基于单片机的简易数字示波器的设计毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的简易数字示波器的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

采集存储器最大存储容量来表示，常以字为单位。 数字存储器常采用 256， 512， 1K等容量的高速半导体存储器。 读出速度 读出速度是指将数据从存储器中读出 的速度，常用“时间 /div”来表示，其中，时间为屏幕上每格内对应的存储容量乘以读脉冲周期。 使用中应根据显示器，记录装置或打印机等对速度的要求进行选择。 数字信号的采集与存储 在数字存储示波器中，模数转换电路在给定采样时钟的节拍下把输入模拟信号转换为离散的数据值； A/D 转换器始终以最高取样率进行工作。 ADC 参数的选取需要考虑多方面的因素； ADC 的取样频率取决于待测信号的频率范围，或者示华北理工大学轻工学院 8 波器对扫描速度的要求；而 ADC 的编码位数与垂直分辨率相关。 根据这两个条件选择合适的 ADC 芯片。 波形重组是根据所用的显示 器将采集到的离散数字信号进行调整之后，将其在显示器的垂直方向和水平方向重新定位，存储到波形存储器中。 数字信号保存到存储器中， RAM 的位数须根据 ADC 的位数来选择，如果 ADC为 8 位输出，那么 RAM 也应该为 8 位，超过 8位则可以选用 16 位的 RAM。 RAM 的容量取决于每次采样的采样点数，这和水平分辨率相关。 写入 RAM 的数据来自于ADC，读出之后再经过单片机处理进行波形重组，然后在液晶显示器上进行显示。 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。 第 3 章 系统硬件电路的设计 9 第 3 章 系统硬件电路的设计 STC15W4K60S4 系列单片机 STC15W4K60S4 系列单片机是 STC 生产的单时钟、机器周期的单片机，是宽电压、高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代 8051 单片机，采用 STC 第九代加密技 术。 加密性超强指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 8— 12 倍。 内部集成高精度 R/C 时钟 ,5MHz— 35MHz 宽范围可设置，可彻底省掉外 部昂贵的晶振和外部复位电路， 6 路 CCP/PWM/PCA,8 路高速 10 位 A/D 转换 ,内置 4k 字节大容量 SRAM,4 组独立的高速异步串行通信端口 ,1 组高速同步串行通信端口 SPI针对多串行通信 \电机控制强干扰场合。 内置比较器，功能更强大。 如图。 图 STC15W4K6054 原理图 LCD12864 表 总体参数表 管脚号 管脚名称 电平 管脚功能描述 1 VSS 0V 电源地 2 VCC ~+5V 电源正 华北理工大学轻工学院 10 3 V0 对比度（亮度）调整 4 RS(CS） H/L RS=“ H” ,表示 DB7—— DB0 为显示数据 RS=“ L” ,表示 DB7—— DB0 为显示指令数据 5 R/W(SID) H/L R/W=“ H” ,E=“ H” ,数据被读到 DB7—— DB0 R/W=“ L” ,E=“ H→ L” , DB7—— DB0 的数据被写到 IR或 DR 6 E(SCLK) H/L 使能信号 7 DB0 H/L 三态数据线 8 DB1 H/L 三态数据线 9 DB2 H/L 三态数据线 10 DB3 H/L 三态数据线 11 DB4 H/L 三态数据线 12 DB5 H/L 三态数据线 13 DB6 H/L 三态数据线 14 DB7 H/L 三态数据线 15 PSB H/L H： 8位或 4 位并口方式， L：串口方式 16 NC 空脚 17 /RESET H/L 复位端，低电平有效 18 VOUT LCD 驱动电压输出端 19 A VDD 背光源正端（ +5V） 20 K VSS 背光源负端 12864 是 128*64 点阵液晶模块的点阵数简称。 *注 释 1：如在实际应用中仅使用并口通讯模式，可将 PSB 接固定高电平。 *注释 2：模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端 悬空。 *注释 3：如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的 JA、 JK 用焊锡短接。 LCD12806 电路原理图如图。 第 3 章 系统硬件电路的设计 11 图 LCD12864 原理图 硬件系统设计 我们要先把波形显示出来，因为波形有大有小，首先我们要对它进行一个调理。 因为调理包括把大信号变成小信号，把小信号变成大信号，把信号抬高，把波形调到适合单片机 ADC 采样，采样之后将所得到的值 写到 RAM 中，通过单片机进行计算将波形在液晶屏幕上显示出来，另外我们需要对输入信号进行处理提取出信号的特性，包括频率、电压值、分析信号的波形。 所以示波器我们大概可以分为两个部分，一部分为显示信号的波形，一部分为提取信号的特征。 例如：我们在计算电压值的时候，我们可以通过波形进行计算。 电压值可以通过采样值得出，采样值可以通过求 VPP进行计算，采样得到许多的点，我们将这些点的最大值和最小值求出来就等于求出了 VPP,频率可通过对所得的图形进行整形，整形成一个方波，我们对它在一定的周期里面进行计数就可以得到频率，或 者我们得到它的周期 T，根据 F=T/1 可求得频率。 所以信号需要先对它进行整形，然后对它进行计数。 信号的流动是经过许多步骤进行流动的，首先是信号的输入，信号输入进来我们先要进行耦合，看我们是只取它的直流成分还是交流成分，或者说是要去掉它的直流成分还是交流成分，其中还包括输入阻抗的部分，输入阻抗要大于 100K，用示波器测量电路中两个点之间的波形，实际上是将示波器并联到电路中，为了测量到的精度，要求示波器对所测量电路的影响尽可能的小，根据R=R1*R2/(R1+R2),所以需要示波器的电阻无穷大才能减小对电路的影 响 ,在理想状态下我们可以将 100K 看作无穷大，我通过四个 47K 的电阻串联得到这个阻抗，耦合是通过电容隔直通交的原理来实现，由继电器控制。 