微机接口技术课程设计.doc

河北科技大学

课程设计报告

学生姓名： 学号：
专业班级： 电子信息工程班
课程名称： 微机接口技术课程设计
学年学期： 2014—2015学年第二学期
指导教师： 王震洲

2 01 5 年 7 月

课程设计成绩评定表
学生姓名

学号

成绩

专业班级

起止时间
2015年7月6日—7月10日
设计题目
数字存储示波器设计
指
导
教
师
评
语

指导教师：

年 月 日
目 录

一、课程设计目的及意义…………………………………………………1
二、课程设计任务及要求…………………………………………………1
三、 设计内容与步骤………………………………………………………1
四、 硬件电路设计…………………………………………………………2
五、程序设计……………………………………………………………7
六、数字频率示波器调试………………………………………11
七、课程设计总结及体会………………………………………13
附录：A/D、D/A接口实验卡电路原理图 ……………………14

一、课程设计目的及意义
数字存储示波器是常用的电子测量仪器之一，其中采用的A/D转换、D/A转换及数据处理技术与《微机接口技术》课程内容联系紧密。通过本设计，学生可掌握A/D、D/A转换电路的设计和调试方法，培养学生分析解决实际问题的能力。
二、课程设计任务及设计要求
本设计通过简单的A/D转换接口电路，配合汇编语言程序设计，实现最基本的信号波形采集与存储，并通过简单的D/A转换接口电路，将存储的数据还原为信号波形，在普通示波器的屏幕上显示出来。
被测信号产生电路参见“A/D、D/A接口实验扩展卡电路原理图”。当按下S1时，电容C5完全放电，A/D转换器输入电压为零；抬起S1时，电容C5开始充电，A/D转换器输入电压按RC过渡过程开始上升，最终达到+5V。图中RC时间常数约为10ms，整个充电过程需要3～5倍的RC时间常数时间。设计要求使用A/D转换器捕捉电容C5充电的完整过程，并将采样数据存储起来。然后依次将采样数据通过D/A转换器循环输出，产生一定频率的重复波形，送到普通示波器显示。
基本要求：使用一个D/A转换器通道，将信号波形施加到示波器的Y轴，X轴扫描信号由示波器产生并调节，实现RC充电过程的波形稳定显示。
发挥部分：将示波器调整在X-Y方式，采样数据的D/A转换器输出接到Y轴输入端，增加一个D/A转换器通道，产生频率可变的X轴扫描信号，接到示波器X轴外部输入端，使RC充电过程的波形稳定显示。
三、 设计内容与步骤
1、数字存储示波器原理分析
由于单片机实验系统已经提供了相关信号线，使用ADC0809、DAC0832和相关外围电路元件，组成了最基本的A/D转换和D/A转换电路。可由ADC0809负责采集电容C5充电时的信号，并将其转换为数字信号，并存储。DAC0832将存储的数字信号，转换为模拟的电压值，再将其设置为循环输出，产生一定频率的重复波形，送到普通示波器显示。
2、 数字存储示波器总体结构框图
图1 总体方案设计
四、硬件电路设计
1、ADC0809工作原理
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
（1）ADC0809的内部逻辑结构
ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

图2 ADC0809引脚图
（2）ADC0809原理及使用
图1
ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
地址输入和控制线：4条
ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。
数字量输出及控制线：11条
ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出线。
CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ。
数字输出为TTL电平,三态输出，时钟频率一般为640KHz(典型)，转换时间为100μs，输入电压范围：0V～VREF ，转换方式为逐次逼近式，输出：

