數字示波器的制作

數字示波器的制作,數字,示波器,制作 今越電子工作室 - 1 - 什么是示波器的觸發(fā)？ 今越電子工作室 劉澤民 初學電子的朋友可能會覺得示波器觸發(fā)的概念比較模糊，而在實際中，充分理解示波器 觸發(fā)的概念往往是有效使用示波器的前提。本文試圖以模擬示波器為例，說明觸發(fā)的概念。 示波器的同步 要明白觸發(fā)的概念，首先要了解示波器同步的概 念。那么什么是示波器的同步呢？我們 這里所說的示波器同步是指示波器的掃描信號與被觀測的信號同步，也就是說它們的頻率之 間存在著整數倍的關系。為什么要這樣？不這樣會有什么結果？帶著這樣的問題讓我們來考 察圖 1 的情況。 我們先了解一下示波器的工作原理。 我們知道，示波器是通過在 X 和 Y 偏轉板上加上 控制電壓，控制由電子槍射出電子束的偏轉從而在屏幕上描繪出軌跡的，一般在 X 偏轉板 加的是正向鋸齒波信號，線性上升的電壓控制電子束從左到右移動，形成水平掃描。因為上 升的電壓與時間成線性關系，掃描得到的軌跡就可以模擬時間軸。如果同時在 Y 偏轉板加 上與被測信號成比例的電壓，使電子束在水平移動的同時也在垂直方向移動，這樣電子束就 描繪出了被測信號與時間的關系，也就是信號的 波形。這是示波器顯示波形的基本原理。 現在我們來看圖 1。圖 1 中的 Y 是一周期性信 號， X 是掃描信號，顯然它們是不同步的。當將 這樣的信號同時分別加到示波器的 Y 和 X 偏轉系 統(tǒng)時，顯示的波形如圖 2 所示，其中當 X 從 T0 掃描到 T1 時描繪出的波形是 A，從 T1 到 T2 掃描 時描繪出的波形是 B，而從 T2 到 T3 掃描時描繪 出的是 C，顯然它們在屏幕上的位置都不同，而且 先后出現，所以您會看到的是它們的混合， 得不 到一個穩(wěn)定的波形。這就是示波器的掃描與信號 不同步的結果。 如果我們設法將 X 信號變成圖 3 所示的情 形，使每一次掃描開始時刻都對應于 Y 信號一個 周期的同一點，使得每一次掃描對應的 Y 信號都 相同，也就是讓示波器的掃描信號與被測信號“同 步”。當將這樣的信號同時分別加到示波器的 X 和 Y 偏轉系統(tǒng)時，由于每一個掃描周期 X 和 Y 的信 號都相同，電子束受到同樣的偏轉控制，因而每 一次掃描的電子束都打在屏幕上的同樣的軌跡 圖 1 圖 2 什么是示波器的觸發(fā)？ 今越電子工作室 - 2 - 上，也就是說我們可以得到圖 4 所示的波形。這是您能看到的唯一波形，因為每一個掃描周 期電子束都打在這個波形的軌 跡上，而不是其他位置，因而這個波形是穩(wěn)定的。這就是示波 器掃描與信號同步的結果。 綜上所述，如果我們要在示波器的屏幕上觀察到穩(wěn)定的波形，必要的條件是示波器的掃 描信號要與被觀察的信號保持同步關系。 那么，我們怎樣才能使示波器的掃描信號與被觀測信號保持同步關系呢？ 觸發(fā)的作用 為了使掃描信號與被測信號同步，我們可以設定一些條件，將被測信號不斷地與這些條 件相比較，只有當被測信號滿足這些條件時才啟動掃描，從而使得掃描的頻率與被測信號相 同或存在整數倍的關系，也就是同步。這種技術我們就稱為“觸發(fā)”，而這些條件我們稱其 為 “觸發(fā)條件” 。 用作觸發(fā)條件的形式很多，最常用最基本的就是“邊沿觸發(fā)”，即將被測信號的變化 (即 信號上升或下降的邊沿 ) 與某一電平相比較，當信號的變化以某種選定的方式達到這一電平 時，產生一個觸發(fā)信號，啟動一次掃描。例如在圖 3 中，我們可以將觸發(fā)電平選在 0V，當 被測信號從低到高跨越這個電平時，就產生一次掃描，這樣我們就得到了與被測信號同步的 掃描信號。其他的觸發(fā)條件有“脈寬觸發(fā)” 、“斜率觸發(fā)” 、“狀態(tài)觸發(fā)” 等等，這些觸 發(fā)條件通常會在比較高檔的示波器中出現。 有關觸發(fā)的調節(jié) 有關觸發(fā)的調節(jié)包括觸發(fā)源、觸發(fā)方 式、觸發(fā)條件即相應參數的選擇等等，比較多和復 雜，這些是示波器使用中最重要的操作，也是許多初學者感到較難掌握的地方，我們將另覓 篇幅詳細介紹。 圖 3 圖 4 DN062-01v01 今越電子制作 - 1 - Tel. 15078386021 LCD 單板示波器使用說明 適用型號 ： 06201 1. 工作原理簡述 圖 1 為該示波器的原理框圖 。 輸入信號經耦合電路后經過由衰減器 、 放大器和選擇開關組成的模擬信 號通道處理后 ， 送到 A/D 轉換器變成數字信號 ， 再由處理器轉換成適當的波形由 LCD 顯示出來 。 模擬通 道的作用主要是調節(jié)信號的大小 ， 以便適合屏幕顯示 。 2. 