简易数字示波器设计毕业设计.doc
《简易数字示波器设计毕业设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《简易数字示波器设计毕业设计.doc(58页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 本科毕业设计论文 题 目 简易数字示波器设计 系 别 电气与信息工程系 专 业 电子信息工程 班 级 电信 902 班 学号 09010043 学生姓名 祝斌锋 指导老师 金印彬 2013年6月摘要摘 要示波器是电子测量中一种最常用的仪器,被广泛应用于各个领域。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展,示波器也从模拟示波器向数字示波器发展。同模拟示波器相比,数字示波器具有很多优点,并开始逐步取代模拟示波器,成为市场上的主流。本文主要完成了简易数字示波器的设计,包括硬件设计(通过Proteus仿真替代)和软件设计两大部分。 硬件设计上,信号波形采集采用的是12位逐次逼近型A/D转换器AD574A,
2、转换时间为25us,转换精度小于等于0.05%。控制器选用AT89C52及AT89C51两个单片机,解决了一般示波器使用一片单片机,运行速度明显不足的问题。波形显示部分采用液晶显示模块,具有简单易实现、显示效果好等优点。频率显示部分采用的是6位数码管显示,简单易行。Proteus仿真表明,该设计运算速度明显提高。频率显示准确,可以实现快速读取。该示波器可以实现对模拟带宽为1Hz20KHz的模拟信号的波形和频率的实时显示。关键词:单片机;实时采样;波形;频率IIIABSTRACTABSTRACTAn oscilloscope is electronic measurement instrumen
3、t, the most commonly used widely applied in various fields. With microelectronics and computer technology rapid development from analogue oscilloscope, oscilloscope to digital oscilloscopes development. Compared with analogue oscilloscope,digital oscilloscopes start has many advantages, and graduall
4、y replacing analogue oscilloscope, become the mainstream in the market.This paper has completed the design of simple digital oscilloscopes, including hardware design and software design. The hardware design, the signal waveform sampling by 12 successive approximation of the A/D converter AD574A conv
5、ersion time, for time is less than or equal to 25us conversion, precision 0.05%. Controller chooses AT89C52 and single-chip microcomputer, solve the two AT89C51 single-chip microcomputer, a commonly used oscilloscope shortage problem running speed. Waveform display part adopts LCD module is simple a
6、nd easy to realize and shows good effect, etc. Frequency display part adopts is six digital display, simple tube.Proteus simulation shows that the design speed increased significantly. Frequency display correctly, can achieve rapid read. The oscilloscope can realize to simulate 1Hz 20 KHz bandwidth
7、real-time display of the waveform and frequency of the analog signalKey Words:SCM ; Real-time sampling; Waveform;Frequency目录目 录 1 前 言11.1选题的背景意义和研究现状11.1.1选题的背景和意义11.1.2国内外研究现状11.2 本设计所要实现的目标21.3 设计内容22 系统设计53 数字示波器的硬件设计与实现73.1 频率测量及显示电路的硬件设计73.1.1 测频电路总体构成73.1.2 信号调理电路设计73.1.3 数码管显示模块93.1.4 数码管显示驱动
8、模块103.2 幅度测量及显示模块的硬件设计103.2.1 显示电路总体结构173.2.2 单片机外围电路设计183.2.3 信号波形采集模块193.2.4 显示模块213.2.5 电源设计234 系统软件设计254.1 测频系统软件设计254.2 信号采集系统软件图274.3 波形显示系统软件设计285 调试及仿真316 结 论33致 谢35参考文献37附录一:系统总体接线图39附录二:频率测量子系统流程图40附录三:信号显示子系统流程图41附录四:频率测量系统程序清单42附录五:波形显示系统程序清单44V前言1 前 言1.1选题的背景意义和研究现状1.1.1选题的背景和意义1909年的诺贝
