基于单片机和cpld的数字存储示波器设计

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1、简易数字存储示波器设计摘要本次设计基于数字示波器原理，以高速转换器件、CPLD和单片机为核心，结合直接存储器存取(DMA)技术，设计制作完成了简易数字存储示波器。此数字示波器具有实时单、双踪显示和存储、连续回放显示功能。整个设计实现了数字存储示波器的所有功能指标。关键字：数字存储示波器，高速A/D、D/A转换器一、方案设计和论证数字存储示波器可以方便地对模拟信号进行采集和存储，并能利用微处理器对存储的数据作进一步处理，具有单踪、双踪实时显示和存储显示两种模式。高速数据采集、存储、回放及触发电平调节是本设计的难点和重

2、点。下面就对这几个重要环节做论证和比较：1.数据采集方案一：采用中高速A/D转换器，由单片机控制对模拟信号进行采集。限于单片机的工作频率，仅可采集低于5KHz的信号；对于更高频率的信号，虽然经处理后也能采集，但过程比较复杂。本设计不采用此方案。方案二：用CPLD控制高速A/D转换器采集模拟信号。CPLD的工作时钟频率可达几十兆赫兹，完全可以控制高速A/D转换器对的高频信号进行实时采样。只要A/D转换器的速度跟得上，可以实现对上兆的信号的采样。本设计采用此方案。2.数据存储方案一：采用双口RAM存储采样量化后的波形数

3、据。虽然控制和存储都很方便，但是本地根本买不到，所以本设计不采用此方案。方案二：采用普通RAM存储采样量化后的波形数据。虽然软硬件都比采用双口RAM复杂，但是双口RAM不是哪里都能买到的，这也不失为一种替代的好方法。本设计就采用此方案。1.双踪显示方案一：用两片A/D转换器、两片存储器和两片D/A转换器，分别对两路模拟信号进行采样、存储和回放。双踪显示时，只需要轮流切换两路输出信号，就可以实现双踪显示。但是此方案①成本很高；②要做两路控制，软硬件相对更加复杂，本设计不采用此方案。方案二：用一片A/D转换器、一片存储

4、器和一片D/A转换器，以高速率切换模拟开关实现对两路模拟信号的采集。存储时两路波形数据分别存放在存储器的奇、偶地址。回放时把存储器内的波形数据按顺序读出，输出时同样以高速率切换模拟开关实现双踪显示。此方案成本低，而且控制方便，本设计采用此方案。2.幅度控制方案一：采用DAC0832实现程控电压衰减。信号从参考电压端输入，单片机通过改变送入DAC0832的数据值控制输出信号的幅度，即Vo=(D×Vin)/255。它对低频信号的幅度控制很准，但对高频信号(≥24KHz)，输出波形严重失真。本设计不采用此方案。方案二：采

5、用模拟开关和宽带运放，配合精密电位器实现从0.01V/div到1V/div的多档垂直分辨率。单片机控制模拟开关接通不同的电阻，从而实现不同的放大倍数，达到程控放大的目的。此方案对0～500KHz信号的幅度控制较为准确，所以本设计采用此方案。3.触发电平对于示波器来说，触发电平的选择是相当重要的，如果触发信号发生电路设计地不好，那么在示波器上就看不到稳定的波形。本设计采用比较电路产生触发信号，从而达到对触发电平的调节。重要步器

6、二、理论分析与参数计算1.A/D转换器的选择根据题目要求，垂直分辨率为32级/div，垂直刻度为8div，所以垂直方向上应有32×8=256个量化级，所以A/D转换器的位数应不低于8位。本设计采用MAXIM公司的8位并行高速A/D转换器芯片MAXIM153，最高采样率1.23MHz，可基本满足要求。2.存储深度根据题目要求，水平分辨率位20点/div，水平刻度为

7、10div，所以基本存储深度为200点。本设计存储深度为200点。1.采样率与扫描速度根据题目要求，水平分辨率位20点/div，扫描速度分为2us/div～200ms/div六档，由公式：采样率=水平分辨率/扫描速度可计算出每档对应的采样率，如下表所示：扫速(/div)2us20us200us2ms20ms200ms采样率(点/div)10M1M100K10K1K1002.输入增益控制由于输入信号的最大幅度为8V，而A/D转换器输入最大幅度为5V，垂直分辨率的要求范围为0.01V/div、0.1V/div、1V/d

8、iv，所以放大倍数的范围为：0.625≤Au≤62.5从而实现1V/div、0.5V/div、0.1V/div、0.01V/div四档垂直分辨率，满足并超过题目要求。二、整体系统框图三、各部分电路设计1.前级信号处理由高速模拟开关CD4053和CD4052构成的单、双踪切换及程控放大衰减电路如图1所示。此电路的功能是控制两路信号的分时选通或单通道选通，并对输