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1、武汉工程大学邮电与信息工程学院武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）毕业设计（论文）数字示波器的设计数字示波器的设计The design of the digital oscilloscope学生姓名 陈雄壮陈雄壮 学 号 6130030304 专业班级 电子信息工程电子信息工程 1103 班班指导教师 来婷来婷 2015 年年 5 月月作者声明作者声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注的地方外，没有任何剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范的行为，也没有侵犯任何其他人或组织的科研成果及专利。与我一同工作的同志对本研究所做的任

2、何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。毕业设计（论文）成果归武汉工程大学邮电与信息工程学院所有。特此声明。 作者专业： 作者学号： 作者签名： _年_月_日摘摘 要要数字存储示波器是随着数字集成电路技术的发展而出现的新型智能化示波器，已经成为电子测量领域的基础测试仪器。其技术基础是数据采集，该技术可以应用于更广泛的数据采集产品中，具有深远的意义。 本文介绍了数字存储示波器的基本概念及原理，描述设计了一个简易的基于单片机的数字存储示波器的硬件和软件的实现过程，并通过调试实现了其功能和主要技术指标。 其硬件部分主要由单片机系统、输入调理电路

3、、ADC 转换器、存储器、按键和液晶显示组成。实现过程是以 AT89S52 单片机为控制中心、62256 为存储器，通过模数转换器，实时采样实现对输入信号的提取，并进行数字化的存储，显示及相应的按键功能。 软件部分由主程序和子程序模块组成，主要实现了 A/D 转换器的启动及对采样数据的存储，频率及幅值的计算，按键及液晶屏的控制。程序是在 keil uVision 的集成开发环境中用 C 语言写成，模块化的编程使得程序具有可读性和易于维护的特点。 最后，用 protel 99SE 设计并制作了数字示波器的印制电路板 PCB。并完成了样机的制作和调试。在实验室里，进行了测试，结果表明系统达到设计要

4、求。关键词：关键词：数字存储示波器，单片机，ADC 转换器，存储器，显示AbstractDigital storage oscilloscope is a digital integrated circuit technology with the emergence of a new intelligent oscilloscope, has become the basis for the field of electronic measurement test equipment. The technology is based on data collection, the techn

5、ology can be applied to a wider range of data acquisition products, has far-reaching significance. This paper introduces the digital storage oscilloscope basic concept and principle, describe the design of a simple microcontroller-based digital storage oscilloscope hardware and software implementati

6、on process, and achieved through the commissioning function and the main technical indicators. The hardware is composed of MCU system, input conditioning circuitry, ADC converter, memory, keypad and LCD display component. AT89S52 MCU implementation process is the control center, 62256 for the memory

7、, through the ADC, real-time sampling to achieve the extraction of the input signal and for digital storage, display and the corresponding key function. Software in part by the main program and subroutine modules, the main achievement of the A / D converter start and the sampling data storage, frequ

8、ency and amplitude of the calculation, the control buttons and LCD screen. Program is in keil uVision integrated development environment written using C language, modular programming makes the program readable and easy to maintain. Finally, protel 99SE digital oscilloscope designed and produced prin

9、ted circuit board PCB. And completed the prototype of the production and debugging. In the laboratory, tested, results showed the system to meet the design requirementsKey Words： Digital storage oscilloscope, MCU, ADC converter,memory,Display目目 录录第第 1 章章 绪论绪论.11.1 国内外光传输网发展现状及趋势.11.2 本论文的研究内容.1第第 2

10、章章 某地光传输网的现状及存在的问题分析某地光传输网的现状及存在的问题分析.22.1 光缆及管道现状.22.2 网络与业务负荷现状.32.2.1 核心层传输系统现状.32.2.2 汇聚层传输系统现状.4（略）第第 6 章章 总结与展望总结与展望.5参考文献参考文献.6致谢致谢.7附录附录 主要英文缩写语对照表主要英文缩写语对照表.8第第 1 章章 绪论绪论20 世纪 70 年代.数字存储示波器逐渐开始迅速的发展起来。数字存储示波器和普通模拟示波器有所不同，数字存储示波器并不是简单的将模拟信号存储在存储器上，而是首先将输入的模拟信号数字化.而后存入数字存储芯片中。由于系统内部都是数字化的。所以它

