简易逻辑分析仪设计报告1
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三、系统电路
根据前面的讨论，本系统需要设计的电路共四块，现在我 们就每一块具体电路进行具体分析。 （一）8 位数字信号发生器。具体电路如下图所示。
依据题目要求，要产生 100Hz 循环移位逻辑信号序列， 需要给 AT89C52 定时器设定 10ms 中断，利用中断程序 来实现这个目的。电路中使用了两个按键分别控制序列 的高 8 位和低 8 位。中文液晶显示器用来显示预置值的 设定情况。
七．结果分析
1、 设定信号序列预置值 55H，单级触发字 55H，门限电平为 2V。按单次触发键后。示波器上显示的波形如下：
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2、 为了在示波器上同时显示 8 路信号，必须采用电平移位电 路，我们采用 T 型电阻网络，这是我们的第一个创新。与 此同时，我们采用了 8 路模拟开关 4051 循环显示，这是我 们的第二个创新。为了使模拟开关自动切换通道我们用 CPLD 制作了 8 位循环记数器，这是我们的第三个创新。 为了使门限电平可调我们制作了高精密度的电阻分压网 络，通过 16 选一模拟开关 4067 输出后送到高速比较器 LM393 上，输入信号与之比较后送到单片机进行采集。这 是我们的第四个创新。
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设 R0 = 51KΩ 解此方程组可得 R1、R2 列如下表：
1路 2路 3路 4路 5路 6路 7路 8路
R1/KΩ 10.00 7.692 6.250 5.263 4.545 4.000 3.571 3.226
R2/KΩ 2.632 2.857 3.125 3.448 3.846 4.348 5.000 5.882
uchar i; uchar j; initial(); for(;;)
{ for(i=0x02,j=0x00;i<0x09;i++,j=j+2) { WriteScr(0xf0,i,0x00,menu[j]-0xa0,menu[j+1]-0xa0,0x04); } if((signalword&0xf0)<0xa0) WriteScr(0xf9,0x04,0x10,((signalword>>4)&0x0f)+0x30,0x00,0x03); else
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附录
一、 单片机主要源程序 1、 数字信号发生器
#include<reg52.h> #include<intrins.h> #include<def.c> #include<ocmjb.c> #include<getkey.c> #include<initial.c> void main(void) {
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2、采集电路调试，在采集电路数据输入部分加入标准信号，由 单片机将其写入 RAM 指定的地址中，在将其读出后显示在 LED 显 示。
3、显示电路的调试，调节 T 型电阻网络，用高精度电位器确定 电阻阻值，并进行微调，结果显示正常。
（二）整机电路的调试。 由电路整体连接电路后，经断电检测后，没发现短路、接地和 开路现象，然后进行整机上电测试。
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形闪烁，应该是同步信号出现问题。经过再次计算，更改同步信号的 频率。
（3）示波器上再次出现杂乱的波形。经检查电路中 RAM，CPLD， AT89C52，各路信号，工作正常，但是总线隔离电路，送不出数据， 并且系统的电源部分发热，怀疑有短路点，经检查没有发现虚焊，及 电路连接错误，怀疑某个 IC 损坏，经检查后发现其中一块 74HC245 损坏，更换后，波形正常显示出来。
五、测试仪表
100M 的模拟示波器、数字万用表、函数波发生器、EDA 系统 开发工具、仿真器、PC 机等。
六、调试过程及功能实现
系统的调试先分模块进行，最后进行整机调试。 （一）分模块调试 1、8 路信号源调试。 由信号源产生的 8 路循环移位逻辑信号序列按照题目要求接入 8 路显示电路的输入端。输出端则接到示波器上。经过几次测试，模 拟示波器上显示的波形基本符合题目要求，测试波形如下：
（三）功能实现 （1）检测门限电压可调部分，能够完成题目要求。 （2）通过游标在示波器上显示触发位置，并由按键调节触发位 置。 （3）由高频信号源产生窄脉冲，由二选一电路控制窄脉冲输出， 从而在示波器上显示时间标志线。 （4）由 CPLD 输出 8 位信号，用 LED 显示当前时间标志线上的 逻辑状态。 （5）由单片机输入三级触发字，实现三级触发，从而完成题目 要求。 （6）增加控制深度后，由单片机控制分页显示。