操作說明 該示波器的使用并不復雜 ， 操作上與專業(yè)的示波器沒有什么不同 ， 使用時 ， 只要將電源插上就可以開 始了 。 當用按鍵調節(jié)參數時 ， 先選擇要調節(jié)的參數 ， 這時屏幕上 的亮塊會移到相應的參數指示 ， 然后用 [ + ] 和 [ - ]鍵作調節(jié) 。 下面著重說明各開關和按鍵的功能 （ 見圖 2）。 耦合選擇開關 該開關選擇信號的耦合方式 。 為什么要選擇耦合方式呢 ？ 這是因為有時候被測信號是交流直流混合的 ， 如果我們只想觀察它的交流成分的話 （ 特別是在直流成分大交流成分小的時候 ）， 我們可以采用交流耦合 ， 即讓信號通過一個電容器 ， 隔斷直流成分 ， 這樣我們就可以只觀察交流 。 衰減選擇和倍率選擇開關 這兩個開關經常是配合使用的 ， 其作用是調節(jié)送到 A/D 轉換器的信號的幅度 ， 因為如果信號幅度太大 會超過屏幕的范圍 ， 太小 觀察起來誤差比較大 ， 所以要根據信號情況選擇適當的幅度 。 衰減開關選擇衰減 比 ， 可以是 1 或 1/10， 對應的刻度分別是 0.1V 和 1V。 倍率開關實際也是改變衰減比 ， 它可以選擇 1、 1/2 和 1/5， 分別對應于倍率 1、 2 和 5， 因為當一個信號被衰減了 N 倍 ， 那么屏幕上縱坐標的一格所對應信號 圖 1 圖 2 DN062-01v01 今越電子制作 - 2 - 幅度就擴大了 N 倍 。 兩個開關的組合決定了整個模擬通道的總放大倍數 ， 對應的刻度范圍是 0.1V、 0.2V、 0.5V、 1V、 2V 和 5V。 SEC/DIV（ 時基 ） 該參數決定屏幕上水平方向的一格長度所代表的時間長短 。 例如 ， 如果你選的時基是 5ms， 那么就 意 味著水平方向一格代表 5ms， 假如你觀察的信號是 50Hz 的交流信號 ， 那么你會看到信號一個周期的長度是 4 格 ， 既 20ms。 V.POS（ 垂直位置 ） 該參數用于調整波形在屏幕上垂直方向的高低 ， 屏幕左側邊沿有一個小三角形 ， 它對應著 0V 電平的 位置 。 H.POS（ 水平位置 ） 該參數用于改變波形的水平位置 ， 既將波形在水平方向前后移 。 采集到的波形是有一定長度的 ， 而屏 幕上只是顯示出來它的一部分 ， 通過改變這個參數就可以觀察其他部分 。 在屏幕下方有屏幕窗口位置指示 ， 兩端豎線之間的區(qū)間代表波形區(qū)的長度 ， 內部短線代表當前顯示的部分 。 MODE（ 觸發(fā)模式 ） 這個參數用于改變示波器波形采集的模式 ， 分別可以選自動 （ AUTO） 、 常規(guī) （ NORM） 和單次 （ SING）， 有關這些觸發(fā)方式的含義和使用方法請參閱網站 （ ） 上 “ 應用文章 ” 欄目下的有關文章 。 SLOPE（ 觸發(fā)邊沿 ） 該參數用于選擇產生觸發(fā)的邊沿 。 LEVEL（ 觸發(fā)電平 ） 該參數改變觸發(fā)電平的高低 ， 其大小在屏幕右側邊沿的小三角形指示 。 OK 在示波器模式下 ， 該鍵的作用是凍結或解凍波形 ， 如果 長按此鍵 （ 按下保持 2 秒以上 ）， 則儀器切換到 頻率計模式 。 在頻率計模式下 ， 長按此鍵切換回示波器模式 。 3. 注意事項 1) 不要用該示波器直接測量市電 。 2) 輸入被測信號的峰峰值不要超過 50V。 3) 電源電壓不要超過 16V。 4. 指 標 示波器 ： l 最高實時取樣率 ： 2M 點 / 秒 ， 精度 8Bit l 模擬頻帶寬度 ： 0 – 1MHz l 垂直靈敏度 ： 10 0 mV/Div – 5V/Div ( 按 1 - 2 - 5 方式遞進 ) l 輸入阻抗 ： 1M Ω l 耦合方式 ： DC/AC l 信號電壓范圍 ： +/ - 50V l 水平時基范圍 ： 5 μ s/Div - 10m( 分鐘 )/Div ( 按 1 - 2 - 5 方式遞進 ) l 觸發(fā)方式 ： 自動 、 常規(guī)和單次 l 觸發(fā)邊沿 ： 上升 / 下降 頻率計 ： l 頻率測量范圍 ： 10MHz l 周期測量范圍 ： 100 秒 l 靈敏度 ： 3V （ 峰值 ） DN062-01v01 今越電子制作 - 3 - 總 體 ： l 電源電壓 ： 9 – 12V DC 或 AC l 尺寸 ： 105mm X 65mm X 25mm 5. 示波器使用練習實例 例 1 觀察測試信號 該練習的目的是熟悉耦合 、 衰減 、 倍率等開關的使用和時基 、 垂直位置 、 水平位置等參數的調節(jié)方法 。 操作步驟如下 ： 1) 將探頭 （ 紅色 ） 連接到示波器面板左上角的 500Hz 測試信號 。 2) 將衰減開關置于 1V 位置 。 3) 將耦合 開關置于 DC 位置 。 