简易存储示波器的设计

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1、简易存储示波器的设计南京航空航天大学魏小龙－－MSP430的ADC12、运算放大器、TA、串口综合应用前几讲讲述了ADC12、TA、串口等片内外围设备的情况，再加上一个新的模块――运算放大器，这一讲将它们进行综合应用，设计一个简易存储示波器。此设计的目标如下：输入信号的频率再DC～20KHz；输入信号的电压在20毫伏～2伏；输入信号的波形通过串口传输到PC机显示；输入信号波形1.5K深度存储。一设计分析与设计思路以及资源分配：首先，输入信号的频率在DC～20KHz范围。则根据采样定理要求采样频率在40KHz内可调整。而ADC12的最高采样频率在100KHz，就将

2、采样频率设计在100KHz内可调。这里使用定时器TA进行定时采样，通过调整TA的定时时间到达在指定频率采样的目的。其次，模拟输入信号的电压范围在20毫伏～2伏内，而ADC12的参考电压为1.5V、2.5V，要想达到这么大的动态范围，只有将输入信号调理。这里运用MSP430片内自有的运算放大器实现。MSP430片内有3只可编程的运算放大器，每只放大器的放大倍数在1～16倍可调，则可以方便地调节输入信号进入ADC12的幅度。第三，使用串口送采集的数据到PC机是很方便的。第四，在PC机端写参数选择面板与示波器波形显示屏程序。最后，示波器的波形能存储以便分析。这里利用M

3、SP430片内自有的2K字节RAM可以方便实现。综上所述，此简易存储示波器设计框图如下：CPU：MSP430定时FG439器TA可控PC计算模拟输串行增益ADC12机显示入信号通讯放大与控制存储器记录波形二具体各部分设计至此，有了大致的设计思路。首先要介绍MSP430片内的运算放大器。因为模拟输入信号最终需要放大（/缩小）到1.5V、2.5V内，只有使用运算放大器实现，而运算放大器在MSP430FG43系列中，所以本设计将使用MSP430FG439，MSP430FG439的片内资源为：定时器TA、TB、ADC12、运算放大器OA、通用串口、看门狗等。下图是MSP

4、430FG439片内运算放大器的结构框图。以上运算放大器的结构框图为单只运放的框图，其他两只完全一样。在MSP430FG439芯片中，三只运算放大器的引脚都在P6端口上。每只运算放大器的所有功能在两个寄存器中实现：OAiCTL1、OAiCTL0。寄存器各位含义简介如下：OAiCTL0中各位：7、65、43、210负输入引脚正输入引脚速度控制输出到端口输出到端口OAiCTL1中各位：7、6、54、3、210放大倍数选择模式选择保留轨到轨通过以上寄存器的各位可以方便地使用放大器。比如要改变放大倍数，直接更改OAiCTL1中的第5、6、7位的数值即可。OAiCTL1中

5、的第5、6、7位的数值改变将直接影响图中运算放大器反馈电阻的阻值改变：反馈电阻中4个R、两个2R两个4R的不同接入方式即下图中的RF。运用此运放的可方便更改放大倍数这一特点来实现宽的输入电压范围。在了解了运算放大器的使用之后，下面在本设计中配置这三个放大器：第一个放大器用于输入信号与本示波器的隔离，第二第三放大器用于信号放大。本设计思路：使用第一放大器射极跟随（信号隔离），然后根据信号的大小，再调节放大器的放大倍数到需要的值（能在PC屏幕上显示比较满意的波形）。只有两级放大，放大器的倍数最大为256倍，根据需要，输入信号的幅度范围为10毫伏～2伏，则需要放大20

6、0倍，完全能满足要求。所以输入信号在1～200倍可调放大。电路图如下：在输入信号为10毫伏时，运放放大200倍，幅度将达到2V，在ADC12的参考电压取2.5V时，转换数据为2/2.5*4096=3276。在输入信号为200毫伏时，运放放大10倍，幅度将达到2V，在ADC12的参考电压取2.5V时，转换数据为2/2.5*4096=3276。在输入信号为2伏时，运放放大1倍，幅度将达到2V，在ADC12的参考电压取2.5V时，转换数据为2/2.5*4096=3276。根据以上分析，如此配置运放是完全可行的。ADC12的配置应该为：片内参考电压；参考电压2.5V；P

7、60为模拟输入信号A0，如果设计为多通道示波器，则使用A1～A7做其他模拟输入通道，此处为单通道，仅使用A0；采样使用主动读取方式，非ADC12中断。采样与保持的时间取最小值，主要为了兼顾最快采样。下面考虑定时器的设置。定时器使用TA，TA使用SMCLK，SMCLK设置为8MHz，这样，采样频率可以方便调整。本设计要求：输入信号在DC～20KHz。所以，采样频率最高取100KHz，最低取300Hz（300Hz可以利用视觉暂停避免闪烁），TA设置如下：运行在连续计数模式；SMCLK为输入时钟；产生中断，在中断服务程序中实现ADC12采样；定时长度的改变由PC机操作

8、实现。下面设计通讯部分。