9、尔物理奖得主Karl Ferdinand Braun于1897年发明世界上第一台阴极射线管示波器,至今许多德国人仍称CRT为布朗管(Braun Tube)。 根据IEEE的文献记载1972年英国的Nicolet公司发明了第一台的数字示波器(DSO),到1996年惠普科技(安捷伦科技前身)发明了全球第一台混合信号示波器(MSO),数字示波器自上个世纪七十年代诞生以来,其应用越来越广泛,已成为测试工程师必备的工具之一。时间到了21世纪这是一个科学和技术都在飞速发展的时代,随着电子技术、计算机技术、通信技术和自动化技术的高速发展,电子测量仪器也有了巨大的发展。数字示波器就以其存储波形及多种信号分析、
10、计算、处理等优良的性能从而逐步取代模拟示波器。用数字示波器能完成对信号的一次性采集,把波形存储起来,还可以通过移位操作观察波形的任何一部分等等。数字示波器是随着数字集成电路技术的发展而出现的新型智能化示波器,己经成为电子测量领域的基础测试仪器。随着新技术、新器件的发展,它正在向宽带化、模块化、多功能和网络化的方向发展。数字示波器的优势是可以实现高带宽及强大的分析功能。现在高端数字示波器的实时带宽已达到20GHz,可以广泛应用于各种千兆以太网、光通讯等测试领域。而低端数字示波器几乎可以应用于国民经济各个领域的通用测试,同时可广泛应用于高校及职业学校的教学,为社会培养众多的后备人才。数字示波器的技
11、术基础是数据采集,其设计技术可以应用于更广泛的数据采集产品中,具有深远的意义。为了巩固大学4年来所学的知识,将课本上的理论知识运用到实际中,而且能掌握和了解本专业的仪器测量这块的先进发展趋势,我选择了简易数字示波器这个题目作为我的大学毕业设计题目。1.1.2国内外研究现状自从1972年世界上第一台数字示波器(DSO)问世以来,经历了三个发展阶段。1986年以前为DSO发展的初期阶段,当时的取样率较低,一般不超过50MSa/s,带宽在20MHz以下,结构形式以数字存储加传统模拟示波器二合一的组合式为主,功能少,性能低。主要代表性产品有美国哥德(Gould)公司生产的4035,HP公司生产的HP5
12、4200。1986年-1994年,伴随高速ADC和高速RAM的迅速发展,DSO的发展也进入了快车道,取样率达到了4GSa/s,记录长度超过32K。每年各示波器生产厂商都推出新的型号,技术上开始走向成熟。1989年,HP公司率先停止了模拟示波器的生产,专心培育数字示波器市场。到1993年,DSO的销售额就超过了传统模拟示波器,使持续将近半个世纪的模拟示波器市场发生动摇。1995年以后,DSO在技术上己经成熟,带宽在100MHz以上,DSO已经完全取代了模拟示波器。2004年10月,AGILENT公司推出了具震撼性的DS081304A数字示波器,带宽3GHz,上升时间23ps,最高采样率40GHz
13、。这时,除了继续提高取样率(最高达40GSa/s)、带宽(达20GHz)和增加记录长度(达16MB)外,DSO制造商开始向100MHz以下带宽的通用DSO方向发展,并且性价比迅速提高。1996年AGILENT公司面向通用DSO市场推出了100MHz带宽的数字示波器54645A及首款混合信号示波器54645D。AGILENT公司在后续推出的54620/40A/D系列混合信号示波器中提供了强大的串行触发能力,包括SPI、USB、IZE、LIN、和EAN等。通用DSO的单台价格己接近同档次的模拟示波器水平。目前,100MHz以下的DSO,将与模拟示波器同时并存发展。虽然模拟示波器本身也在不断的数字化
14、,增加数字显示和光标测量的功能。但是,模拟示波器无法具备DSO所特有的预触发、存储和数据处理等测量功能。可以预计,通用DSO全面取代模拟示波器的日子不会很远了。目前,100MHz数字示波器的代表性产品,国外的主要有Agilent公司的5000系列,Tektronix公司的TDSl000、TDS2000系列。国内DSO的研制工作起步较晚,第一台DSO于1993年在电子部41研究所研制成功,但是起步水平较高,最先推出的是取样率为40MSa/s,带宽分别为750MHz和800MHz的两个型号产品。到96年就把带宽提高到了1GHz。98年把取样率提高到1GSa/s。研制中的100MHz带宽的深存储型D
15、SO已经取得了阶段性成果。目前主要的生产厂家是美国安捷伦公司、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。1.2 本设计所要实现的目标本文设计的目的主要是利用A/D转换模块、控制器(本文中采用单片机)、液晶显示模块等配合外围电路实现对输入量的波形和频率显示。用户只需要把待测信号输入转换器,不用其他的操作,示波器自动在显示器上显示波形和频率1.3 设计内容在本设计中,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
16、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,利用数码管显示频率49系统设计2 系统设计在本系统设计中,主要包括两大部分:1)信号频率测量系统;2)信号波形显示系统。见图2-1和图2-2。AT89C52显示电路晶振电路信号采集电路复位电路图2-1 信号波形显示系统框图信号采集电路A/D转换电路AT89C51显示电路图2-2 测频电路方框图信号数字示波器的硬件设计与实现3 数字示波器的硬件设计与实现3.1 频率测量及显示电路的硬件设计该部分主要由前端电路、控制
