雙通道數(shù)字存儲示波器設(shè)計報告唐甜

1、集成電路應用技術(shù)課程設(shè)計報告 雙通道數(shù)字存儲示波器院 （系）： 自動化學院 專 業(yè)：自動化 姓 名： 唐甜 學 號： 2007年6 月8日一、題目要求：3二、系統(tǒng)總體技術(shù)方案：3三、功能指標設(shè)計分析及要求滿足：31、功能：32、指標3四、硬件設(shè)計選擇：4（1）微處理器選擇4（2）A/D模塊4(3)輸入緩存：4（4）輸入調(diào)理模塊：5(5)數(shù)據(jù)存儲模塊5(6)液晶顯示模塊6(7) 按鍵操作模塊7五、軟件設(shè)計：7軟件流程框圖：8數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)輸出模塊子流程：9六、系統(tǒng)調(diào)試與測試方案101、軟件調(diào)試102、硬件調(diào)試10一、 題目要求：設(shè)計一個雙通道數(shù)字存儲示波器 功能：顯示信號波形 測量信號的幅值，頻

2、率 信號觸發(fā)捕捉、存儲 選擇測量內(nèi)容 具有靈敏度調(diào)節(jié) 指標：信號幅度范圍0.001100V 測量精度1% 測量信號頻率0.1 1MHz二、 系統(tǒng)總體技術(shù)方案：現(xiàn)在的數(shù)字存儲示波器一般都是由微處理器、數(shù)字存儲器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器為核心的，輸入信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器把模擬波形轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，存儲在數(shù)字存儲器里；顯示時，再把信號從存儲器中讀出，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬波形顯示。一般波形可顯示點陣液晶顯示器上，也可以通過接口與計算機接口，做成虛擬儀器。 設(shè)計以單片機為處理中心，雙通道通過兩個輸入調(diào)理模塊進入高速A/D（A/D采樣頻率超過1MHz，以達到指標要求），波形用數(shù)字存儲器來存儲，分別選通奇偶

3、地址來存儲雙通道。顯示時，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器還原，在輸入到點陣液晶顯示器顯示。其中所有選擇操作都用一個外置鍵盤來產(chǎn)生。三、 功能指標設(shè)計分析及要求滿足：1、功能：（1）顯示信號波形：用點陣液晶顯示器LM6023B實現(xiàn)。（2）測量信號的幅值，頻率：是數(shù)字存儲示波器的基本功能。（3）信號觸發(fā)捕捉、存儲：用專門的數(shù)字存儲器存儲波形。（4）選擇測量內(nèi)容：用微處理器通過讀鍵盤按鈕值來實現(xiàn)選擇。（5）靈敏度調(diào)節(jié)：涉及到對大小不同信號的不同處理。對大信號進行衰減、對小信號進行放大。通過軟件編程來實現(xiàn)，微處理器來控制在輸入調(diào)理模塊中的無源衰減網(wǎng)絡(luò)、寬帶放大/ 衰減器環(huán)節(jié)來達到靈敏度調(diào)節(jié)。2、 指標： （1）測量精

4、度1%：故每次測量誤差要不超過100*0.01=1V可見要求還是不高的。若顯示為8格（普通示波器標準），則要求顯示幅度在-4到4V之間。（2）信號幅度范圍0.001100V：考慮到設(shè)計選用的A/D芯片AD9283的輸入電壓為-11V，故需要用多檔程控增益放大來實現(xiàn)輸入的保證-11V內(nèi)。考慮到測量精度的要求，把顯示-4到4V能輸入到AD9283，故程控增益放大倍數(shù)要為0.25的倍數(shù)，取0.25，擬采用3級放大，放大倍數(shù)分別為：0.25、2.5、25。（3）測量信號頻率0.1 1MHz：由于系統(tǒng)最大頻率要求為1MHz,根據(jù)Nyquist定律,采樣頻率應該在2MHz以上。A/D芯片AD9283完全能

5、滿足，其最大采樣頻率能達到100MHz。四、 硬件設(shè)計選擇：該硬件電路初步設(shè)想由微處理器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、輸入調(diào)理、控制處理、數(shù)據(jù)存儲、液晶顯示和按鍵操作等模塊組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖：通道信號調(diào)理AD9283CH2CH1按鍵操作模塊液晶顯示模塊LM6023BA/D9283A/D9283數(shù)據(jù)存儲模塊AT29C256D/AD/A（1）微處理器選擇：CPU選擇可有很多種方案，如考慮到速度，功效等，可采用高速單片機，也可以考慮節(jié)約器件和制作的麻煩度可選的芯片，如高性能的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)芯片，有內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的芯片。一開始我想選用ADC848 作為控制處理核心。因為它具有高速度、高精度、大容量