2、DAC0832工作原理
DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。D/A转换结果采用电流形式输出。若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，也可外接。DAC0832逻辑输入满足TTL电平，可直接与TTL电路或微机电路连接。
（1）DAC0832内部结构
图3 DAC0832内部结构及引脚图
DAC0832的内部结构如图3所示。DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE；第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号为传输控制信号。因为有两级锁存器，DAC0832可以工作在双缓冲器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数字量，这样能有效地提高转换速度。此外，两级锁存器还可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存信号来实现多个转换器同步输出。
图3中LE为高电平、和为低电平时，为高电平，输入寄存器的输出跟随输入而变化；此后，当由低变高时，为低电平，资料被锁存到输入寄存器中，这时的输入寄存器的输出端不再跟随输入资料的变化而变化。对第二级锁存器来说，和同时为低电平时，为高电平，DAC寄存器的输出跟随其输入而变化；此后，当由低变高时，变为低电平，将输入寄存器的资料锁存到DAC寄存器中。
（2）DAC0832原理及使用
数字量的值是由每一位的数字权叠加而得的,由电阻网络和运算放大器构成的D/A转换器.在D/A转换中采用独立的权电阻网络，对于一个8位二进制数的D/A转换器，就需要R，2R，4R，…，128R共8个不等的电阻，最大电阻阻值是最小电阻阻值的128倍，而且对这些电阻的精度要求比较高。如果这样的话，从工艺上实现起来是很困难的。所以，n个如此独立输入支路的方案是不实用的。
在DAC电路结构中，最简单而实用的是采用T型电阻网络来代替单一的权电阻网络，整个电阻网络只需要R和2R两种电阻。在集成电路中，由于所有的组件都做在同一芯片上，电阻的特性可以做得很相近，而且精度与误差问题也可以得到解决。
图4是采用T型电阻网络的4位D/A转换器。4位元待转换资料分别控制4条支路中开关的倒向。在每一条支路中，如果（资料为0）开头倒向左边，支路中的电阻就接到地；如果（资料为1）开关倒向右边，电阻就接到虚地。所以，不管开关倒向哪一边，都可以认为是接“地”。不过，只有开关倒向右边时，才能给运算放大器输入端提供电流。

图4 T型电阻网络的4位D/A转换器
T型电阻网络中，节点A的左边为两个2R的电阻并联，它们的等效电阻为R，节点B的左边也是两个2R的电阻并联，它们的等效电阻也是R，…，依次类推，最后在D点等效于一个数值为R的电阻接在参考电压VREF上。这样，就很容易算出，C点、B点、A点的电位分别为-VREF/2，-VREF/4，-VREF/8。
在清楚了电阻网络的特点和各节点的电压之后，再来分析一下各支路的电流值。开关S3，S2，S1，S0分别代表对应的1位二进制数。任一资料位Di=1，表示开关Si倒向右边；Di=0，表示开关Si倒向左边，接虚地，无电流。当右边第一条支路的开关S3倒向右边时，运算放大器得到的输入电流为-VREF/（2R），同理，开关S2，S1，S0倒向右边时，输入电流分别为-VREF/（4R），-VREF/（8R），-VREF/（16R）。
如果一个二进制数据为1111，运算放大器的输入电流
I=-VREF/（2R）-VREF/（4R）-VREF/（8R）-VREF/（16R）
=-VREF/（2R）（20+2-1+2-2+2-3）=-VREF/（24R）（23+22+21+20）
相应的输出电压V0=IR0=-VREFR0（24R）（23+22+21+20）
将资料推广到n位，输出模拟量与输入数字量之间关系的一般表达式为：
V0=-VREFR0/（2nR）（Dn-12n-1+Dn-2 2n-2+…+D121+D020） (Di=1或0)
上式表明，输出电压V0除了和待转换的二进制数成比例外，还和网络电阻R、运算放大器反馈电阻R0、标准参考电压VREF有关。
DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。如图5所示，它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。运算放大器输出的模拟量V0为：

由上式可见，输出的模拟量 与输入的数字量（ ） 成正比这就实现了从数字量到模拟量的转换。
图5 DAC0832直流输出型8位数/模转换器
一个8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。输入可有28=256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。
3、硬件设计思路
由于本次课设利用现有的单片机实验系统板，系统板已经提供了相关信号线及ADC0809、DAC0832和相关外围电路元件，组成了最基本的A/D转换和D/A转换电路。所以此次设计就变得相对简单。可由ADC0809采集电容C5充电时的信号，并将其转换为数字信号，并存储。DAC0832将存储的数字信号，转换为模拟的电压值，再将其设置为循环输出，产生一定频率的重复波形，送到普通示波器显示。
五、程序设计
1、 数字存储示波器程序设计
根据数字存储示波器的基本工作原理编写实验程序，实现触发点的捕捉、被测信号的采集和数据的存储以及信号波形的再现功能。参考程序流程如下：
开始
采集并存储
有触发吗？
设定存储字节数
完成吗？
采集并存储
设定初始地址
设定存储字节数
输出存储的数据
地址+1