4) 按 [ V.POS ] 鍵 ， 將垂直位置指示符調整到倒數 第一格的位置 。 5) 按 [SEC/DIV] 鍵 ， 將時基設為 1ms。 6) 當將倍率開關置于 X2 的位置時 ， 你應能看到圖 3 的波形 。 7) 改變倍率開關 ， 可以看到屏幕上波形的幅度隨著 改變 。 試根據不同的倍率讀取信號幅度 。 8) 改變時基設置 ， 例如將其改為 0.5ms， 可以看到 屏幕波形的寬度發(fā)生變化 。 試讀取信號的周期 。 如果信號的邊沿不是與縱線對齊 ， 可以用改變水 平位置的方法使其對齊 ， 以便容易讀數 。 做法是 ： 按 [H.POS]， 然后用 [ + ] 和 [ - ] 調節(jié) 。 9) 將耦合開關打到 AC 位置 ， 可以看到波形下移 ， 垂直位置指示標記位于波形幅度的中間 ， 屏幕看 到的是純交流信號 。 例 2 觀察鋸齒波信號 該練習的目的是了解觸發(fā)的用法 。 圖 4 是一個鋸齒波產 生電路 （ 對于購買套件的客戶該電路的元件是免費附送的 ）， 它接上 10V 以上電源就可以產生鋸齒波 。 練習操作步驟 ： 1) 按圖 4 連接電路 ， 按圖接上電源和示波器 。 2) 將示波器的耦合開關置于 DC， 衰減開關置于 1V， 倍率開關置于 X2， 將垂直位置調到倒數第一格的 位置 ， 將時基選為 0.1ms。 3) 接通電源 ， 示波器屏幕上應看到類似于圖 5 的波 形 。 4) 將觸發(fā)模式選為 自動 （ AUTO）， 調節(jié)觸發(fā)電平 ， 將可以發(fā)現 ： 當觸發(fā)電平與信號波形相交時 ， 顯 示波形穩(wěn)定 ； 當不相交時 ， 顯示的波形會移動 。 可 見 ， 觸發(fā)可以幫助我們穩(wěn)定波形 ， 進行有效觀察 。 5) 將觸發(fā)模式選為常規(guī) （ NORM）， 調節(jié)觸發(fā)電平 ， 將可以發(fā)現 ： 當觸發(fā)電平與信號波形不相交時 （ 無 觸發(fā) ）， 屏幕上的波形不會更新 ； 當觸發(fā)電平與信 號波形相交時 （ 有觸發(fā) ）， 波形更新 ， 也就是說只 有在有觸發(fā)時示波器才進行信號采集 。 6) 按一下 [OK]， 屏幕右上角顯示 “ HOLD” ， 這是屏 幕上的波形已凍結 ， 可以調節(jié)水平位置將其前后移 動觀察屏幕之外的波形 。 再按一下 [OK]示 波器恢 復到正常工作狀態(tài) 。 圖 4 圖 3 圖 5 DN062-01v01 今越電子制作 - 4 - 6. 頻率計使用 將耦合開關置于 “ F . Meter” 位置 ， 并按住 [OK]鍵 1 秒以上 ， 儀器即切換到頻率計狀態(tài) ， 這時屏幕顯 示信號的頻率和周期 。 當需要回到示波器狀態(tài)時 ， 再長按 [OK]鍵即可 。 哈爾濱工業(yè)大學2003年本科生科技創(chuàng)新活動獲獎作品選編 數字存儲示波器設計制作報告 孫吉吉 孫士友 周洪亮 （控制科學系0004101） 指導教師：蔡惟錚 1．立項依據 1.1.1課題研究的目的、意義： （1）課題研究的目的： ① 通過課題的研究進一步鞏固所學的知識，同時學習課程以外的知識，培養(yǎng)綜合應用知識的能力。 ② 鍛煉動手能力與實際工作能力，將所學的理論與實踐結合起來。 ③ 培養(yǎng)團隊精神，加強協(xié)作能力，增進同學間的友誼。 ④ 盡力研究出預期成果，如有可能的話申報相關的知識產權，并使成果產業(yè)化。 （2）課題研究的意義： ① 研究過程本身可以使參與者得到極大的鍛煉，為將來參加實際工作做好準備。 ② 研究的預期成果可以彌補現有示波器的不足，如能實現產業(yè)化，將在低檔型方面有較大市場。 1.1.2現狀分析： 示波器在電子、電氣、控制等領域應用十分廣泛。隨著計算機技術的發(fā)展，數字示波器已經實現與計算機互聯(lián)、共享數據，但市場現有的示波器也有諸多不足，如價格昂貴、體積重量偏大、攜帶不方便等，而齊全的功能在很多的場合并不一定能夠得到充分的應用。 本課題所研究的可存儲虛擬示波器定位為低檔型，即在性能上只需滿足大多場合的基本應用，努力實現小型化，價格盡可能低廉，這樣在財力有限的小用戶（電子愛好者、小型企業(yè)）中能夠普及，在大用戶的使用中發(fā)揮便攜性強的優(yōu)勢，與高檔示波器配合使用，互相取長補短。 2．課題研究的主要內容及實施方案 2.1.1課題研究的主要內容： 本課題研究的主要內容是如何建立一套可存儲虛擬示波器系統(tǒng)，其具體組成為： ① 硬件系統(tǒng)： 硬件系統(tǒng)由計算機硬件系統(tǒng)和外部硬件系統(tǒng)組成。