11、可以很方便的实现对信号的长期储存和对信号进行各种复杂运算的操作。例如数字存储示波器通常可以对波形进行频率.幅值.平均值.峰峰值等参数的测量和计算。数字存储示波器的出现极大的压缩了普通模拟示波器的生存空间。从今后发展的趋势来肴，数字存储示波器很有可能完全取代模拟示波器。未来的数字示波器将向液晶显示和高分辨率彩色显示的目标逐步发展，最终为用户提供良好的使用感受.本论文将采用单片机和 FPGA 高速可编程逻辑器件联合控制的方式.再加上 DA 转换芯片.FIFO 存储器和 AD 转换芯片等，利用 FDA 软件辅助设计，构建一个功能全.体积小，模块化的数字存储示波器硬件平台，提供了一种只需低成本就能够对

12、传统示波器进行数字化改造的方案。1.11.1 数字示波器发展现状及趋势数字示波器发展现状及趋势从第一台商品示波器的出现到今天，已经有六十多年的历史了，其间的发展大致分为以下几个阶段： 20 世纪 3050 年代是电子管示波器阶段。到 1958 年示波器带宽达到100MHz 后便长期停滞不前。 20 世纪 60 年代是晶体管示波器阶段。由于采用晶体管器件，示波器带宽在驻足 9 年之后突破 100MHz 达到 150MHz。 20 世纪 70 年代是集成化示波器阶段。集成电路技术为示波器的小型化和向高性能、高可靠发展创造条件。1972 年，第一台数字存储示波器诞生，它对示波器的发展产生了重大的影响

13、。 80 年代以来，数字存储示波器异军突起，成果累累，大有全面取代模拟示波器之势。现代示波器具有数字存储、数据处理、光标(游标)测量和 CRT 读出等多种功能，借助于总线能与主控电子计算机联网。这使得示波器在当今人类探索物理、化学、生物与生命现象等内在奥秘的科学研究、试验以及现场监控等领域里，不仅起着显示波形的作用，还能同时测得被测量的数值大小。比起数字频率计、数字电压表等数字化电子仪器，示波器还具备测量、显示波形、存储、比较、光标数字读出、计算、程控、接口连接等许多重要功能。现在，每个科学技术人员的试验台上几乎都必备一台测量示波器。1.21.2 本论文的研究内容本论文的研究内容(一) 数据采

14、集 数字示波器采样方式包括实时采样、等效采样。等效采样又分为随机采 样和顺序采样。 实时采样对每个采集周期的采样点按时间顺序采取，对这些采样点的数 据进行顺序表达就可以再现信号波形。根据奈奎斯特采样定理采样频率必须 至少是被测信号的 2 倍。为了避免产生混选现象，目前实时采样 DSO 的采样频率一般为带宽的 4-5 倍，同时还必须采用适当的内插算法，否则采样速率 还要更高才能达到要求。随机采样是指每个采样周期采集一定量的样点，经 过多个采样周期的样点积累，最终恢复出被测波形。顺序采样方式主要用于 数字取样示波器中，能以极低的采样速率（100-200kHz）获得极高的带宽 （50GHz）并且垂直

15、分辨率一般在 10bit 以上。由于这种示波器每个采样周期 在波形上只采一个点，每次延时 t 时间，要想采集足够多的样点，则需要更 长的时间才行。 为了在 A/D 采集速率小于 1MHz，而测量带宽达到 10MHz 的要求，本方 案采取等效采样方式进行数据采集。 (二) 控制方式 在控制方式上可以分为纯单片机控制方案、可编程序控制器方案和单片 机及可编程序控制器方案三种。纯单片机控制方案实现起来简易灵活，但难 以实现高速的波形数据采集及处理。可编程序控制器方案便于实现复杂的时 序控制逻辑，适合与对波形数据进行存储和高速采集的需求，但人机操控界 面实现起来较复杂且耗费资源。结合以上两种方案的优点

