器的带宽能达到多少兆，实际上指的是模拟带宽，数字实时带宽是要低于这个值的。例如说 TEK 公司的 TES520B 的带宽为 500MHz，实际上是指其模拟带宽为 500MHz，而最高数字实时带宽只能达到400MHz 远低于模拟带宽。所以在测量单次信号时，一定要参考数字示波器的数字实
18、时带宽，否则会给测量带来意想不到的误差。2.2 数字存储示波器的工作方式2.2.1 数字存储示波器的功能数字存储示波器的随机存储器RAM按功能可分为信号数据存储器，参考波形存储器，测量数据存储器和显示缓冲存储器四种。信号数据存储器存放模拟信号取样数据；参考波形存储器存放参考波形的数据，它采用电池供电，或采用华北理工大学轻工学院-4-非易失性存储器，故可以长期保存数据；测量数据存储器存放测量量与计算的中间数据和计算的结果，和一般微机化仪器的随机存储器作用基本相同；显示缓冲存储器存放现时代波形，荧光屏上显示的信息均有显示缓冲存储器提供。2.2.2 触发工作方式数字存储示波器的触发方式包括常态触发和
19、预置触发两种方式常态触发:常态触发是在存储工作方式下自动形成的，同模拟示波器基本一样，可通过面板设置触发电平的幅度和极性，触发点可处于复现波形的任何位置及存储波形的末端，触发点位置通常用加亮的亮点来表示。预置触发:预置触发即延迟触发，是人为设置触发点在复现波形上的位置，它是在进行预置之后通过微处理器的控制和计算功能来实现的。由于触发点位置的不同，可以观测到触发点前后不同区段上的波形，这是因为数字存储示波器的触发点只是一个存储的参考点，而不一定是取样，存储的第一点。预置触发对显示数据的选择带来了很大的灵活性。2.2.3 测量和计算工作方式 数字存储示波器对波形参数的测量分为自动测量和手动测量两种
20、。一般参数的测量为自动测量，及示波器自动完成测量工作，并将测量结果以数字的形式显示在荧光屏上，特殊值的测量使用手动光标进行测量，即光标测量。光标测量指的是在荧光屏上设置两条水平光标线和两条垂直光标线，这四条光标线可在面板的控制下移动，光标和波形的交点，对应于信号存储器中的相应的数据。测量时，示波器在测量程序控制下，根据光标的位置来完成测量，并将测量结果以数字形式显示在荧光屏上。2.2.4 面板按键操作方式数字存储示波器的面板按键分为执行键和菜单键两种，按下执行键后，示波器立即执行该项操作。当按下菜单键时，屏幕下方显示一排菜单，屏幕有方则显示对应菜单的子菜单，然后按子菜单下所对应的软键执行相应的
21、操作。2.2.5 数字存储示波器的显示方式由于数字存储示波器可以对被测信号存储，波形的采集和显示可以分开进第 2 章 数字存储示波器的基本原理-5-行，与宽带示波器相比，采集速度和显示速度可不相同，因此采集速度很高的数字存储示波器对其显示的速度要求不高。数字存储示波器的显示方式灵活多样，具有基本显示，抹迹显示，卷动显示，放大显示和XY显示等，可适应不同情况下波形观测的需要。存储显示:存储显示方式是数字示波器的基本显示方式，适用于一般信号的观测，在一次触发形成并完成信号数据的存储后，经过显示前的缓冲存储，并控制缓冲存储器的地址顺序，依次将欲显示的数据读出并进行DA变换，然后将信号稳定的显示在荧光
22、屏上。抹迹显示:抹迹显示方式适用于观测一长窜波形中在一定条件才会发生的瞬态信号。抹迹显示时，应先根据预期的瞬态信号，设置触发电平和极性；观测开始后仪器工作在末端触发和预置触发相结合的方式下，当信号数据存储器被装满单瞬态信号未出现时，实现末端触发，在荧光屏上显示一个画面，保持一段时间后，被存入的数据更新。若瞬态信号仍未出现，在利用末端触发显示一个画面，这样一个个画面显示下去，如同为了查找莫个内容，一页页的翻书一样，一旦出现预期的瞬态信号则立即实现预置触发，将捕捉到的瞬态信号波形稳定的显示在荧光屏上，并存入参考波形存储器中。卷动显示:卷动显示方式适于观测缓变信号中随机出现的突发信号，它包括两种方式