這里主要研究外部硬件系統(tǒng)，其主要目標是實現數據采集、AD轉換、數據緩沖及壓縮、數據存儲、向計算機系統(tǒng)傳輸。 ② 軟件系統(tǒng)： 軟件系統(tǒng)的主要任務是通過計算機硬件系統(tǒng)讀取由外部硬件設備傳輸來的數據，進行解壓、變換、排除干擾信號、將波形顯示在顯示器上，并進行波形的存儲、打印與分析。 在實現以上基本功能的前提下，還可以進行進一步的擴展國，如硬件系統(tǒng)性能的擔高、成本的降低、體積重量的減小、接口的擴展；軟件系統(tǒng)功能的完善、用戶界面的改進、數據的格式化、網絡化，最終目標是產業(yè)化。 2.1.2實施方案： 本系統(tǒng)實施方案如下頁圖一所示： 2.1.3工作條件： 信號源、單片機編程器、普通數字示波器、帶RS－232串口的計算機系統(tǒng)。 模數轉換 數據處理 計算機系統(tǒng)　 波形顯示、存儲、后期處理 模數轉換 輸入信號 直接傳輸方式 存儲方式 圖一：實施方案示意圖 隨著工作的進展對實驗條件的要求可能會有所變化。 3．問題的分析與幾種主要實施方案的討論 3.1.1問題的分析 本課題的主要問題在于模擬信號向數字信號的轉換。為了測試高頻模擬信號，必須采用高速的模數轉換技術。采樣定理指出，要不失真地復現輸入信號，采樣頻率必須大于等于輸入信號頻率上限的二倍，但在實際工作中，要得到較理想的輸入信號的波形，在輸入信號的每個周期必須采十個以上的數據點。這樣繪制出的波形圖才能比較準確地反映輸入信號的特征。因此，高速采樣及模數轉換技術成為本課題的主要重難點。 3.1.2幾種方案的討論 在本課題的研究過程中，我們提出了以下的方案以解決該問題。 （1） 直接AD采樣 該方案采用市售高速AD轉換芯片，直接對輸入信號進行采樣、轉換，然后存儲在單片機或RAM中。 該方案的主要優(yōu)點是軟硬件設計簡單，且有很多現成的資料可以參考。缺點在于速度與價格難以兼顧，市售高速AD轉換芯片的價格與速度基本成指數關系，而且有很多高速AD轉換芯片難于購買。因此，以較低的價格只能得到較低的性能。另一方面，從科技創(chuàng)新本身來說，本方案的技術已經相當成熟，真正創(chuàng)新的內容不多。 （2）取樣示波器方案 所謂取樣示波器，就是在一個周期信號的不同周期采樣，從而獲得周期信號的信息。 如圖二所示：對于輸入信號，設其周期為T，如果能夠準確地得到其T/n的時間，那么就可以每隔時間采樣一次，采n個數據點，實際上與在一個周期內采n個數據點是等價的。 此外，如果將逐次比較AD轉換的各次比較過程分在各個不同的周期，但都對應相同的相位，從理論上來說于在一個周期內采樣是等價的，而每次比較的時間總比完整的轉換時間短的多，因此分周期逐次比較可以對頻率更高的輸入信號進行采樣。 圖二A：直接采樣方案示意圖 圖二B：隔周期采樣方案示意圖 該方案的主要優(yōu)點是可以采集很高頻率的周期性輸入信號。但該方案的難點也是很明顯的：如何準確獲取T/n的時間。 在本課題的研究過程中，我們曾嘗試用集成鎖相環(huán)CC4046來實現此功能，通過計數器與CC4046可以實現對經過整形的輸入信號2101分頻，再21倍頻，實質上就是鎖定輸入信號周期的的時間。但發(fā)現在倍頻時CC4046很難鎖定，幾乎得不到穩(wěn)定的輸出波形。因此該方案最終被放棄。 事實上，該方案還是有前景的?？梢钥紤]使用稍高檔的集成鎖相環(huán)，可能可以解決失鎖的問題，另外，如果采用數字鎖相環(huán)，或者用單片機結合PLD，可以實現數字鎖相，從而得到更精確更穩(wěn)定的取樣控制脈沖信號。 （3）電壓比較方案 以上兩個方案都是通過在特定的時刻對輸入信號采樣而得到輸入信號的信息。但由于輸入信號是模擬量，就必須進行AD轉換，而AD轉換的速度限制了整個采樣及轉換過程的速度的提高。與之相比，使用高頻時鐘（74LS系列的計數器理論最高時鐘頻率都可達到數十MHz）和多位計數器計時，可以非常容易地把時間變?yōu)閿底至?。該方案避開AD轉換，而通過DA轉換輸出一個參考電壓，將輸入信號與參考電壓進行比較，記錄比較器輸出翻轉的時刻，這一時刻可以認為是輸入信號與參考電壓相同的時刻，而且可直接從計數器中讀出該時刻對應的數字量；對于周期信號，與方案（2）中類似，在不同的周期中采樣，可以采集非常頻率高的周期信號。 圖三：電平比較方案示意圖 該方案的主要難點是比較器上的干擾如何抑制。在實驗中，發(fā)現比較器的輸入端干擾非常大，這與我們的實驗條件有一定關系。最終還是沒能克服這個問題而放棄了該方案。 （4）頻域分析方案 該方案原理類似于頻譜儀。對于周期輸入信號，分析其各次諧波分量的幅值與幅角，就可以求出其波形。由于常用的周期信號高頻分量衰減得都很快，因此只用分析幾次諧波就可以得到較精確的結果。 此方案的難點在于本級振蕩中的頻率合成，以及各次諧波的幅角的測量。