17、器AT89C51、数码管显示电路三部分组成。3.1.1 测频电路总体构成测频电路由前端放大电路,整流电路,以及显示电路,通过AT89C51单片机控制,达到只要有输入信号,就能正确的显示信号频率。接线图见图3-1。图3-1测频电路总接线图3.1.2 信号调理电路设计信号调理电路主要包括同相比例放大电路和整流电路两部分。同向比例放大器:运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元,实际电路中,通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中,用以实现数学运算,故得名“运算放大器”,此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命名的电路单元,可以由分立的器件实现,也可以实现在半导体芯片当中。
18、随着半导体技术的发展,如今绝大部分的运放是以单芯片的形式存在。现今运放的种类繁多,广泛应用于几乎所有的行业当中。本系统中同相比例放大的实现是电压放大电路根据输入电压幅值的不同范围分为八个档,输入电压幅值在0-5V之间,八个档分别是0.15V0.2V、0.2V0.3V、0.3V0.5V、0.5V0.8V、0.8V1.2V、1.2V1.6V、1.6V2.5V、2.5V3.2V,放大倍数依次为25、16、10、6、4、3、2、1.4。运放采用LM1875T高精度高速低噪声运算放大器。电路结构采用同相比例放大电路,即放大电路的输入信号由同相输入端接入,反馈电阻一端接运放的输出,一端接运放的反相输入端,
19、反相输入端通过一电阻接地。反馈网络由八个电阻并联组成,且每个反馈电阻与运放输出之间由一单刀双掷开关连接,形成八档。设反相端接地的电阻为R1,反馈电阻为Rp,设放大倍数为Ai ,i从0取到7,依次对应前面的八档。由于放大器的开环放大倍数(即开环增益)很大,则由运放的深度负反馈的原理得同相比例放大电路的闭环放大增益Ai与电阻R1和反馈电阻Rp的关系如下:。由该公式可知,若R1为1千欧,结合各档所需放大倍数,则得Rpi(i从0取到7)依次为24、15、9、5、3、2、1、0.4(单位均为千欧)。运算放大电路接线图如图3-2所示 图3-2 放大电路接线图整流电路 由于输入信号可能很小,而本文采用的整流
20、器件是光耦P521,其输入端内部是发光二极管,所以输入信号若太小就不能驱动该二极管,光耦就不能正常工作,所以必须有电压放大电路。放大电路保证了光耦正常工作所需的电压,但通过光耦的电流不应超过光耦中发光二极管的额定电流,故在运放输出端与光耦之间接入一较大电阻限流。要利用单片机的端口进行频率测量,就必须把待测信号转换成满足单片机要求的方波脉冲信号。在本文中,光耦P521的使用就是为了实现这一要求。光耦P521的1、2两脚为输入,在内部1脚接发光二极管的阳极,2脚接发光二极管的阴极,3、4脚为输出端,内部为一光敏三极管,3脚接三极管的集电极,4脚接发射极。所以当输入信号的正半部分通过使输入端的发光二
21、极管导通发光时,输出端的光敏三极管在二极管发出的光的作用下导通,当二极管截止时,光敏三极管也截止,随着输入信号的变化,光敏三极管随着导通截止,这样在输出端就产生了频率和输入信号相同的方波信号。整流电路见图3-3。 图3-3 整流电路接线图3.1.3 数码管显示模块本系统该部分的数据显示采用数码管动态显示。动态显示的接线见图3-4。本系统中控制器AT89C51的P0口用作字形口,P2口用作字位口。对应本文电路中的八位LED显示器,AT89C51单片机内部RAM中设置了8个显示缓冲单元0072H0079H,存放8位欲显示的字符数据。AT89C51单片机的P2口扫描输出总是有一位为高电平,以选中相应
22、的字位。单片机的P1口输出相应位的显示字符段数据,使该位显示出相应字符,其它位为暗。依次改变P2口输出为高电平的位及P0口输出对应的段数据,8位LED显示器就可以显示出缓冲器中字符数据所确定的字符。3.1.4 数码管显示驱动模块数码管显示驱动选用74LS245集成模块。74LS245是我们常用的芯片,用来驱动LED或者其他的设备,它是8路同相三态双向总线收发器,可双向传输数据。 74LS245还具有双向三态功能,既可以输出,也可以输入数据。 1.当单片机的P0口总线负载达到或超过P0的最大负载能力时,必须接入74LS245等总线驱动器。 当片选端/CE低电平有效时,DIR=“0”,信号由 B
23、向 A 传输(接收);DIR=“1”,信号由 A 向 B 传输(发送);当CE为高电平时,A、B均为高阻态。由于P2口始终输出地址的高8位,接口时74LS245的三态控制端1G和2G接地,P2口与驱动器输入线对应相连。P0口与74LS245输入端相连,E端接地,保证数据线畅通。单片机的/RD和/PSEN相与后接DIR,使得RD且PSEN有效时,74LS245输入(P0.1D1),其它时间处于输出(P0.1D1)。具体接线图见图3-4 3.2 幅度测量及显示模块的硬件设计显示电路主要包括转换电路,显示电路,以及外围电路。所实现的功能是只要有信号输入,不需要调节就能直接显示出信号波形。本设计中使用
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 简易 数字 示波器 设计 毕业设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【可****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【可****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。