23、，一种是新波形逐渐代替旧波形，变换点自左向右移动；另一种是波形从右端向左一定，在左端消失，当异常波形出现时，可按下存储键，将此波形存储在荧光屏或存入参考波形存储器中，一边做更细致的观测与分析。放大显示:放大显示方式适于观测吸信号波形的细节，此方式是利用延迟扫描的方法实现的，此时荧光屏一分为二，上半部分显示原波形，下半部分显示放大了的部分，其放大位置可用光标控制，放大比例也可调节，还可以用光标测量放大部分的参数。XY显示:与通用示波器的显示方法基本相同，一般用于显示丽萨如图形，此处不做详述。显示的内插:数字存储示波器是将取样数据显示出来，由于取样点不能无限增多，能够做到正确显示的前提是足够的点来
24、重新构成信号波形。考虑到有效存储带宽问题，一般要求每个信号显示20-25个点。但是较少的采样点会造成视觉误差，可能使人看不到正确的波形。数据点插入技术可以解决显示中视觉错误的问题。数据点插入技术常常使用插入器将一些数据插在所有相邻的取样点之间，主要有线性插入和曲线插入两种方式。华北理工大学轻工学院-6-2.3 数字存储示波器的特点与模拟示波器相比，数字存储示波器具有以下几个特点：波形的取样存储与波形的显示是独立的:在存储工作阶段，对快速信号采用较高的速率进行取样和存储，对慢速信号采用较低速率进行取样和存储，但在显示工作阶段，其读出速度可以采用一个固定的速率，不受采样速率的限制，因而可以清晰而稳
25、定的获得波形，可以无闪烁的观测被测极慢变化信号，这是模拟示波器无能为力的。对观测极快信号来说，数字存储示波器采用低速显示，可以使用低带宽，高精度，高可靠性而低造价的光栅扫描示波管。能长时间的保存信号:由于数字存储示波器是把波形用数字方式存储起来，其存储时间在理论上可以是无限长。这种特性是对观察单次出现的顺便信号极为重要，如单次冲击波，放电现象。先进的触发功能:它不仅能显示触发后的信号，而且能显示触发前的信号，并且可以任意选择超前或滞后的时间。除此以外，数字存储示波器还可以提供边缘触发，组合触发，状态触发，延迟触发等多种方式，来实现多种触发功能。测量准确度:高数字存储示波器由于采用晶振做高稳定时
26、钟，有很高的测时准确度，采用高分辨率AD转换器也能使幅度测量准确度大大提高。很强的数据处理能力:数字存储示波器由于内含微处理器因而能自动实现多种波形参数的测量和显示，例如上升时间，下降时间，脉宽，峰峰值等参数的测量与显示，能对波形实现取平均值，取上下限值，频谱分析以及对两波形进行加减乘除等多种复杂的运算处理，还具有自检与自校等多种操作功能。外部数据通信接口:数字存储示波器可以很方便的将存储的数据送到计算机或其他的外部设备，进行更复杂的数据运算和分析处理。还可以通过GPIB接口与计算机一起构成自动测试系统。2.4 数字存储示波器的主要技术指标数字存储示波器与波形显示有关技术指标与模拟示波器相似，
27、下面仅讨论与波形存储部分有关的主要技术指标。2.4.1 最高取样速率最高取样速率指单位时间内的取样的次数，也称数字化速率，用每秒钟完第 2 章 数字存储示波器的基本原理-7-成的AD转换的最高次数来衡量。常以频率来表示，取样速率越高，反应仪器捕捉高频或快速信号的能力愈强。取样速率主要由AD转换速率来决定。数字存储示波器的测量时刻的实时取样速率可根据被测信号所设定的扫描时间因数.2.4.2 存储带宽存储带宽与取样速率密切相关，根据取样定理，如果取样速率大于或等于二倍的信号频率，便可重现原信号。实际上，为保证所显示波形的分辨率，往往要求增加更多的取样点，一般取N=4-10倍或更多，即存储带宽。2.