由于我們沒有學過相關的知識，因此未采用此方案。 綜上所述，四種方案各有優(yōu)缺點。其中前三種方案我們都曾嘗試過。由于時間、實驗條件等諸多原因，最終我們采用了方案（1）。 4．本數字存儲示波器系統(tǒng)概述 本數字存儲示波器系統(tǒng)。有兩種工作狀態(tài)：實時采集、存儲輸入。實時采集方式適用于輸入信號頻率較低（<100Hz）的情況。工作在該方式時，輸入信號經過AD轉換，對應的數字量傳入單片機，然后立即通過串行線傳輸到計算機中。存儲輸入方式則是用于輸入頻率信號較高（100Hz~50kHz）的情況。工作在該方式時，采用DMA（直接存儲器訪問）技術，輸入信號經過AD轉換，對應數字量直接寫入RAM中。轉換完畢后，再通過串行線將RAM中的數據傳輸到計算機中。采集過程與傳輸過程可以分別進行，采集過程不需要計算機參與，只要不掉電，波形數據可以存儲任意長時間。 本數字存儲示波器系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。其中硬件系統(tǒng)實現輸入信號的放大/衰減、AD轉換、DMA控制等；軟件系統(tǒng)又分為單片機軟件與計算機軟件兩部分。單片機軟件系統(tǒng)控制硬件系統(tǒng)以及串行數據的傳輸等；計算機軟件處理數據，以實現繪制、打印波形、頻譜分析等功能。 5．硬件系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)由以下幾部分組成： （1）CPU及其外圍設備 本系統(tǒng)CPU采用Atmel AT89C52單片機，其外圍設備包括RAM62256、串行傳輸電平變換芯片MAX232 以及CPU時鐘、鍵盤等。 （2）AD轉換、DMA控制電路 這部分電路是本系統(tǒng)的核心部分，負責數據的采集和存儲，同時根據兩種不同的工作方式采用不同的邏輯。當用戶指定工作方式后，CPU會給出相應的控制信號，這部分電路根據給出的信號控制各芯片的片選、鎖存等。具體地說，CPU的P1.2與P1.4端提供AD的控制信號。具體邏輯如表一： 表一：AD及DMA控制電路譯碼真值表 P1.2 P1.4 AD工作狀態(tài) 緩沖器1片選 緩沖器2片選 62256WR來源 AD時鐘來源 AD片選 0 0 存儲輸入 1 0 AD 時序發(fā)生器 0 0 1 初始測偏移電壓 0 1 CPU 時序發(fā)生器 0 1 0 實時采集 0 1 CPU CPU-P1.3 0 1 1 不工作 0 1 CPU —— 1 說明: [1]緩沖器1指CPU P0與62256低位地址線間的鎖存器74HC573，緩沖器2指地址發(fā)生器與62256地址線間的緩沖器。 [2]實時采集時AD的控制信號由CPU P1.3端提供。 [3]以上三個片選均為低有效。 本系統(tǒng)采用AD公司的高速AD轉換芯片AD7820，原廠資料中該芯片的轉換時間為2μs，有兩種工作模式。其中直通工作模式最簡單，而且適合本系統(tǒng)工作要求，因此采用這種工作模式。 如圖三所示，工作在直通模式時，AD7820的RD端接低電平，MODE端接高電平。WR端為高電平時，輸出保持不變，INT保持低電平；當WR變?yōu)榈碗娖胶螅珹D轉換啟動，同時INT變?yōu)楦唠娖?。WR低電平應保持twr=(600ns-50μs)；當WR再次變?yōu)楦唠娖胶?，AD轉換的結果經輸出緩沖器輸出并鎖存，同時INT變?yōu)榈碗娖?。從WR的上升沿到AD輸出有效數字的時間為tint=700ns（典型值）,兩次轉換間隔時間為tp=600ns（最小值）。 圖四：AD7820工作時序圖（摘自AD公司原廠資料） 本系統(tǒng)工作在DMA方式時，采用6Mhz振蕩器，經16分頻后得到周期為2.67μs、占空比為50%的方波，將其接至AD7820的WR端，則可滿足上述時序的要求。工作在實時采集方式時，則由CPU P1.3端提供WR信號。 本系統(tǒng)工作在DMA方式時，62256 WR端接AD7820 INT端，則每次采樣完畢后，AD7820直接向62256寫入數據。 其他控制時序和控制邏輯較簡單，用一片譯碼器74LS138和一片數據選擇器74LS253按表一中的邏輯聯(lián)接即可。 （3）時鐘及地址發(fā)生器 本系統(tǒng)地址發(fā)生器由四片四位計數器74LS161級連而成，最低位計數器的時鐘接AD7820 INT端（附加兩個非門延時），這樣AD每完成一次轉換就向62256內寫入一次數據，啟動下一次轉換的同時將地址計數器輸出增一。四片74LS161共有16根輸出線，其中低十五位通過緩沖器（表一中緩沖器2）接至62256地址線，最高位經反相后接CPU INT0端。