6、存儲、低功耗等特點，主要是片內(nèi)集成一個8 通道最大采樣頻率可達1.3kHz 的16 位ADC , 可以方便滿足我們雙通道輸入的要求。但后來考慮到我們的要求1MHz的測量信號頻率，而ADC848片內(nèi)集成ADC最大采樣頻率才1.3kHz，這樣我們的輸入調(diào)理模塊就會很復雜和難以制作，故ADC最好用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 最后采用DS80C320 高速單片機,它的單指令周期只需四個機器振蕩周期完成;在相同的時鐘頻率下它的運行速度是51 系列單片機的3 倍,并且時鐘頻率可達40M。最重要的是它有2 個數(shù)據(jù)指針DPTR0 和DPTR1。兩個數(shù)據(jù)指針的設(shè)置使得單片機對RAM 的讀寫更加方便、快捷,進一步提高了單片

7、機存取數(shù)據(jù)的速度，方便于我們雙通道的應用。（2）A/D模塊：由前面的分析知，我們要選用一片高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog - to - Digital Converter , ADC), 它要完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,精度、速度指標決定了儀器的主要指標, 因此選擇、設(shè)計合適的高速ADC 系統(tǒng)成為儀器設(shè)計的重中之重。最后選用的是AD9283 ，AD9283是一個8 位的單片集成采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器, 內(nèi)置低成本、低功耗、易于使用的采保電路。它可以工作在100 MSps 的轉(zhuǎn)換率, 在整個工作范圍內(nèi)都有很好的動態(tài)性能。它的模擬帶寬為475 MHz , 功耗為90 mW , 參考源為內(nèi)部+1.25 V

8、基準電壓或外接標準源, 由+ 3.0 V 單電源供電。利用多個ADC , 采用前端并行逐次采樣, 后端串行多路復用, 從而大大提高了整個系統(tǒng)的速度。用兩片AD9283來實現(xiàn)雙通道的要求。(3)輸入緩存：由于采用200MSps 轉(zhuǎn)換速率的ADC , 采樣時鐘的相位相對于DSP 讀時鐘是不斷變化的, 所以從ADC 高速輸出的數(shù)據(jù)需要進行緩存。而FIFO 可以消除存取頻率、相位之間的不匹配因素, 保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。ADC的采樣數(shù)據(jù)以并行方式流入FIFO 入口。數(shù)據(jù)采集原理：前端信號調(diào)理前端信號調(diào)理A/D9283A/D9283AD9283FIFO1FIFO2調(diào)零校準（4）輸入調(diào)理模塊：輸入調(diào)理模塊

9、是硬件模塊中最重要的部分。采用程控寬帶信號調(diào)理模塊。程控寬帶信號調(diào)理模塊由高阻輸入無源衰減網(wǎng)絡(luò)、寬帶放大/ 衰減器、抗混疊濾波器組成, 并且在本模塊中要插入耦合方式、帶寬限制、移位等可實現(xiàn)程控調(diào)理電路 程控寬帶信號調(diào)理模塊原理圖/10衰減或直通X25/X2.5/ X0.25可變增益放大/衰減驅(qū)動級增益電壓偏置電壓/10衰減或直通X25/X2.5/ X0.25為了滿足系統(tǒng)對信號調(diào)理要求, 寬帶放大/ 衰減分為三級,分別是前置放大級、可變增益放大/ 衰減級和驅(qū)動放大級。由前置放大級的放大倍率固定, 可變增益放大/ 衰減級的控制通過串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器由微處理器控制, 輸出驅(qū)動級加入直流饋入, 調(diào)整直流偏

10、置電壓。 (5)數(shù)據(jù)存儲模塊系統(tǒng)采用大容量、非易失性存儲器A T29C256作為主要數(shù)據(jù)存儲模塊, 占用低32 KB 地址單元。A T29C256 是一種只需單+ 5V 電源的閃速在線可編程、可擦除只讀存儲器EPROM , 256 K 的存儲器被組態(tài)為32768 個8 位字, 由于采用了先進的非易失CMOS 工藝制造技術(shù), 該器件存取時間短、功耗低。從器件中讀取數(shù)據(jù)操作和靜態(tài)RAM 一樣, 但A T29C256 的重編程和靜態(tài)RAM 則不一樣, 它是按頁進行的, 1 次裝入64B 數(shù)據(jù), 并同時被編程。整個器件的內(nèi)容可用1 個6B 軟件代碼擦除, 當1 個重編程周期開始時, 地址單元和64B數(shù)

