基于51单片机 简易存储示波器的设计

基于 51单 片机简 易存 储 示波器的 设计 Dailywindy2010 07毕业设计内 容提要 绪论 总 体方案 论证 电 路 设计 （硬件 电 路 设计 ） 软 件 设计 调试与 分析 结 束 语 致 谢绪论随 着科技高速 发 展，模 拟 示波器的功能不能 满 足人们 的要求， 数 字存 储 示波器以其可以存 储 波形， 稳 定的 输 出，方便 观 察波形，操作 简单 等特点代替了模 拟示波器。本次 设计 的 简 易 数 字存 储 示波器，以 80C51为 核心，由信 号 采集、 数 据 处 理、波形 显 示，控制面板等功能模 块组 成。整 个 系 统 分成 A/D转换 部分、 D/A转换部分、波形存 储 部分、 键盘输 入控制四大部分 组 成。此存 储 示波器即具有一般示波器 实时 采 样实时显 示的功能，又可以 对 某段波形 进 行即 时 存 储 和 连续 回放显 示。 输 出波形可以在示波器 输 出 显 示。具体 设计 原理以及 过 程在下面章 节 中 详细说 明。总 体方案 论证这 次 设计 可以采用多 种 方案，下面 给 出 两种 常用的方案， 并 且 选择 出适合任 务 要求的方案： 方案一 :FPGA/CPLD或 带 有 IP核的 FPGA/CPLD方式。 方案二： 单 片机方式。方案一： FPGA/CPLD或 带 有 IP核的FPGA/CPLD方式 即用 FPGA/CPLD完成采集，存 储 ， 显 示及A/D， D/A等功能，由 IP核 实现 人机交互及信 号测量分析等功能。其 优 点在于系 统结构紧凑 ，可以实现复杂测 量 与 控制，操作方便；缺点是此方案由 纯 硬件 实现 ， 设计复杂 ，系 统庞 大， 调试过 程繁 琐 。方案二： 单 片机方式 即使用 单 片机， A/D转换 器， D/A转换 器以及存 储 器等 组 成系 统 。 对输 入信 号 用外接 触发电 路产 生 触发 信 号 ，通 过 A/D转换将 模 拟 信 号转换 成数 字信 号 ，再通 过单 片机 将数 据 锁 存至外部 RAM，然后由 单 片机控制 将数 据送至 D/A输 出。 它 的 优点是系 统规 模小，有一定的 灵 活性，但是不适宜于观 察高速信 号 或者 复杂 信 号 。单 片机方式原理框 图电 路 设计 （硬件 电 路 设计 ） 硬件 电 路存 储 控制芯片的 设计 外 围电 路 A/D模 块设计 外 围电 路 D/A模 块设计 外 围电 路 键盘输 入模 块设计 硬件 电 路存 储 控制芯片的 设计 存 储 器的位 宽 根据 A/D转换 器的位 宽来选 取，对 于 该课题选 用 8位的 RAM。而控制芯片是 选 用单 片机里的 80C51来实现对 整 个 系 统 的控制。80C51单 片机主要 组 成 80C51的引脚 80C51的 内 部 结构 80C51单 片机主要 组 成 (1) CPU系 统 ： 8位 CPU，含布尔 处 理器、 时钟电 路以及 总线 控制 逻辑 。(2) 存 储 器系 统 ： 4K字 节 的程序存 储 器（ ROMEPROM FLASH，可外 扩 至 64K）、 128字 节 的数 据存 储 器（ RAM，可再外 扩 64K）以及特殊功能寄存器 SFR。(3) I/O口和其 它 功能 单 元： 4个并 行 I/O口； 2个16位定 时 计数 器、 1个 全 双 工 异 步串行口以及中断 系 统 （ 5个 中 断 源， 2个优 先 级 ）。 80C51的引脚 本 课题 使用的是 P89V51RB2FN芯片，其 总线 引脚 图为 ： 80C51的 内 部 结构80C51单 片机由微 处 理器（含 运 算器和控制器）、存 储 器、 I/O接口以及特殊功能寄存器 SFR等构 成。80C51的微 处 理器 80C51的片 内 存 储 器 80C51的 I/O口及功能 单 元 80C51的特殊功能寄存器 (SFR) 80C51的 内 部 结构 -微 处 理器80C51单 片机的微 处 理器是一 个 8位的高性能中央 处 理器（ CPU） 它 主要由 运 算器和控制器 两部分 构 成。 它 的作用是 读 入 并 分析每 条 指令，根据各指令的功能控制 单 片机的各功能部件 执 行指定的运 算或操作。80C51的 内 部 结构 -片 内 存 储 器 80C51单 片机的片 内 存 储 器 设计 成程序存 储 器和 数 据存 储 器 两个独 立的空 间 。