當計滿15位向第16位進位時，觸發(fā)CPU中斷0，CPU響應中斷后即停止DMA控制器的工作，系統(tǒng)即完成一輪AD轉換及向62256種存儲數據的過程。 本系統(tǒng)的時鐘發(fā)生器及前面所述的6Mhz振蕩器及16分頻電路。振蕩器由石英晶體振蕩器及非門等構成，16分頻采用計數器74LS161。這部分電路比較簡單，不再贅述。 6．軟件簡介： 本軟件主要完成數字示波器的數據后期處理工作； 　　開發(fā)環(huán)境：Visual C++ 6.0 適用平臺：Windows 9X/Me/2000/XP 可執(zhí)行文件大小：2.26MB 附加文件：mfc42.dll, MSCOMM32.OCX, msvcrt.dll 　 主要功能如下： 6.1.1串行數據接收: 采用VC附帶ActiveX控件Microsoft Communications Control, version 6.0實現串口數據的接收； 如果內存允許，采集點數不限；因此，本軟件也滿足過程控制中大容量數據采集及圖形處理的需要；　　　　 6.1.2數字濾波： 采用多項式光滑不等距插值，本方法是制定n個不等距節(jié)點xi(i=0,1,-------,n-1)上的函數值yi=f(xi)及精度要求，利用阿克瑪(Akima)方法，計算指定子區(qū)間上的三次插值多項式與指定插值點上的函數值； 函數的調用格式為： GetValueAkima(int n, double x[], double y[], double t, double s[], int k /*= -1*/) 6.1.3圖像處理： （1）波形圖： 完成采集波形的繪制，支持各種動態(tài)操作，包括：圖像的整體放大，整體縮小，還原初始最佳大小，移動，X向放大、縮小，Y向放大、縮??； 支持各種編輯操作，包括：圖像數據的存儲(存儲成 .sun文件 )，波形圖、頻譜圖的打印，波形圖、頻譜圖的拷貝（可在Word等編輯軟件中粘貼）； 支持波形圖相及示波屏幕的視覺效果調整，包括：波形圖、頻譜圖曲線顏色的任意調整條，線條寬度的調整，示波屏幕全屏化，背景模式的調整； 支持波形圖處理數據量的動態(tài)調整：以克服圖像失真，及圖形處理速度慢等問題； 支持任意點電壓值，時間值；兩點之間電壓差，時間差的動態(tài)讀??； 支持采集數據的十六進制，十進制現實，支持數據的拷貝（可轉移到Excel等數據處理軟件中處理）； （2）頻譜圖： 采用離散Foriour變換，繪制周期圖像的離散譜，非周期圖像的連續(xù)譜，并給出相應頻譜信息： 對于以上功能，提供方波，正弦波，隨機波，單位階躍響應四組測試數據模擬采集數據，供使用者練習，以熟悉本軟件； 提供使用說明，供使用者參考; 6.1.4軟件界面效果如下： （1） 主界面： 圖五：軟件主界面（非實際大小，下同） （2）波形圖界面： 圖六：波形顯示界面 （3）波形圖示數面板界面： 圖七：波形讀數面板界面 （4）頻譜圖界面： 圖八：頻譜圖顯示界面 7. 測試結果 測試方法：以信號源的輸出作為本系統(tǒng)的輸入，分別測試本系統(tǒng)在兩種不同工作方式時對應各種頻率、各種形式的輸入信號的輸出如下： 7.1.1存儲輸入方式： （1）1kHz正弦波輸入1，原圖如下： 圖九：1kHz正弦波波形（原圖）（1） （2）1kHz正弦波輸入2，原圖如下： 圖十：1kHz正弦波波形（原圖）（2） （3）2kHz方波輸入信號，原圖經局部放大后如下： 圖十一：2kHz方波波形（局部放大圖） （4）45kHz正弦波輸入信號，原圖經局部放大后如下： 圖十二：45kHz正弦波輸入信號（局部放大圖） （5）60kHz鋸齒波輸入信號，原圖經局部放大后如下： 圖十三：60kHz鋸齒波波形（局部放大圖） 7.1.2實時采集方式： （1）0.7Hz調節(jié)占空比后的正弦波，原圖如下： 圖十四：0.7Hz調節(jié)占空比后的正弦波（原圖） （2）5Hz正弦波輸入信號，原圖如下 圖十五：5Hz正弦波波形（原圖） （3）60Hz方波輸入信號，原圖經過局部放大如下： 圖十六：60Hz方波（局部放大圖） （4）100Hz正弦波輸入信號，原圖經過局部放大如下： 圖十七：100Hz正弦波（局部放大圖） （5）100Hz方波輸入信號，原圖經過局部放大如下： 圖十八：100Hz方波（局部放大圖） （6）200Hz正弦波輸入信號，原圖經過局部放大如下： 圖十九：200Hz正弦波（局部放大圖） 7.1.3關于測試結果的討論： 從以上各圖中可以看出： （1）不論工作在那種方式時，當輸入信號頻率相對較高時，顯示出的波形將很密集而難于觀察，因此部分波形經過了局部放大以便于觀察。 （2） 實時采集方式得到的波形明顯好于存儲輸入方式。