在整机调试过程中，我们遇到了一些问题。 （1）示波器上显示杂乱的波形。可能 CPLD 没有从 RAM 里把 所采集的数据读出来。我们用示波器检查 RAM 的读写信号，发现 RAM 片选端没有信号，怀疑是硬件的问题，检查电路发现片选端连 接错误，修改。 （2）示波器显示的波形仍然杂乱，怀疑是系统时序不正确，修 改程序后示波器上能显示所采集的波形，但是显示的波形不清晰，波
经过论证，我们可以确立各部分电路的主控器件： 单片机 AT89C52（8 位数字发生器） 单片机 AT89C52（功能控制系统） 单片机 AT89C52（数据采集电路） 可编程逻辑器件 CPLD（显示电路）
二、系统原理框图
前面的方案论证为各个部分电路确立了主控器件。以此为基础， 我们根据题目的基本要求和发挥部分的需要，进一步完善各部分电路 的具体实现，作出了此分析仪的系统原理框图，如图（2）所示：
第三部分数据采集电路的实现也有两种方案。方案 1：用单片 AT89C52 机完成数据采集及存储。方案 2：用可编程逻辑器件 CPLD 来实现。由于题目要求采集的是 100Hz 的低频时钟序列，用普通单片 机可以轻松实现，不需要使用复杂的 CPLD 系统。所以，我们使用方 案 1 实现数据采集电路。
第四部分显示系统也可以有两种方案：1、使用 CPLD 完成控 制；2、用单片机 AT89C52 实现控制。本题要求在示波器上清晰稳定 地显示信号序列，显示系统必须高速地从 RAM 中提取数据并传送到 示波器的输入端口。普通的单片机数据传送速率很难满足这个要求， AT89C52 也是一样。而可编程逻辑器件 CPLD 工作速度快，为 ns 量 级，可以完成题中高速采样及显示工作。因此，这里选用方案 1。
设 Vin=0V 时，V0=V1； Vin=5V 时，V0=V2。
根据 KCL 原理，利用下列二元一次方程组求出 R1、R2： V1 / R0 = (5 － V1) / R1 － V1 / R2 V2 / R2 = (5 － V2) / R0 ＋ (5 － V2) / R1
其中，V1 为脉冲序列的低电平，电压从 1V 开始，每路信号增加 0.1V。 V2 为脉冲序列的高电平，电压为 V1 ＋ 0.2V
V1/V 1.0 1.3 1.6 1.9 2.2 2.5 2.8 3.1
V2/V 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3.0 3.3
其次，需要一个 8 路转换开关。在此我们采用了模拟开关 4051， 通过一个 8 进制计数器循环转换 8 个通道的信号。只要信号还原的速 率和转换的速率符合一定的关系，就能在模拟示波器上清晰的显示 8 路通道的信号。
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总结
这次竞赛不仅锻炼了我们的动手能力，激发了我们的创新思 维，提高了我们的团队合作精神，而且培养了我们面对挫折勇于 克服的意志品质和吃苦耐劳的精神。我们也深深的体会到理论结 合实际的重要性，体会到知识的海洋是无穷无尽，激发我们去追 求。总之，我们喜欢“电子设计”竞赛，感谢全国大学生组委会 给我们这样锻炼的机会。
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第二部分为功能控制系统。此系统实现控制简易逻辑分析仪 的某些特殊功能。有两种方案：1、用中小规模元件组成控制系统。2 用单片机 AT89C52 完成。如前所述，与中、小规模元件组成的控制 系统相比，单片机有着先天的优势，不仅系统更加稳定，而且易于操 作。 因此方案 2 更合理。
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一、方案论证
简易逻辑分析仪系统包括四个部分：（1）8 位数字信号发生器 （2）数据采集电路（3）功能控制电路（4）显示电路。整个系统框 图如图（1）所示：
第一部分是 8 位数字信号发生器。本题要求能产生 8 路可预置 的循环移位逻辑信号序列，输出信号为 TTL 电平，序列时钟频率为 100Hz，并能够重复输出。这里有两种方案供选择：1、采用中、小规 模器件实现；2、用单片机 AT89C52 来完成。如果使用中、小规模器 件，虽然不需要使用软件编程，但使用的芯片很多，不仅电路复杂， 而且由于电路内部接口信号烦琐，中间关联多，抗干扰能力差。而单 片机作为一个智能化的可编程器件，可以通过软件完成相关功能。因 此，我们采用方案 2 来完成 8 位数字信号发生器电路。
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（二）功能控制系统。本系统使用 AT89C52 设定触发字，送给 采集系统，同时产生 16 选 1 的数字控制信号，送给模拟 开关 4067，以便从 0.25V～4.0V 之间的 16 个等级选出 一级送到高速比较器，作为不同逻辑电平转换的参考电 压。