28、3.3 分辨率分辨率指示示波器能分辨的最小电压增量，即量化的最小单元。它包括垂直分辨率和水平分辨率。垂直分辨率与AD转换的分辨率相对应，常以屏幕每格的分级数或百分数来表示。水平分辨率由取样速率和存储器的容量决定，常以屏幕每格含多少个取样点或用百分数来表示。取样速率决定了两个点之间的时间间隔，存储容量决定了一屏内包含的点数。一般示波管屏幕上的坐标刻度为8*10div，如果采用8位的AD转换器，则垂直分辨率表示为32级/div，或用百分数来表示为1/256=0.39%：如果采用容量为1k的RAM，则水平分辨率为1024/10=100点/div。2.4.4 存储容量存储容量又称记录长度，它由采集存储
29、器最大存储容量来表示，常以字为单位。数字存储器常采用256，512，1K等容量的高速半导体存储器。2.4.5 读出速度读出速度是指将数据从存储器中读出的速度，常用“时间/div”来表示，其中，时间为屏幕上每格内对应的存储容量乘以读脉冲周期。使用中应根据显示器，记录装置或打印机等对速度的要求进行选择。华北理工大学轻工学院-8-2.5 数字信号的采集与存储在数字存储示波器中，模数转换电路在给定采样时钟的节拍下把输入模拟信号转换为离散的数据值；A/D 转换器始终以最高取样率进行工作。ADC 参数的选取需要考虑多方面的因素；ADC 的取样频率取决于待测信号的频率范围，或者示波器对扫描速度的要求；而 A
30、DC 的编码位数与垂直分辨率相关。根据这两个条件选择合适的 ADC 芯片。波形重组是根据所用的显示器将采集到的离散数字信号进行调整之后，将其在显示器的垂直方向和水平方向重新定位，存储到波形存储器中。数字信号保存到存储器中，RAM 的位数须根据 ADC 的位数来选择，如果 ADC为 8 位输出，那么 RAM 也应该为 8 位，超过 8 位则可以选用 16 位的 RAM。RAM的容量取决于每次采样的采样点数，这和水平分辨率相关。写入 RAM 的数据来自于 ADC，读出之后再经过单片机处理进行波形重组，然后在液晶显示器上进行显示。在本设计中，硬件设计分为两个部分波形显示电路和频率显示电路，波形显示电
31、路中，首先使用 A/D 转换器，对输入的模拟信号数字化，以使单片机能够识别，同时，还要使用单片机控制 A/D 转换器。对于 A/D 转换器采样的数据，经过转换之后单片机可以直接读取，对于读取的数据，通过单片机输出，经过显示器，直接显示波形。频率显示电路中，利用外围电路对信号进行采集，转换为高低电平之后，单片机读取，输出。第 3 章 系统硬件电路的设计-9-第 3 章 系统硬件电路的设计3.1 STC15W4K60S4 系列单片机STC15W4K60S4 系列单片机是 STC 生产的单时钟、机器周期的单片机，是宽电压、高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代 8051 单片机，采用 STC 第九
32、代加密技术。加密性超强指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 812 倍。内部集成高精度 R/C 时钟,5MHz35MHz 宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路，6 路 CCP/PWM/PCA,8 路高速 10 位 A/D 转换,内置 4k 字节大容量 SRAM,4 组独立的高速异步串行通信端口,1 组高速同步串行通信端口 SPI针对多串行通信电机控制强干扰场合。内置比较器，功能更强大。如图 3.1。图 3.1 STC15W4K6054 原理图3.2 LCD12864表 3.1 总体参数表管脚号管脚名称 电平 管脚功能描述1 VSS 0V 电源地2 VCC 3.0+5V 电源