這一方面是因為工作在實時采集方式時AD工作頻率較低，采集的數據比較可靠；另一方面因為工作在實施采集方式時，所得數據立即經單片機傳入計算機中，而工作在存儲輸入方式時，數據要先向62256中存儲，經過步驟較多，而由實驗條件所限，數據總線和地址總線上必然有諸多干擾，因此會影響存儲的波形數據。 （3） 注意圖九、圖十中的箭頭所指處，在實驗中觀察到每次工作在存儲方式時此處都有相同的尖峰。觀察實驗數據，發(fā)現每組數據中都有一段固定的地址（00F0H~00FFH）對應的數據始終為常值（為我們以前所做的實驗中向里寫入的有規(guī)律的數據），不隨輸入信號而改變，反映在波形上正是圖九、圖十中的尖峰。由于在32k數據中只有這16個始終不正常，因此我們認為是62256對應存儲單元損壞，使新的數據不能寫入所致。 （4） 根據以上分析，我們認為如果能夠制作出成品PCB板，可能可以抑制總線上的干擾，效果應該會有所改善。另一方面，在軟件中我們采用了插值算法，使得繪制出的曲線比較光滑。但是如果有個別數據點出現干擾，反映在圖形上就會有一個很明顯的尖峰。如圖十二中的兩處箭頭所指出的，如果此處數據點在╳處，那么波形就很光滑，因此可以認為這兩個點的數據是干擾數據。如果在改進軟件中的數字濾波算法，濾掉數據中的高頻干擾，效果應該也會有所改善。 8. 心得體會 我們在2002年十月份申報科技創(chuàng)新并得到批準，于是著手做這臺虛擬存儲示波器。在這近一年的時間中，我們三人在只有一些理論知識，沒有什么工作經驗的基礎上，借鑒前人的經驗，自己摸索，做了各種各樣的實驗，到現在已經基本完成。現在回顧以前的工作，有很多的感觸。 在動手工作之前，我們的知識面較窄，為了做好這個工作，必須去查資料，我們翻閱圖書館的大量藏書和許多期刊，找尋各種元件的不同用法，這極大地拓展了我們的視野，為我們以后的工作打下了一點基礎。 我們?yōu)榱俗鲞@個工作想了很多的方法，也做了很多的實驗，雖然各種創(chuàng)新的方案因為各種原因都失敗了，但我們的思維大大的活躍了。我們相信，我們的很多方案時有可取之處的，如果實驗條件較好，時間較充裕，可能有些方案可以實現。為此，我們還要繼續(xù)努力，爭取在目前成品的基礎上進一步改進，進一步嘗試各種方案。 101 DN062-02v02 今越電子制作 - 1 - Tel. 15078386021 上點錫 焊上一端 一端焊好了 焊另一端 元件焊好了 示波器套件裝配說明 適用型號 ： 06201 本說明以本站提供的 109-06200-00B 電路板為例 ， 對于自己做的電路板也可以作為參考 。 1. 需要工具 裝配該示波器需要的工具并無什么特別 ， 但如果你原來沒有焊接過貼片元件 ， 那么你可能要稍微準備 一下 。 下面這幾樣東西你是應該有的 ： 1) 比較尖的電烙鐵 （ 尖頭半徑 0.5mm 左右 ）， 功率不用很大 ， 20W 就可以了 ， 例如廣州黃花出的 TLN-20 NO.420。 2) 較細的焊錫絲 ， 用 0.3mm 的較好 ， 0.5mm 也行 ， 但不如 0.3mm 的 ， 不 要用 1mm 的 。 3) 吸錫用的編織帶 ， 當相鄰兩引腳被錫短路時 ， 常用它清除 。 4) 不銹鋼鑷子 ， 因為貼片元件很輕 ， 鑷子不能有磁性 。 5) 一片用于清潔烙鐵頭的海綿 6) 放大鏡 ， 由于該示波器的元件并不十分小 ， 所以一般不需要 ， 但如果有沒有壞處 。 2. 貼片元件手工焊接要領 說到貼片元件的焊接 ， 有些朋友可能以為會比較困難 ， 實際相當容易 ， 沒有經驗的朋友稍加練習很快 就可以掌握 。 而一旦掌握后你會不喜歡用引腳元件的 ， 因為就焊和拆來說 ， 貼片元件容易多了 ， 何況還有 其他顯著的好處 。 該示波器用到的貼片元件分為兩類 ， 一是電阻電容 ， 另一類是集成電路 ， 它們的焊 法說明如下 。 電阻電容的焊法 先在一個焊盤上上一點錫 ， 左手用鑷子夾住元件 ， 右手用烙鐵將元件焊在焊盤上 ， 焊接是盡量使元件 平整 。 焊好一端元件就不會動了 ， 另一端可以等所有同類元件焊完后統(tǒng)一焊好 。（ 見圖 1） 集成電路的焊法 1) 先在電路板集成電路位置角上的一個焊盤上點錫 。 2) 將集成電路元件引腳與焊盤對齊 （ 這一點非常重要 ?。?注意極性方向 。 3) 將剛才有錫的那個焊盤焊好 ， 這時元件已不會隨便移動 ， 但仍非常不牢固 ， 要小心不要觸碰它 ， 緊接著進行下一步 。 4) 用細錫絲和烙鐵將對角線上另一角的一個焊盤焊好 ， 這樣集成電路已完全固 定 。 一邊用左手按住 IC， 一邊用烙鐵將兩個已焊接的腳再焊一下 ， 使 IC 盡量貼近電路板 。 5) 最后用細錫絲和烙鐵將其余引腳逐個焊好 。 該示波器所用的 IC 除核心處理器外其余都是 1.27mm 的引腳 ， 比較容易焊 。 