数据采集

N
S1按下吗？

N

Y

N

Y

程序“开始”部分是初始化内容，包括指定堆栈指针SP（例如：50H）；设定采集数据的存储首地址，本设计为单片机外部RAM的C000H。
“数据采集”部分包括启动A/D转换、执行延时程序（延时时间可设定在200μs）等待转换结束、取回转换结果，为S1是否按下提供参考数据。
“S1按下吗？”部分为按键S1是否按下判断程序。本设计采用上升沿触发方式，S1按下时产生下降沿。当A/D采样数据大于判断点（例如：20H）时，表明按键尚未按下，当A/D采样数据小于触发点时，表明按键已经按下，转入触发检测环节，循环存储采样数据。当A/D采样值重新上升到大于或等于触发点数据时，便认为触发信号到来，转入下面的采样程序。
“采集并存储”部分包括启动A/D转换、执行延时程序等待转换结束、取回转换结果并存储到C000H开始的RAM中和存储器地址加1，为下次存储做准备等程序。其中延时程序决定了数据采样周期，采样周期（延时时间）可初步设定在200μs，全部程序调试完成后，再尝试改变采样周期，观察采样周期变化对重现被测信号波形的影响，并说明原因。本设计数据存储深度为256字节，存满256 字节后自动从头开始刷新。可用DPTR做数据指针，利用INC DPL指令实现DPTR在C000H～C0FFH之间自动循环。
“有触发吗？”部分为触发点（触发点数据要大于等于S1按下判断点数据）判断程序。本设计采用上升沿触发方式，当A/D采样数据小于触发点时，表明按键按下尚未抬起，继续循环存储采样数据。当A/D采样值上升到大于或等于触发点数据时，表明按键按已抬起，便认为触发信号到来，转入下面的采样程序。
“设定存储字节数”程序将触发后的采样点数设定在128个字节。接下来的“采集并存储”部分与前面叙述的完全相同。“完成吗？”判断128个字节的采样是否完成，如果完成就进入下面的D/A转换程序。这样在256个字节的存储器中，就包含了触发前、后各128字节的采样数据，可完全记录电容C5充电前后的电压变化波形。
“设定初始地址”部分将数据指针（例如：DPTR）重新设定在C000H。“输出存储的数据”程序将数据存储器中的A/D采样值送到D/A转换器输出。“地址＋1”程序修改数据指针的低8位地址，使数据存储器地址在C000H～C0FFH之间自动循环。这样便可以通过D/A转换器反复重现电容C5充电过程的完整波形，实现存储波形的稳定显示。
2、参考程序：
（1）、基本程序清单：
ORG:0100H
地址 机器码
MOV DPTR #0F006H 0100H 90 F0 06 ;初始化
MOV P2 #0C0H 0103H 75 A0 C0
MOV R0 #00H 0106H 78 00
NEXT: LCALL AD 0108H 12 03 00
CLR C 010BH C3
CJNE A,#20H,CP 010CH B4 20 00 ;判断有键是否按下
CP: JNC NEXT 010FH 50 F7 ;没键按下继续判断
P1: LCALL AD 0111H 12 03 00 ;有键按下存储数据
MOVX @R0,A 0114H F2
INC R0 0115H 08
CLR C 0116H C3
CJNE A,#30H,P2 0117H B4 30 00 ;判断按键是否抬起
P2: JC P1 011AH 40 F5 ;按键不抬起继续判断按键抬起
MOV P2,#0C0H 011CH 75 A0 C0;有键抬起存储128个充电数
MOV R3,#80H 011FH 7B 80
P3: LCALL AD 0121H 12 03 00
MOVX @R0,A 0124H F2
INC R0 0125H 08
DJNZ R3,P3 0126H DB F9
DA: MOV P2,#0C0H 0128H 75 A0 C0 ;DA转换部分
MOV R0,#00H 012BH 78 00
P4: MOV DPTR,#0F800H 012DH 90 F8 00
MOVX A,@R0 0130H E2
MOVX @DPTR,A 0131H F0
INC R0 0132H 08
SJMP P4 0133H 80 F8 ;无限循环
AD子程序 ORG:0300H
AD: MOV DPTR,#0F006H 0300H 90 F0 06 ;AD转换子程序
MOVX @DPTR,A 0303H F0
LCALL DELAY 0304H 12 04 00
MOVX A,@DPTR 0307H E0
RET 0308H 22
延时子程序 ORG:0400H
DELAY:MOV R6,#32H 0400H 7E 32 ;延时子程序
DJNZ R6,$ 0402H DE FE
RET 0403H 22
发挥部分
将DA部分改为
DA: MOV P2,#0C0H 0128H 75 A0 C0
MOV R0,#00H 012BH 78 00
MOV R5,#00H 012DH 7D 00
P4: MOV DPTR,#0F800H 012FH E2
MOVX A,@R0 0130H 90 F8 00
MOVX @DPTR,A 0133H F0
MOV DPTR,#0F400H 0134H 90 F4 00
MOV A,R5 0137H ED
MOVX @DPTR,A 0138H F0
INC R0 0139H 08
INC R5 013AH 0D
SJMP P4 013BH 80 F2
六、 数字存储示波器调试
1、 硬件电路调试及方法
图1中RP2为参考电压调节电位器，RP3为VO1输出的调零电位器，RP1为VO1输出的满度调节电位器。RP4为参考电压调节电位器，RP5为ADC0809的IN-7输入电压调节电位器。可以通过SW1-3改变参考电压的极性（SW1-3闭合时为-5V）。
2、程序调试方法及过程
存储示波器的硬件电路调试分为A/D和D/A两个部分，参见附录电路原理图。A/D转换器部分只要调节RP4使基准电压VREF2为最大值（VCC）即可。D/A转换器部分，首先调节RP2和SW1-3，使基准电压VREF1为-5.00V。然后向D/A转换器写入00H，调节RP3，使VO1输出电压为0V；再向D/A转换器写入FFH，调节RP1，使VO1输出电压为5.00V。
存储示波器的控制程序可分为三个步骤进行调试：
（1）A/D转换部分调试。无条件循环执行数据采集和存储程序，分别在S1按下和抬起状态终止程序的执行（按MON键），观察存储器中采集到的数据是否全部为00H或FFH。如果是，则说明A/D转换和数据存储程序工作正常，否则说明A/D转换和数据存储程序没有正常工作。
（2）D/A转换部分调试。将存储器中输入一些有规律的数据，例如多个FFH和OOH，循环执行D/A转换程序，看示波器中是否有对应的高、低电压波形出现。如果有，则说明D/A转换程序工作正常，否则说明D/A转换程序没有正常工作。
（3）触发点捕捉部分调试。连续执行全部程序，在不断的按下和抬起S1时，按下MON键，根据当前的PC值，确定程序终止在哪个部分的循环程序中，判断相关指令的使用是否正确。
在程序调试期间出现了很多问题：在S1按下和抬起状态终止程序的执行（按MON键），观察存储器中采集到的数据不全部为00H或FFH，既没有采集到数据，导致不能循环输出存储器中采集到的数据，经过仔细分析采集数据和存储的过程，发现跳转的偏移量计算错误。纠正错误后C000H里储存的数据变化正确，但示波器中波形出现是干扰波，不是理想充电波形。通过单步执行程序发现在D/A输出的时候，程序机器码查错了，经过调试终于出现了预期的波形。

