波形采集、存储与回放系统设计

波形采集、存储与回放系统设计

摘要

本系统由CORTEX-M3系列TI公司生产的LM3S2948芯片做系统的CPU，CPU控制A/D 转换芯片对输入信号进行采样，转换成数字信号存入存储芯片中。在需要读取时，CPU读取存储芯片中的数据，然后通过D/A转换器将数字信号转换成近似模拟信号，通过低通滤波器将这个近似的模拟信号中的高频率成分滤除，这样就得到了一个模拟信号，最后输出，通过示波器显示。这样就实现了信号的存储和回放。

关键字：A/D转换；D/A转换；信号；存储；回放

目录

一、绪论 (1)

1.课题设计的目的与意义 (1)

2.课题的现状及发展趋势 (1)

二、系统方案的选取与论证 (1)

1.CPU的选取 (1)

2.A/D转换器的选取 (2)

3.显示模块的选择 (2)

4.存储模块的选择 (2)

三、总系统方案设计 (3)

四、理论的分析与计算 (4)

1.A/D转换器的选取 (4)

2.D/A转换器的选取 (4)

五、电路设计与程序设计 (5)

1.电路设计 (5)

（1）前级输入的设计 (5)

（2）过零比较器电路的设计 (7)

（3）低通滤波和差损补偿电路设计 (7)

2.程序设计 (8)

（1）流程图 (8)

（2）系统软件代码见附录2 (9)

六、测试方案与测试结果 (9)

1.原信号与回放信号的电平 (9)

2.原信号与回放信号的周期 (9)

3.系统的功耗测量 (9)

七、总结 (10)

八、致谢 (10)

九、参考文献 (11)

一、绪论

1.课题设计的目的与意义

在电子领域中，对电路的数据采集、处理以及存储尤为重要，它可以实时反映电路的运行状态，便于我们更好的研究电路、观测电路。数据采集是生产研发中的重要阶段，它是工程完成的前提，只有可靠的采集到相关的数据才能确定工程的发展方向，为项目研发定下目标。波形，则是数据采集中直观的体现。采集完成后还需要进行回放，才能对采集的数据进行系统合理的分析，为工程的发展提供可靠的数据支持。

波形在采集过程中，应该尽肯能避免失真。如果不能确保回放波形和被采集波形的一致性，那么采集便变得没有任何的实际意义了。而且，要实现系统的多路采集，和低功耗的采集设备，那么目前能满足此类条件的产品价格非常昂贵提高了工程的预算，要怎么样才能做到既符合我们的要求，又要低功耗低成本呢？这就是我们研究此项目的目的所在。

2.课题的现状及发展趋势

随着电子技术，尤其是军事电子技术革新带来的新体制武器装备的发展与应用，电子信号频率上限、信号带宽和调制带宽不断拓展，调制种类不断增加，波形任意化程度加剧，频率分辨力和捷变速度大幅提高。这一信号日益复杂化的趋势，对作为电子测试领域两大根本-信号产生与获取技术，提出了新的挑战。

以高速数字采样为核心的时域测试正在成为现代电子测试技术的主流方向，波形产生与获取技术也不例外。

二、系统方案的选取与论证

1.CPU的选取

方案一：采用51系列单片机，技术成熟，调试方便，价格便宜。但由于系统用到A/D、D/A、显示、存储、键盘等部分，这就要求单片机除了完成基本的处理分析外，还需要完成信号的采集、存储、显示等操作。另外，系统对CPU速度的要求很高，51系列的单片机很难满足设计要求，而且I/O口较少，增加了设计的难度，不利于整个系统的设计。

方案二：使用ARM嵌入式CPU，作为系统的控制级核心，虽然是嵌入式的芯片，但是我们单纯的将其作为单片机来使用，不嵌入系统，效果很突出，它不仅运算速度快，而且I/O资源丰富，内部集成了很多功能，使用效果突出。对于多路控制，高速处理的设计，具有一定的优势。而且，它编程函数模块化，简化了编程的复杂程度，而且可靠性高。

方案论证：对于以上的方案，综合设计题目的要求，我们选取一个编程方便，运算速

度快，稳定性高的CPU作为系统的控制核心。

方案选定：选用方案二，我们采用CORTEX-M3系列，由TI公司生产的LM3S2948芯片，作为系统的控制核心。

2.A/D转换器的选取

方案一：并行通信的A/D转换器，操作方便，使用简单，速度快。但是，需要多个I/O 口对其进行操作，耗费单片机的资源。而且，对于并行接口的芯片，会提高系统的功耗。

方案二：串行的通信A/D转换器，时序操作，使用稍微繁琐，速度较快。但是，需要I/O口的数量少，可以单片机的资源。而且，对于串行接口的芯片，可以降低系统的功耗。

方案论证：对于系统设计对功耗有上限的要求，所以尽量要选择功耗较低的芯片。而且，对于复杂的系统来说，I/O资源是非常宝贵的，所以我们选取串行的A/D转换芯片。

方案选定：综合设计的需要，我们选定一款串行的A/D转换器TCL1549。（对于具体参数的选择依据，下文还将做具体计算和选择依据）。

3.显示模块的选择

方案一：数码管显示，数码管的应用十分的广泛，而且价格便宜，操作简单。但显示内容单调，不利于较为复杂的系统显示，而且数码管的功耗很高，还需要相应的驱动电路。

方案二：12864液晶显示屏，12864液晶显示屏显示的内容非常丰富，有中文字库，还可以显示图片件，便于复杂的显示，使复杂变为直观，但是功耗较高。

方案三：1602液晶显示屏，1602液晶显示屏可以显示两行数字和字母，操作简便，显示直观，使用十分广泛，可操作关闭背光节能。

方案论证：对于体统的要求，显示模块应该选择低功耗，显示直观，可以显示字母和数字。

方案选定：我们选择1602液晶显示屏作为本系统的显示模块，足以胜任。

4.存储模块的选择

方案一：采用EEPROM存储器，我们经常使用的型号有24C02，24C04等，它们具有掉

I2方式的通信协议，操作繁琐，对于时序的精确性有很高的电不丢失的特点，一般采用C

要求。另外它的可读写次数是有限制的，在实际应用中需要着重考虑。

方案二: 采用铁电存储器FRAM，存储芯片掉电不丢失，不需要外接电池，功耗要低，存储的数据安全可靠，操作简单,接口简单。数据掉电保存十年以上，无访问次数限制。内部存储空间4K，足够本系统的使用。

方案论证：为满足系统的条件，我们选用FRAM铁电存储器,这是一款集众多优点的FRAM 芯片，它功耗极低,有采用3.3V供电的型号，正好匹配CPU工作电压，另外SPI的总线接