而處理器 （ ATmega64） 的引腳間距是 0.8mm， 稍密 ， 但細心一點也不難焊 。 如果你是買套件的話該芯片是預先焊好的 。 3. 裝配調試步驟 焊接裝配時 ， 先焊接裝配示波器的背面 ， 即有很多元件的一面 。 等背面裝配完成后再安裝正面的開關 、 LCD 屏等零件 。 圖 2 是示波器背面的零件位置圖 ， 其中圈出的零件不用安裝 。 裝配時零件的焊接按 “ 從低到高 ” 的順 圖 1 DN062-02v02 今越電子制作 - 2 - Tel. 15078386021 序進行 ， 避免高元件妨礙低元件的焊接 ， 最后焊引腳元件 。 具體順序如下 ： 1) 焊接貼片的電阻 、 電容 、 三極管 、 二極管等 。 焊接時按上面所說的方法 ， 先統(tǒng)一將所有元件的一 個焊盤上錫 ， 然后將貼片分立零件按上面說的方法先焊上一端 ， 等全部焊完后再統(tǒng)一把另一端焊 好 。 注意 ： 焊接時要特別留意 D1 和 D7 的極性 ， 不要焊錯 ！ D1 的正極靠近 C12， 而 D7 的正極靠近 L2。（ 參見零件位置圖 ） 2) 焊接貼片的集成電路 ， 請注意極性 。 3) 焊接帶引線的二極管 、 三端穩(wěn)壓集成塊和晶體 ， 三端穩(wěn)壓焊好后用螺絲上緊在電路版上 。 4) 焊接所有帶引線的元件 ， 所 有電解電容方形焊盤對應的是正極 。 注意 ， 由于設計錯誤電路板 上 C14 的極性標記是反的 ， 焊接時要反過來 。 5) 焊接電源插座和蓮花插座 。 全部焊完后 ， 將引腳元件過長的腳剪掉 ， 剪時要盡量剪貼一些 ， 因為安裝 LCD 屏的地方只有很小的空 間 。 然后仔細檢查是否有虛焊 、 假焊 、 漏焊 ， 如果一切無誤則可以初步通電試驗 。 6) 初步通電試驗 。 先不要連接 JP1， 接上電源 ， 看 5V 指示的 LED 是否亮 。 如果不亮則要查找原 因 ， 如果亮則用萬用表測量標有 “ +5V” 的測試點 ， 看電壓是否為 +5V， 如果不是則要找出原因 ， 如果正常則繼續(xù)下面的裝配 。 7) 焊接示波器正面 的按鍵和開關 ， 這只要對著位置安裝就行了 ， 按鍵要焊得盡量平整一些 。 8) 安裝 LCD 顯示屏 。 安裝 LCD 屏的第一步是先將連接用的排針焊在 LCD 模塊上 （ 見 圖 3 和 圖 4）， 注意 20 位的長排針要焊在有引腳 信 號 標記的那一排孔 ， 另兩只兩位的排針分別焊在另一排孔的 圖 2 圖 3 圖 4 DN062-02v02 今越電子制作 - 3 - Tel. 15078386021 兩端 ， 焊接時注意要使排針與 LCD 模塊的電路板垂直 。 第二步是把 LCD 模塊 焊到示波器的電路 板上 ， 將 LCD 模塊插到電路板上 后先焊四角的針 ， 然 后檢查整個 LCD 屏是否平整 ， 如果不平整則將其整平 。 第三步將其余的針一一焊好 。 9) 用元件剪下來的引線做一小環(huán) ， 焊在示波器正面左上角 標有 “ 500Hz/5Vpp” 的兩個孔上 ， 這是測試信號的輸 出 。 10) 最后在 R28 靠近 R26 的一端與 J5 的 16 腳之間補焊一 條線 ， 如圖 5 所示 。 至此焊接工作以全部完成 ， 將示波器背面的 JP1 用一小段引 線焊上 ， 通電 ， 看示波器是否正常啟動 ， 如果不正常則仔細檢查 焊接 ， 如果正常則可以投入使用了 。 4. 故障處理 1) 當發(fā)現示波器不能正常工作時 ， 首先檢查電源 ， 檢查的順序依次是 VRAW+、 +5V、 AV+和 AV-， 用萬用表分別測量這些電壓的測試點 ， 看是否正常 ， 不正常則檢查相關電路 。 它們的正常范圍一 般是 ： VRAW+： +8V -- +13V AV+： +8V -- +13V AV-： -6V -- -13V 2) 如果這些電壓都正常 ， 示波器屏幕應該能正常顯示 ， 如果不能正常顯示則重點檢查顯示有關電路 焊接是否良好 ， 這主要是 LCD 屏與單片機的連接及顯示負壓產生電路 （ C26， C28， DN2， R27 和 R29）。 3) 如果顯示正常 ， 則看看按鍵能否正常操作 ， 該部分電路較簡單 ， 如果不正常一般是焊接的問題 。 按鍵能正常操作則說明示波器的數字部分已完全正常工作 。 4) 如果無波形顯示或顯示波形不正常 ， 一般是模擬同道的問題 ， 這時重點檢查元件的焊接 ， 包括是 否接觸良好 ， 極性是否正確等 。 版 本 歷 史 版本 完 成 日期 摘 要 01 2008.08.22 初稿 02 2008.08.27 補 充 了 LCD 模 塊 焊 接 的 照 片 ； 增 加 “ 故 障 處 理 ” 的 內 容 ； 對 多 處 文 字 作 了 修 改 。 圖 5