（三）数据采集电路。本模块以 AT89C52 为控制器，外接 RAM， 采用分时复用的方式，进行数据的采集。
（四）显示系统。为了将 CPLD 还原的八路 TTL 逻辑电平清晰 稳定地显示在逻辑示波器上，首先需要将八路信号分别 移位到不同的电平等级上。为此，我们采用了 8 个 T 型 电阻组成的网络来进行电平移位。T 型电阻的结构如下：
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D6
简易逻辑分析仪
作者：郑洪涛 刘涛 田成 指导教师：电子设计指导小组
烟台大学
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摘要
本系统的设计电路由 8 位数字信号发生器电路、数据采集电 路、功能控制系统、显示电路四部分构成。8 位数字信号发生器 电路：由单片机、液晶、按键等元器件组成，可以产生 8 路循环 移位逻辑信号序列，并能设定、调节并显示预置值。数据采集电 路：由单片机控制，含有 RAM 及 8 位输入电路等，能够采集并 存储输入的 8 位逻辑序列。功能控制系统：它也是由单片机控制， 完成设定、显示、调整系统各功能项的任务。显示电路：主要由 可编程逻辑器件 CPLD 和电平移位及扫描电路组成，用于将 RAM 中的 8 路逻辑序列取出，将其高速送入示波器稳定显示。
四、系统软件设计
信号发生器内控制器的软件流程图如下：
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采集系统的软件流程图为：
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用 VHDL 语言设计的数据还原电路顶层框图如下：
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WriteScr(0xf9,0x04,0x10,((signalword>>4)&0x0f)+0x37,0x00,0x03); if((signalword&0x0f)<0x0a) WriteScr(0xf9,0x05,0x10,(signalword&0x0f)+0x30,0x00,0x03); else WriteScr(0xf9,0x05,0x10,(signalword&0x0f)+0x37,0x00,0x03); } } void time0_int(void)interrupt 1 { TH0=TH0NUM; TL0=TL0NUM; shiftword=_crol_(shiftword,1); clkout=1; signal=shiftword; _nop_(); clkout=0; } void int0(void)interrupt 0 { GetKeyInput(); }
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三、系统电路
根据前面的讨论，本系统需要设计的电路共四块，现在我 们就每一块具体电路进行具体分析。 （一）8 位数字信号发生器。具体电路如下图所示。
依据题目要求，要产生 100Hz 循环移位逻辑信号序列， 需要给 AT89C52 定时器设定 10ms 中断，利用中断程序 来实现这个目的。电路中使用了两个按键分别控制序列 的高 8 位和低 8 位。中文液晶显示器用来显示预置值的 设定情况。
七．结果分析
1、 设定信号序列预置值 55H，单级触发字 55H，门限电平为 2V。按单次触发键后。示波器上显示的波形如下：
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2、 为了在示波器上同时显示 8 路信号，必须采用电平移位电 路，我们采用 T 型电阻网络，这是我们的第一个创新。与 此同时，我们采用了 8 路模拟开关 4051 循环显示，这是我 们的第二个创新。为了使模拟开关自动切换通道我们用 CPLD 制作了 8 位循环记数器，这是我们的第三个创新。 为了使门限电平可调我们制作了高精密度的电阻分压网 络，通过 16 选一模拟开关 4067 输出后送到高速比较器 LM393 上，输入信号与之比较后送到单片机进行采集。这 是我们的第四个创新。
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设 R0 = 51KΩ 解此方程组可得 R1、R2 列如下表：
1路 2路 3路 4路 5路 6路 7路 8路
R1/KΩ 10.00 7.692 6.250 5.263 4.545 4.000 3.571 3.226
R2/KΩ 2.632 2.857 3.125 3.448 3.846 4.348 5.000 5.882
uchar i; uchar j; initial(); for(;;)