基本型 单 片机片 内程序存 储 器容量 为 4KB，地址范 围 是 0000H0FFFH。基本型 单 片机片 内数 据存 储 器均 为 128字 节 ，地址范 围 是 00H 7FH，存放 运 算的中 间结 果， 暂存 数 据和 数 据 缓 冲。 这 128字 节 的低 32个单 元用作工作寄存器， 32个单 元分成 4组 ，每 组 8个单 元。在 20H 2FH共 16个单 元是位 寻 址 区 ，位地址的范围 是 00H 7FH,然后是 80个单 元的通用 数 据 缓 冲区 。 增强型片 内数 据存 储 器 为 256字 节 ，地址范 围是 00H FFH,低 128字 节 的配置情 况与 基本型 单 片机相同。高 128字 节为 一般 RAM， 仅 能采用寄存器见 解 寻 址方式 访问 （而 与该 地址范 围 重 叠 的 SFR空间 采用直接 寻 址方式 访问 ）。 80C51的 内 部 结构 -I/O口及功能 单 元80C51有 4个 8位的 并 行口，即 P0 P3 它们均 为双 向口，每 个 口各有 8条 I/O线 ；一 个 全 双 工的串行口（利用 P3的 两个 引脚， P3.0和 P3.1）； 2个 16位的定 时 计数 器（增强型 单 片机有 3个 定 时 计数 器）以及一套完善的中 断 系 统 。80C51的 内 部 结构 -特殊功能寄存器(SFR) 80C51单 片机 内 部有 SP， DPTP， PCON， IE， IP等 21个 特殊功能 积储 器 单 元， 它们 同 内 部RAM的 128个 字 节 同意 编 址，地址范 围 是 80HFFH 这 些 SFR中用到了 80H FFH中 21个 字 节单 元，且 这 些 单 元是离散分布的。增强性 单 片机的SFR有 26个 字 节单 元，所增加的 5个单 元均 与 定 时 计数 器有 关 。外 围电 路 A/D模 块设计 A/D转换 器的原理 A/D转换 器的主要技 术 指 标 A/D转换 芯片的 选 取 ADC0809芯片 A/D模 块 -转换 器的原理 将连续变 化的模 拟 量 转换 成 数 字量的器件 称为 模 /数转换 器 (ADC)。按其 转换 原理 课 分 为 ：逐次逼近（比 较 ）式、双 重 积 分式、量化反 馈 式和 并 行式。 A/D模 块 -转换 器的主要技 术 指 标 1 (1) 分辨率分辨率： 数 字量 变 化的一 个 最小量 时 模 拟 信 号 的 变 化量 ,定 义为满 刻度 与 的比 值 。分辨率又 称 精度 ,通常以 数 字信 号 的位 数来 表示。 量化 间 隔用下式表示：其中 n为 A/D转换 器的位 数 。ADC通 过 把采 样电压 和 许 多 参 考 电压进 行比 较来 确定采样电压 的幅度。 构 成 ADC所用的比 较 器越多，其 电 阻 链越 长 ， ADC可以 识别 的 电压层 次也越多。 这个 特性 称为垂直分辨率，垂直分辨率越高， 则 示波器上的波形中可以看到的信 号细节 越小。A/D模 块 -转换 器的主要技 术 指 标 2(2) 水平分辨率在 数 字存 储 示波器中，水平系 统 的作用是确保 对输 入信 号 采集足 够数 量的采 样值 ， 并 且每 个 采 样值 取自正确的 时 刻， 数 字存 储 示波器的水平分辨率 与 存 储 器的存 储 深度也即是容量， 扫 描速度和采 样 率有 关 。 存 储 器用 来 存 储 A/D 转换 器 输 出的 数 据，存 储 器的容量 决 定了可以存 储 的取 样 点的 数 目。一般 认为 ，存 储 容量越大越好，但是由于存 储 容量是 随 着成本而增加的，因此需要在 两 者中作 权 衡。 通常 数 字示波器技 术 指 标 是在最大 扫 描速率下 给 出的。在 给 定 扫 描速度 时 ， 随 着存 储 容量的增加，采 样 率也增加，采 样 率越高， 则 信 号 重建的精度也越高； 当给 定采 样速率的 时 候，示波器 记录时间 的 时间长 度也 将 呈 线 性 递增， 时间长 度越 长 ， 对时间 的 观 察也就也完整和精 细 。A/D模 块 -转换 器的主要技 术 指 标 3(3) 转换 速率转换 速率是指完成一次 从 模 拟转换 到 数 字的A/D转换 所需的 时间 的倒 数 。 积 分型 A/D的 转换时间 是毫秒 级属 低速 A/D,逐次比 较 型 A/D是微秒级属 中速 A/D,全 并 行 /串 并 行型 A/D可 达 到 纳 秒 级。