33、正华北理工大学轻工学院-10-3 V0 - 对比度（亮度）调整4 RS(CS） H/LRS=“H”,表示 DB7DB0 为显示数据RS=“L”,表示 DB7DB0 为显示指令数据5 R/W(SID) H/LR/W=“H”,E=“H”,数据被读到 DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0 的数据被写到 IR 或 DR6 E(SCLK) H/L 使能信号7 DB0 H/L 三态数据线8 DB1 H/L 三态数据线9 DB2 H/L 三态数据线10 DB3 H/L 三态数据线11 DB4 H/L 三态数据线12 DB5 H/L 三态数据线13 DB6 H/L 三态数据线14 DB7
34、H/L 三态数据线15 PSB H/L H：8 位或 4 位并口方式，L：串口方式16 NC - 空脚17 /RESET H/L 复位端，低电平有效18 VOUT - LCD 驱动电压输出端19 A VDD 背光源正端（+5V）20 K VSS 背光源负端12864 是 128*64 点阵液晶模块的点阵数简称。*注释 1：如在实际应用中仅使用并口通讯模式，可将 PSB 接固定高电平。*注释 2：模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。*注释 3：如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的 JA、JK 用焊锡短接。LCD12806 电路原理图如图 3.2。第 3 章 系统
35、硬件电路的设计-11-图 3.2 LCD12864 原理图3.3 硬件系统设计我们要先把波形显示出来，因为波形有大有小，首先我们要对它进行一个调理。因为调理包括把大信号变成小信号，把小信号变成大信号，把信号抬高，把波形调到适合单片机 ADC 采样，采样之后将所得到的值写到 RAM 中，通过单片机进行计算将波形在液晶屏幕上显示出来，另外我们需要对输入信号进行处理提取出信号的特性，包括频率、电压值、分析信号的波形。所以示波器我们大概可以分为两个部分，一部分为显示信号的波形，一部分为提取信号的特征。例如：我们在计算电压值的时候，我们可以通过波形进行计算。电压值可以通过采样值得出，采样值可以通过求 V
36、PP 进行计算，采样得到许多的点，我们将这些点的最大值和最小值求出来就等于求出了 VPP,频率可通过对所得的图形进行整形，整形成一个方波，我们对它在一定的周期里面进行计数就可以得到频率，或者我们得到它的周期 T，根据 F=T/1 可求得频率。所以信号需要先对它进行整形，然后对它进行计数。信号的流动是经过许多步骤进行流动的，首先是信号的输入，信号输入进来我们先要进行耦合，看我们是只取它的直流成分还是交流成分，或者说是要去掉它的直流成分还是交流成分，其中还包括输入阻抗的部分，输入阻抗要大于 100K，用示波器测量电路中两个点之间的波形，实际上是将示波器并联到电路中，为了测量到的精度，要求示波器对所
37、测量电路的影响尽可能的小，根据R=R1*R2/(R1+R2),所以需要示波器的电阻无穷大才能减小对电路的影响,在理想状态下我们可以将 100K 看作无穷大，我通过四个 47K 的电阻串联得到这个阻抗，耦合是通过电容隔直通交的原理来实现，由继电器控制。当继电器选择下面的时候直流就可以通过，将交流隔掉了。通过电阻分压 继电器可以选择信号的链华北理工大学轻工学院-12-接，跟随器提高阻抗将驱动的能力加强，将信号增强。放大器可以选择放大两倍或者放大十倍，U4d 是一个加法器，信号是有负压的但是单片机仅能测正压，我们想到的办法就是将信号或者可接收的图像进行抬高，在一个正弦坐标系中抬高到 2.5V 。如图
38、 3.3。图 3.3 波形抬高示意图TL431 可以产生一个 2.5V 的基准源，加上 2.5 之后进行跟随，再进行一下滤波，然后送到单片机内部 ADC 中去，这是一个前卫电路，单片机信号为 0V5V，当大于 5V 单片机接收就有可能烧毁，所以最好做一个保护装置，将电压限制在 5V 以内，根据二极管的单向导电性，前面是跟随器通过电容去掉直流信号留下交流信号，又通过过零比较器可以产生一个方波，通过测量两个相邻波峰电压或者波形周期就可以得到频率。第 4 章 系统功能的软件设计-13-第 4 章 系统功能的软件设计4.1 单片机软件开发系统keil uVision简介keil uVision是美国K