{ for(i=0x02,j=0x00;i<0x09;i++,j=j+2) { WriteScr(0xf0,i,0x00,menu[j]-0xa0,menu[j+1]-0xa0,0x04); } if((signalword&0xf0)<0xa0) WriteScr(0xf9,0x04,0x10,((signalword>>4)&0x0f)+0x30,0x00,0x03); else
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附录
一、 单片机主要源程序 1、 数字信号发生器
#include<reg52.h> #include<intrins.h> #include<def.c> #include<ocmjb.c> #include<getkey.c> #include<initial.c> void main(void) {
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2、采集电路调试，在采集电路数据输入部分加入标准信号，由 单片机将其写入 RAM 指定的地址中，在将其读出后显示在 LED 显 示。
3、显示电路的调试，调节 T 型电阻网络，用高精度电位器确定 电阻阻值，并进行微调，结果显示正常。
（二）整机电路的调试。 由电路整体连接电路后，经断电检测后，没发现短路、接地和 开路现象，然后进行整机上电测试。
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形闪烁，应该是同步信号出现问题。经过再次计算，更改同步信号的 频率。
（3）示波器上再次出现杂乱的波形。经检查电路中 RAM，CPLD， AT89C52，各路信号，工作正常，但是总线隔离电路，送不出数据， 并且系统的电源部分发热，怀疑有短路点，经检查没有发现虚焊，及 电路连接错误，怀疑某个 IC 损坏，经检查后发现其中一块 74HC245 损坏，更换后，波形正常显示出来。
五、测试仪表
100M 的模拟示波器、数字万用表、函数波发生器、EDA 系统 开发工具、仿真器、PC 机等。
六、调试过程及功能实现
系统的调试先分模块进行，最后进行整机调试。 （一）分模块调试 1、8 路信号源调试。 由信号源产生的 8 路循环移位逻辑信号序列按照题目要求接入 8 路显示电路的输入端。输出端则接到示波器上。经过几次测试，模 拟示波器上显示的波形基本符合题目要求，测试波形如下：
（三）功能实现 （1）检测门限电压可调部分，能够完成题目要求。 （2）通过游标在示波器上显示触发位置，并由按键调节触发位 置。 （3）由高频信号源产生窄脉冲，由二选一电路控制窄脉冲输出， 从而在示波器上显示时间标志线。 （4）由 CPLD 输出 8 位信号，用 LED 显示当前时间标志线上的 逻辑状态。 （5）由单片机输入三级触发字，实现三级触发，从而完成题目 要求。 （6）增加控制深度后，由单片机控制分页显示。
在整机调试过程中，我们遇到了一些问题。 （1）示波器上显示杂乱的波形。可能 CPLD 没有从 RAM 里把 所采集的数据读出来。我们用示波器检查 RAM 的读写信号，发现 RAM 片选端没有信号，怀疑是硬件的问题，检查电路发现片选端连 接错误，修改。 （2）示波器显示的波形仍然杂乱，怀疑是系统时序不正确，修 改程序后示波器上能显示所采集的波形，但是显示的波形不清晰，波
经过论证，我们可以确立各部分电路的主控器件： 单片机 AT89C52（8 位数字发生器） 单片机 AT89C52（功能控制系统） 单片机 AT89C52（数据采集电路） 可编程逻辑器件 CPLD（显示电路）
二、系统原理框图
前面的方案论证为各个部分电路确立了主控器件。以此为基础， 我们根据题目的基本要求和发挥部分的需要，进一步完善各部分电路 的具体实现，作出了此分析仪的系统原理框图，如图（2）所示：
第三部分数据采集电路的实现也有两种方案。方案 1：用单片 AT89C52 机完成数据采集及存储。方案 2：用可编程逻辑器件 CPLD 来实现。由于题目要求采集的是 100Hz 的低频时钟序列，用普通单片 机可以轻松实现，不需要使用复杂的 CPLD 系统。所以，我们使用方 案 1 实现数据采集电路。
第四部分显示系统也可以有两种方案：1、使用 CPLD 完成控 制；2、用单片机 AT89C52 实现控制。本题要求在示波器上清晰稳定 地显示信号序列，显示系统必须高速地从 RAM 中提取数据并传送到 示波器的输入端口。普通的单片机数据传送速率很难满足这个要求， AT89C52 也是一样。而可编程逻辑器件 CPLD 工作速度快，为 ns 量 级，可以完成题中高速采样及显示工作。因此，这里选用方案 1。
设 Vin=0V 时，V0=V1； Vin=5V 时，V0=V2。
根据 KCL 原理，利用下列二元一次方程组求出 R1、R2： V1 / R0 = (5 － V1) / R1 － V1 / R2 V2 / R2 = (5 － V2) / R0 ＋ (5 － V2) / R1
其中，V1 为脉冲序列的低电平，电压从 1V 开始，每路信号增加 0.1V。 V2 为脉冲序列的高电平，电压为 V1 ＋ 0.2V