当继电器选择下面的时候直流就可以通过，将交流隔掉了。 通过电阻分压 继电器可以选择信号的链接，华北理工大学轻工学院 12 跟随器提高阻抗将驱动的能力加强，将信号增强。 放大器可以选择放大两倍或者放大十倍， U4d 是一个加法器，信号是有负压的但是单片机仅能测正压，我们想到的办法就是将信号或者可接收的图像进行抬高，在一个正弦坐标系中抬高到。 如图。 图 波形抬高示意图 TL431 可以产生一个 的基准源，加上 之后进行跟随，再进行一下滤波，然后送到单片机内部 ADC 中去，这是一个前卫电路，单片机信号为 0V—5V，当大于 5V 单片机接收就有可能烧毁，所以最好做一个保护装置，将电压限制在 5V 以内，根据二极管的单向导电性，前面是跟随器通过电容去掉直流信号留下交流信号，又通过过零比较器可以产生一个方波，通过测量两个相邻波峰电压或者波形周期就可以得到频率。 第 4 章 系统功能的软件设计 13 第 4 章 系统功能的软件设计 单片机软件开发系统 keil uVision简介 keil uVision是美国 Keil Software公司出品的 51系列兼容单片机 C语言软件开 发系统，与汇编相比， C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。 用过汇编语言后再使用 C来开发，体会更加深刻。 keil uVision软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows界面。 另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到 Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。 在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 C51工具包的整体结构，其中 uVision是 C51 for Windows的集成开发环境 ，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。 开发人员可用 IDE本身或其它编辑器编辑 C或汇编源文件。 然后分别由 C51及 A5l编译器编译 生成目标文件。 目标文件可由 LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经 L51连接定位生成绝对目标文件。 ABS文件由 OH51转换成标准的 Hex文件，以供调试器 dScope51或 tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存储器如 EPROM中。 主程序设计及流程图 数字存储示波器系统流程图 仪器是一个以硬件为基础的、软硬件紧密结合的系统，软件是智能仪器的灵魂。 示波器软件采用 C语言来编写，完成对人机界面、系统控制、系统硬件、波形参数分析等的控制。 系统的软件设计主要是单片机程序设计，对于单片机控制程序，采用 C语言来编写。 输入信号频率计算， A/D转换， 数据存储，键盘扫描，液晶显示等。 整个系统由键盘驱动，不同的按键对应不同的事件处理。 图。 华北理工大学轻工学院 14 开 始程 序 初 始 化i 对 5 0 取 余 是 否 为 0计 算 频 率 值采 样 存 储 A / D 转 换 值数 据 处 理清 屏显 示判 断 是 否 有 键 按 下采样点数增加8采样点数减少8显示峰值显示峰峰值显示有效值重新计算显示清屏复位i + +N OY E SN O Y E S 图 系统流程图 标准信号发生器输入方波，三角波，锯 齿波，正弦波得到的测试结果。 显示屏可以显示波形，频率及幅度的大小数值，同时存储示波器样机对波形的测试没有明显的失真。 第 5 章 结论和展望 15 第 5 章 结论和展望 结论 经过几个月的努力，终于完成了该题目的设计，总结几个月来的工作，主要有以下几个方面： (1).综述了现阶段数字存储示波器技术及产品的国内外发展状况，对数字存储示波器的原理、工作方式、显示方式等的基本概念及技术发展进行了介绍。 (2).针对设计的任务和要求，确定了存储示波器波形采样和数据处理及波形重组的硬件和软件方案。 (3).对整机各部分关键电路进行 相关理论分析、计算和设计。 (4).本系统由单片机主控， ICL7662 进行模数转换，用 62256 来实现波形的存储，通过软件直接对转换后的数字信号进行存储，并读到单片机中完成波形重组任务之后显示到液晶屏上，设置了 16 个按键，对采样速率，显示电压类型等方面配合单片机进行了控制。 (5).完成了样机的制作与调试；论述了仪器的测试方法，完成数据测试及测试结果分析。 展望 由于时间和条件的限制，本系统也存在一些不足之处，可在今后的工作中改进。 (1).由于 STC15W4K60S4 的输入电压范围为 05V，单极 性输入。 这样就限制了设计的输入，在电路设计中能加上信号放大电路和衰减电路，则可以增大信号的测量范围。 (2).ARM 等高性能、低成本微处理器的出现，以及嵌入式 Linux、 WinCE 等操作系统的发展，为高性能智能化电子测试仪器的设计提供了良好的平台。 如能将本系统中的主控芯片单片机换成 ARM，则该系统的能力将大大提高 (3).对于采集到的数字信号的处理可以采用 DSP 高速数字信号处理芯片，这样更能显示出系统的实时性和灵敏性。 (4).设计中的显示屏为 LCD12864，这样示波器的指标，垂直刻度、垂直分辨率、水平刻 度、水平分辨率就受到了限制，所以设计的显示可以换成更好的显示器。 致谢 16 致 谢 通过这次毕业设计很好的检验了我在大学四年中所学理论知识的掌握程度，锻炼了我的实际动手能力，为以后的学习、工作奠定了基础。 回顾这几个月的设计制作 ，感受良多。 首先感谢郭慧娜老师，感谢您在我的毕业设计期间对我的亲切关怀和悉心指。