11、據(jù)在內(nèi)部鎖存, 這時釋放地址和數(shù)據(jù)總線作其他工作。編程周期開始后, 器件將自動進行頁擦除,隨后用戶內(nèi)部控制計時器編程鎖存數(shù)據(jù)。編程周期的結(jié)束可由I/ 07 的數(shù)據(jù)輪詢檢測出, 一旦檢測出1個編程周期的結(jié)束,便可開始新一輪讀取、編程或芯片擦除操作。AT29C256與AD9283的接口電路如下(6)液晶顯示模塊液晶模塊選用LM6023B 液晶模塊是一款128 64點陣的小型液晶顯示系統(tǒng), 由行驅(qū)動器S1D16700 、列驅(qū)動器S1D15300 、點陣面板和背燈電路組成。接收8 位并行數(shù)據(jù)的同時可將數(shù)據(jù)顯示, 并存儲在片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲器中(DDRAM) 。DDRAM 中的數(shù)據(jù)顯示單元與液晶屏的點陣單元

12、存在一一對應關(guān)系, 并且LM6023B 液晶模塊數(shù)據(jù)的讀寫操作不受外部時鐘的控制, 因而LM6023B 的顯示具有很高的靈活性。LM6023B 液晶模塊帶有液晶必需的電源驅(qū)動電路, 這樣可用最少的元件和最小的功耗實現(xiàn)模塊的功能。液晶顯示模塊LM6023B 的功能是顯示相關(guān)菜單和數(shù)據(jù)波形。菜單主要是由漢字和符號組成, 可以通過字模提取軟件產(chǎn)生與之對應的16 進制的數(shù)據(jù)送液晶顯示。數(shù)據(jù)波形是一系列的曲線, 在液晶上要顯示這些曲線需要將相應的點陣顯示。對于一條數(shù)據(jù)曲線, 起始顯示數(shù)據(jù)點在起始列僅顯示一點, 從第二個數(shù)據(jù)點開始, 要在下一列顯示上一數(shù)據(jù)點到此次數(shù)據(jù)點之間的線段。LM6023B與AD92

13、83的接口電路如下 (7) 按鍵操作模塊用獨立式按鍵,直接由I/ O 口線P1.2 、P1.3 、P1.4 和P3.2 構(gòu)成單個按鍵電路。每個按鍵單獨占有一根I/ O 口線,且其工作狀態(tài)不會影響其他I/ O 口線的工作狀態(tài)。在使用過程中, 每個按鍵和液晶菜單相聯(lián)系, 要在單一按鍵上實現(xiàn)不同的功能, 簡單的獨立式按鍵電路不能滿足設(shè)計的需要, 因此必須使用軟按鍵輪詢技術(shù)。軟按鍵輪詢技術(shù)是用于將菜單和按鍵組合在一起的用戶界面新技術(shù), 該技術(shù)使得用戶可以在單一功能鍵上進行多種選擇。五、 軟件設(shè)計：軟件主要由以下幾個功能模塊組成: 初始化、菜單顯示和定時器/ 計數(shù)器0 中斷服務(wù)程序。軟件的設(shè)計采用順序設(shè)

14、計的方法。初始化程序主要包括控制處理模塊DS80C320 、A/D、D/A模塊、液晶顯示模塊LM6023B 和數(shù)據(jù)存儲模塊AT29C256 的初始化。菜單顯示程序主要是依據(jù)按鍵值, 顯示各種功能菜單。定時器/ 計數(shù)器0 中斷服務(wù)程序主要是依據(jù)按鍵值, 進入相應的數(shù)據(jù)波形顯示, 包括選擇測量內(nèi)容、信號觸發(fā)捕捉、存儲、靈敏度調(diào)節(jié)等內(nèi)容。軟件流程框圖：開始初始化查鍵盤、讀入各項參數(shù)是否允許采集選擇存儲或處理采集是否結(jié)束回讀數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理D/A轉(zhuǎn)換顯示模塊NNNYYY選擇測量內(nèi)容循環(huán)結(jié)束數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)輸出模塊子流程：選擇測量通道選擇存儲地址奇地址偶地址存儲完CH1CH2N奇地址偶地址選擇測量通道CH1CH1雙蹤存儲完NN說明：兩路信號的數(shù)據(jù)分別存儲在RAM的奇、偶地址，雙蹤顯示時，先掃描奇地址的數(shù)據(jù)，然后再掃描偶地址的數(shù)據(jù)。六、 系統(tǒng)調(diào)試與測試方案分為軟件調(diào)試和硬件調(diào)試。1、軟件調(diào)試通過編譯器，分幾步滿足：（1）、初始化：通過編譯器單步運行程序，讀各個狀態(tài)（指令或寄存器）的實際值，觀察初始化的成功與否，包括單片機、A/D、D/A和LCD的初試化。（2）、A/D輸入在存儲器里的狀態(tài)：主要是觀察是否有從A/D輸入數(shù)