V1/V 1.0 1.3 1.6 1.9 2.2 2.5 2.8 3.1
V2/V 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3.0 3.3
其次，需要一个 8 路转换开关。在此我们采用了模拟开关 4051， 通过一个 8 进制计数器循环转换 8 个通道的信号。只要信号还原的速 率和转换的速率符合一定的关系，就能在模拟示波器上清晰的显示 8 路通道的信号。
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这次竞赛不仅锻炼了我们的动手能力，激发了我们的创新思 维，提高了我们的团队合作精神，而且培养了我们面对挫折勇于 克服的意志品质和吃苦耐劳的精神。我们也深深的体会到理论结 合实际的重要性，体会到知识的海洋是无穷无尽，激发我们去追 求。总之，我们喜欢“电子设计”竞赛，感谢全国大学生组委会 给我们这样锻炼的机会。
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第二部分为功能控制系统。此系统实现控制简易逻辑分析仪 的某些特殊功能。有两种方案：1、用中小规模元件组成控制系统。2 用单片机 AT89C52 完成。如前所述，与中、小规模元件组成的控制 系统相比，单片机有着先天的优势，不仅系统更加稳定，而且易于操 作。 因此方案 2 更合理。
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一、方案论证
简易逻辑分析仪系统包括四个部分：（1）8 位数字信号发生器 （2）数据采集电路（3）功能控制电路（4）显示电路。整个系统框 图如图（1）所示：
第一部分是 8 位数字信号发生器。本题要求能产生 8 路可预置 的循环移位逻辑信号序列，输出信号为 TTL 电平，序列时钟频率为 100Hz，并能够重复输出。这里有两种方案供选择：1、采用中、小规 模器件实现；2、用单片机 AT89C52 来完成。如果使用中、小规模器 件，虽然不需要使用软件编程，但使用的芯片很多，不仅电路复杂， 而且由于电路内部接口信号烦琐，中间关联多，抗干扰能力差。而单 片机作为一个智能化的可编程器件，可以通过软件完成相关功能。因 此，我们采用方案 2 来完成 8 位数字信号发生器电路。
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（三）数据采集电路。本模块以 AT89C52 为控制器，外接 RAM， 采用分时复用的方式，进行数据的采集。
（四）显示系统。为了将 CPLD 还原的八路 TTL 逻辑电平清晰 稳定地显示在逻辑示波器上，首先需要将八路信号分别 移位到不同的电平等级上。为此，我们采用了 8 个 T 型 电阻组成的网络来进行电平移位。T 型电阻的结构如下：
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本系统的设计电路由 8 位数字信号发生器电路、数据采集电 路、功能控制系统、显示电路四部分构成。8 位数字信号发生器 电路：由单片机、液晶、按键等元器件组成，可以产生 8 路循环 移位逻辑信号序列，并能设定、调节并显示预置值。数据采集电 路：由单片机控制，含有 RAM 及 8 位输入电路等，能够采集并 存储输入的 8 位逻辑序列。功能控制系统：它也是由单片机控制， 完成设定、显示、调整系统各功能项的任务。显示电路：主要由 可编程逻辑器件 CPLD 和电平移位及扫描电路组成，用于将 RAM 中的 8 路逻辑序列取出，将其高速送入示波器稳定显示。
四、系统软件设计
信号发生器内控制器的软件流程图如下：
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用 VHDL 语言设计的数据还原电路顶层框图如下：
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WriteScr(0xf9,0x04,0x10,((signalword>>4)&0x0f)+0x37,0x00,0x03); if((signalword&0x0f)<0x0a) WriteScr(0xf9,0x05,0x10,(signalword&0x0f)+0x30,0x00,0x03); else WriteScr(0xf9,0x05,0x10,(signalword&0x0f)+0x37,0x00,0x03); } } void time0_int(void)interrupt 1 { TH0=TH0NUM; TL0=TL0NUM; shiftword=_crol_(shiftword,1); clkout=1; signal=shiftword; _nop_(); clkout=0; } void int0(void)interrupt 0 { GetKeyInput(); }