RC充电过程波形 发挥部分波形

七、课程设计总结及体会
此次课程设计，我学到了很多课内学不到的东西。在设计过程中应用到了实验中的A/D、D/A转换实验，前面的实验基础对这次课设有很大帮助，完成后我更加了解了A/D、D/A接口实验扩展卡电路原理图及其工作原理；在查阅资料的过程中也对DAC0832芯片和ADC0809芯片的外部引脚和内部结构有了总体的认识；由于在设计过程中要用到数据的存储因此对单片机中RAM区数据的读写也得到了巩固；D/A、A/D转换中涉及到的数据指针初始化是对单片机片选信号的分析；在用示波器调试RC充电波形的同时也是对示波器的使用及调节的一种检验。
只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。课下将程序编写好，开始我将触发后的采集数据固定的存放在某个地址后，但通过对数字存储示波器的进一步理解，我纠正了自己的错误，改写程序并进行调试，程序跳转、偏移量的计算还有机器码的正误，都特别重要，每个环节都不能出错，开始时在C000H开始后的存储数据随机，即没有存入采样数据，修改了跳转语句的偏移量后，RAM的存储数据呈现规律变化，可是示波器却显示不出波形，多次调试都无法实现，后来无奈发现机器码差错了。最后波形正确，课设结束。
通过课程设计加深了对《微机接口技术》、《电子测量技术》和《单片机原理及应用》等课程知识的掌握与综合运用能力，提高了以图纸和说明书表达设计思想和结果的能力，培养了在实际工程设计中严谨认真的工作态度、创新意识及动手能力，为后续课程的学习以及毕业后从事微机硬件及软件开发打下基础，积累初步的经验以及自己的一些见解。

附录:A/D、D/A接口实验扩展卡电路原理