数字存储示波器

数字存储示波器

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简易数字存储示波器

作者: 陈勇张勋储成火

摘要

本简易数字存储示波器以C8051F为控制和数据处理为核心,由信号调理模块.A/D转换模块.数据存储模块.D/A模块.方波整形模块.触发模块.程控增益控制模块和人机接口模块组成.采用示波器输出一个DC-50KHZ的正弦波信号,经程控增益转换后,进行电平移位,把双极性信号变为单极性信号,进行A/D采样,存储后,再D/A后回放.水平扫描控制通过控制器产生一个水平扫描信号,进行行扫描.用示波器可以观察到通过按键控制可以进行水平扫描,还有一部分数据可以通过液晶显示.为了提高测量精度,把各部分电路的误差合理分配,使电路达到最佳的测量的效果.

一,总体设计和单元电路的实现

1.1总体方框图

本系统由8051F单片机,增益控制模块,电平移位模块,过零比较模块,高速A/D 和高速D/A模块组成;以下是单通道信号发数字示波器的方框图;

1.2电源模块设计

电源的稳定如否直接关系着系统是否稳定,因此设计出高稳定性的电源是必不可少的,同时由于不同的集成电路工作的电压不一样,为了让它们都工作在最佳状态,必须给它们提供适当的电源电压.一般最常用的是-5V+5V和-12V-+12V,因此我们设计出了相应的电源,给它提供了各种滤波措施,都是为了让它输出的电源稳定.

1.3程控增益模块

由于本设计要求垂直的灵敏度设置为0.01V/div,0.1V/div,1V/div,以0.01V/div说明,此时示波器满刻度显示时,是0.01x8=0.08V,也就是当我们输入的信号是0.08V 时,刚好满度显示,但是A/D采样的电压在2V,那么它的增益A=2/0.08=25.,同理0.1V/div时,A=2/0.8=2.5;1V/div时,A=2/8=0.25,由此我们可以设计出程控增益放大器;

当Vin<0.08时,A=25;

当Vin<0.8时,A=2.5;

当Vin<8时,A=0.25;

由上可知,要设计此程控增益放大器,对放大器的要求比较高,特别是线性度越高越好,在这里我们选择LF356;

1.4电平移位

由于单片机对双极性的信号采集有很大的困难,误差也很大,所以在采集之前,要把双极性的信号变单极性的信号,这样对单极性信号采集就相对容易,电路图如下：

1.5 A/D和D/A模块

A/D和D/A是本设计的核心部分,它的速度直接影响波形输出的好坏,控制器C8051F内部集成有A/D和D/A,但是它的采样速率是100kbps,而本设计要求能够对50KHZ以下的频率能进行采样后恢复,由此可知道当在50KHZ时,采样点数n=100KHZ/50KHZ=2,即在一个周期内只能采样2个点,是不可能恢复出完整的波形,在一个周期中采样的点数越多,恢复出来的波形也就越完美.

设在一个周期内采样100个点,可知在50KHZ时的采样率是5MHZ,对C8051F单片机的采样率是远远不够的,因此就需要更高采样速率的A/D和D/A;转换芯片,我们用了20MHZ采样速率的TLC5510的A/D转换芯片,可以完成50KHZ的采样,而且可以完整的恢复出来,同样也用了高速的D/A芯片THS5651,使输出的波形近似于输入波形,使误差降到了最低.以下是A/D和D/A芯片的简要介绍:

1.6 整形电路模块

要使控制器时时保持同样的采样的点数,就要对不同的频率的周期进行计算,但是我们输入的信号是正弦信号,因此先得把它给整形成方波信号,这样便天单片机处理,我们用LM339进行过零比较,可以把它较好的给整形,电路原理图如下:

系统入口

系统初始化

读取按键值

2数据采集1三角波源7垂直速度

6水平速度5参数显示4单次触发3数据回放返回

二. 系统调试与系统测试

2.1系统调试

根据方案设计要求，调试过程共分三大部分，硬件调试，软件调试，软件和硬件联调。电路按模块逐个调试，各模块调试通过后在联调。程序先在最小系统板调试，通过后在软硬联调。

硬件调试主要是考虑怎么把各个模块的测量误差降到最低，把误差控制在最小范围内。A/D 和D/A 转换的精度、过零比较的速度、放大电路的倍率等都是系统的主要误差来源。由于在系统的硬件设计中考虑到各个部分电路的误差分配，尽量将误差降低到最小。

软件和硬件的联合调试过程中，我们运用的相应的软件补偿和硬件补偿措施，保证把误差控制在一个小范围内波动。 2.2 指标测试 2.2.1 测试仪器

TDS1002数字示波器

DF2172B 交流毫伏表

GFG-8216A 低频函数发生器

DF1731SB2A 直流稳压电源

三. 结束语

通过以上的设计,系统可以对50KHZ以下的交流信号进行采样,存储,恢复,系统能够满足题目的基本要求.系统利用各种抗干扰技术和补偿电路把测量误差控制在最小范围内.