A/D模 块 -转换 器的主要技 术 指 标 4(4) 实时 采 样 实时 采 样 是在信 号 存在期 间对 其采 样 采 样 率必 须满 足采 样 定理。 对 于正弦信 号 而言，每 个 周期 内应该 超 过 二 个 采 样 点才能 给 出足 够 的信 号细节 ，同 时 也要考 虑实际 因素的影 响 ，按照所采用的信 号 的恢 复 方式 选 取相 应 的采 样 点 数 。 实时 采样 中， A/D 转换 器必 须 以高于最高采 样 率才能正确地工作，因此 A/D 转换 器的 转换 速率 决 定最高采 样 率。 A/D模 块 -转换 器的主要技 术 指 标 5(5) 等效 时间 取 样 要 实现 高 频 信 号 的 实时 采 样 ， A/D转换 器的 转换 速率必 须 要高，但采 样 速率高的 A/D 器件价格 较 高， 对 于周期信 号 可采用等效 时间 采 样 方法 来实现 高 频 信 号 的 实时采 样 。 等效 时间 采 样 分 为 ： 顺 序采 样 和 随 机重 复 采 样 。 顺序采 样 就是 对 每一 个 信 号 周期 仅 采 样 一 个 点，用步 进 延迟 的方法在每一 个 周期信 号 中采 样 信 号 波形的不同点， 从而 获 取整 个 波形的采 样数 据。步 进 延 迟 法：每一次采 样 比上一次采 样 点的位置延 迟 某 个时间 ，一般以 触发 信 号 作为 基准，每 触发 一次，往后延 迟 一定的 时间 。只要精确控制 从触发获 得采 样 的 时间 延 迟 ，就能 够 准确的恢 复 出原始信 号 。 对 于高 频 信 号 可以借助分 频 的方法恢 复 出原始信号 。 顺 序采 样 缺点：所有采 样 是在 触发 信 号 之后，因此不能 够 提供 触发 前的信息。采用 随 机重 复 采 样 就可以提供 触发 前的信息， 它既 可在 触发 信 号 之前采 样 ，也可在 触发信 号 之后采 样 。采 样 率 与 A/D 转换 器的 转换 速率无 关 ，与 取 样 点有 关 。A/D模 块 -转换 器的主要技 术 指 标 5处 理 过 的模 拟 信 号 需要 经过 A/D 转换 器 进行量化 编码 。通常 为 了防止 转换 期 间 信 号电压发生 变 化，在 进 行 A/D 转换 之前要加上采 样 保持 电路。 对 于 A/D转换 器 参数 的 选 取叶需要考 虑 多方面的因素， A/D转换 器的采 样频 率取 决 于待 测 信 号 的频 率范 围 ，或者 简 易示波器 对扫 描速度的要求。而 A/D 转换 器的 编码 位 数与 垂直分辨率相 关 。根据两个条 件 选择 合适的 A/D转换 器芯片。 A/D模 块 -转换 芯片的 选 取 A/D转换 器的 选 取涉及到以下几 个参数 ， A/D转换 器的位 宽 ， A/D转换 器 转换 速率。根据要求，应该 根据垂直分辨率 来选 取位 宽 ，根据 扫 描速度选 采 样 速率。 垂直分辨率 为 32级 /div，垂直刻度 为 8div，那 么 ，要求信 号 的量化 级数 :N =328= 256 (式 3.5)因此可以采用 8位的 A/D，垂直分辨率 为 8位，用百分 数 表示 为 1/2564%。在本次 设计 中，在 进行模 拟 信 号 的采 样 以及 数 字量化 时 ， 选 用的是ADC0809 A/D模 块 -ADC0809芯片 1 ADC0809是 带 有 8位 A/D转换 器、 8路多路 开关 以及微 处 理机兼容的控制 逻辑 的 CMOS组 件。它 是逐次逼近式 A/D转换 器，可以和 单 片机直接接口。ADC0809主要性能 为 ：(1) 分辨率 为 8位。(2) 精度： ADC0809小于 1LSB。(3) 单 +5V供 电 ，模 拟输 入 电压 范 围为 0+5V。(4) 具有 锁 存控制的 8路 输 入模 拟开关 。(5) 可 锁 存三 态输 出， 输 出 与 TTL电 平兼容。(6) 功耗 为 15mW。(7) 不必 进 行零点和 满 度 调 整。转换 速度取 决与 芯片外接的 时钟频 率。 时钟频 率范 围 ： 101280kHz。 A/D模 块 -ADC0809芯片 2ADC0809主要由四部分 组 成：一 个 8路模 拟开关 、一 个 地址 锁 存 与译码 器、一 个A/D转换 器和一 个 三 态输 出 锁 存器 组 成。多路 开关 可 选 通 8个 模 拟 通道，允 许 8路模 拟 量分 时输 入，共用 A/D转换 器 进 行 转换 。三 态输 出 锁 器用于锁 存 A/D转换 完的