39、eil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。keil uVision软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。C51工具包的整体结构，其中uVision是C51 for Windows的集成开发环境，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿
40、真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A5l编译器编译生成目标文件。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存储器如EPROM中。4.2 主程序设计及流程图4.2.1 数字存储示波器系统流程图仪器是一个以硬件为基础的、软硬件紧密结合的系统，软件是智能仪器的灵魂。示波器软件采用C语言来编写，完成对人机界面、系统控制、系统硬件、波形参
41、数分析等的控制。系统的软件设计主要是单片机程序设计，对于单片机控制程序，采用C语言来编写。输入信号频率计算，A/D转换，数据存储，键盘扫描，液晶显示等。整个系统由键盘驱动，不同的按键对应不同的事件处理。图4.1。华北理工大学轻工学院-14-开始程序初始化i 对 5 0 取余是否为 0计算频率值采样存储 A / D 转换值数据处理清屏显示判断是否有键按下采样点数增加8采样点数减少8显示峰值显示峰峰值显示有效值重新计算显示清屏复位i + +N OY E SN OY E S图4.1 系统流程图标准信号发生器输入方波，三角波，锯齿波，正弦波得到的测试结果。显示屏可以显示波形，频率及幅度的大小数值，同时
42、存储示波器样机对波形的测试没有明显的失真。第 5 章 结论和展望-15-第 5 章 结论和展望5.1 结论经过几个月的努力，终于完成了该题目的设计，总结几个月来的工作，主要有以下几个方面：(1).综述了现阶段数字存储示波器技术及产品的国内外发展状况，对数字存储示波器的原理、工作方式、显示方式等的基本概念及技术发展进行了介绍。(2).针对设计的任务和要求，确定了存储示波器波形采样和数据处理及波形重组的硬件和软件方案。(3).对整机各部分关键电路进行相关理论分析、计算和设计。(4).本系统由单片机主控，ICL7662 进行模数转换，用 62256 来实现波形的存储，通过软件直接对转换后的数字信号进
43、行存储，并读到单片机中完成波形重组任务之后显示到液晶屏上，设置了 16 个按键，对采样速率，显示电压类型等方面配合单片机进行了控制。(5).完成了样机的制作与调试；论述了仪器的测试方法，完成数据测试及测试结果分析。5.2 展望由于时间和条件的限制，本系统也存在一些不足之处，可在今后的工作中改进。(1).由于 STC15W4K60S4 的输入电压范围为 0-5V，单极性输入。这样就限制了设计的输入，在电路设计中能加上信号放大电路和衰减电路，则可以增大信号的测量范围。(2).ARM 等高性能、低成本微处理器的出现，以及嵌入式 Linux、WinCE 等操作系统的发展，为高性能智能化电子测试仪器的设
44、计提供了良好的平台。如能将本系统中的主控芯片单片机换成 ARM，则该系统的能力将大大提高(3).对于采集到的数字信号的处理可以采用 DSP 高速数字信号处理芯片，这样更能显示出系统的实时性和灵敏性。(4).设计中的显示屏为 LCD12864，这样示波器的指标，垂直刻度、垂直分辨率、水平刻度、水平分辨率就受到了限制，所以设计的显示可以换成更好的华北理工大学轻工学院-16-显示器。第 5 章 结论和展望-17-致 谢通过这次毕业设计很好的检验了我在大学四年中所学理论知识的掌握程度，锻炼了我的实际动手能力，为以后的学习、工作奠定了基础。回顾这几个月的设计制作，感受良多。首先感谢郭慧娜老师，感谢您在我
45、的毕业设计期间对我的亲切关怀和悉心指导。在您的指导下，我学到了许多知识，还锻炼了对知识的应用能力，这些将使我终生受益匪浅。在此向您致以最诚挚的敬意。在试验调试的过程中，感谢学校在试验室及网络资料查阅方面提供的帮助。感谢华北理工大学轻工学院的所有老师，你们四年的教诲，让我成熟进步许多；感谢测控技术与仪器班的所有同学，你们如兄弟姐妹般的帮助，让我感受到友谊的珍贵。感谢所有对我论文进行了评审和答辩的老师。附录-18-参考文献1 泰克 TDS6000C 示波器获 EDN China 创新奖。测控技术，2005，（12）2 Infiniium 系列示波器。世界电子元器件，2006.（01）3 赵红菊，基
46、于 CPLD 的数字存储示波器。电子工程师，2002，（12）4 朱正，汤毅坚，大力推广可变出逻辑器件，加速机电一体化产品开发，中国仪器仪表，1992，（03）5 张泽厚，周煜明，王有炳。数字存储示波器在机电测试中的运用。国外电子测量技术，1997，（05）6 Andrew Dawson。如何选择合适的波形仪器：数字存储示波器或数字化仪表。今日电子，2006，（01）7 赵茂泰。简易数字存储示波器评述。电子世界，2002，（11）8 唐海庆，数字存储示波器在机电测试中的运用J。仪器仪表与分析监测，1998， （03）9 周德新，王鹏，范守正，朱鸿林。基于 FPGA 的数字存储示波器 中国民航学
47、院学报，2004（02）10 谢从珍，王建国，黄玲。数字存储示波器噪声特性的分析 高电压技术，2004，（06）11 沈兰荪数据采集系统的原理和应用。北京：人民邮电出版社，199512 赵新民。智能仪器设计基础。哈尔滨工业大学出版社，199913 刘全等。携式 20M 数字存储示波器。电子制作，2005 年第 4 期14 王成儒，英伟，USB2.0 原理和工程研发。北京：国防工业出版社，2004参考文献-19-附录一数字存储示波器主程序void DelayMs( int t )int i ;while( t- )i = 33178 ;while( i- ) ;void main()unsign
48、ed char iloop = 0 ;P0M1 = 0x00;P0M0 = 0xff;P3M1 = 0x00;P3M0 = 0x00;P1M1 = P1M1 | 0x48 ;P1M0 = P1M0 LCD_Init();PCA_Init();Uart1_init() ;Timer0_init() ;LCD_RAM_Init();LCD_RAM_Write( 0xf8 );while( 1 )iloop+ ;if( STOP_RUN = 1 )附录-20-ADC_Length = 0 ;ET0 = 1 ;while( ADC_Length 63)return;if(x=64 wdata(dd,0
49、,1);else return;/LCM初始化void LCD_Init(void)unsigned char x,y;delay(200);附录-24-dison_off(0);for(y=0;y8;y+) for(x=0;x128;x+)lw(x,y,0);dison_off(1);set_startline(0);void WriteAllToLCM(unsigned char Mode )/ 0x00 : write all area/ 0x0f : write simple area/ 0xf0 : write data areaunsigned char i = 0, j = 0 ;short k = 0 ;switch( Mode )case 0x00:for( i = 0 ; i 128 ; i+ )for( j = 0 ; j 8 ; j+ )k = 8*i + j;lw( i , j , LCD_RAMk ) ;break;case 0x0f:for( i = 0 ; i 128 ; i+ )for( j = 0 ; j 7 ; j+ )k = 8*i + j;lw( i ,