16、本设计采用单片机 和可编程序控制器相接合的方式来实现系统功能。第第 2 章章 系统的总体设计任务和方案分析系统的总体设计任务和方案分析本章主要对附加仪式的数字示波器的外部特性进行分析,描述示波器的主要功能以及示波器的输入和输出:阐述实际示波器功能的基本原理.基本框图.2.12.1 系统功能的定义和描述系统功能的定义和描述附加仪式数字示波器是通过模数转换和数字取样工作的数字化示波器.数字示波器的基本原理图如图 2.1 所示。图图 2.2.1 1 数字示波器的基本原理图数字示波器的基本原理图从图中看输入的为被测信号，输出为 X，Y 分别作用于通用示波器的水平和垂直方向，键盘和显示器用于人机接口，显

17、示部分借用于普通示波器的显示系统。设计要求1 等效采样分析 等效采样速率200MSa/s，即：（2.1）表表 2.2.1 1 某地传输网光缆状况统计表某地传输网光缆状况统计表 （单位：（单位：km）光缆芯数光缆芯数直埋直埋架空架空管道管道总计总计813.613.61256.856.816586.565.8652.32498.698.636467.478.9546.34037.837.84845.845.87合计1306.665.878.91451.5依据 ITU-T 建议 G.957 的最坏值计算法2，光功率的计算为 （2.1）0)()()(miagP（下文略）2.22.2 网络与业务负荷现状

18、网络与业务负荷现状2.2.1 核心层传输系统现状核心层传输系统现状某地传输网络，由核心层、汇聚层和接入层三部分组成。核心层由两端 2.5G设备组成，用于 VC4 及 VC4 级别以上业务的调度。汇聚层中，环 B 为 2.5G 两纤复用段保护环，主要承载 B-2、B-3、B-4 至核心节点 B-1、B-5 BSC 间的电路，为本地汇聚系统；环 C 为 622M 两纤复用段保护环，主要承载城区各 BTS 至核心节点 C-1 BSC 间的电路，为本地汇聚系统。该网络就充分体现了集中汇聚型业务的特点。接入层以 155M 设备为主，接入层的电路业务全部进行集中汇聚到中心业务站点，这样可以较为方便的实现网

19、络业务的及时开通和拓展。其中 A-1、B-1 和 C-1 在一个机房，A-2 和 B-5 在一个机房，按照分层的概念把上述网络分为三个层次进行分析：1网络资源利用率网络资源利用率A-1 到 A-2 之间系统最大容量可满足两节点间开通 16STM-1，目前己开通6 个 632M 电路，系统资源占用率 37.5%,冗余度 62.5%。（1）汇聚层节点的选择。一般依据地理区域的分布或行政区域的划分将本地传输网分为若干个汇聚区，选择一些机房条件好、业务发展潜力大、可辐射其他节点的站点设置汇聚点。建议以县（包括县级市）为汇聚区，在县辖区内选择重点镇作为汇聚点；（2）汇聚环上节点数量的调整，节点数不宜太多

20、，一般为 46 个；（3）汇聚层可以采用 2 纤或 4 纤的复用段保护环或通道保护环，传输速率建议为 2.5Gbit/s 或 10Gbit/s。对于平均分配的业务，可以采用 2 纤或 4 纤的复用段保护环。如果有汇聚型的业务，则 2 纤通道保护环在业务配置和调度、保护倒换等方面都比复用段保护环简单和容易，更适合在汇聚型的业务中使用13。2网络存在的问题网络存在的问题核心层所承载的电路主要是 MSC,BSC 间的电路，现已开通 378 个 2M 电路。从系统承载的电路类型看，对系统安全性的要求极高，从系统的保护方式及冗余度看，日前网络的安全性处于优良状态，但是，由于所承载电路的重要性，仍要考虑在

21、其他层面提供本系统的备份路由，以更好的保证所承载电路的安全性。2.2.2 汇聚层传输系统现状汇聚层传输系统现状（下文略）第第 6 章章 总结与展望总结与展望本文对某地传输网的现状和存在的问题从网络结构、网络同步和网管系统方面进行了分析研究，针对某地传输网的实际需求，制定了适合当地传输网优化建设的方案，分析结果表明，本地传输网优化方案很好的解决了本地传输网的实际问题。本论文完成的主要工作有：（1）在明确网络优化的概念的基础上，对网络的拓扑结构、同步、生存性和对多业务的支持等网络优化中的关键问题进行了讨论和分析；（2）以某地传输网为例，针对现有网络在拓扑结构、资源利用率、时钟同步和网管系统方面存在

22、的问题，阐明了进行网络性能优化的必要性，并提出了可行的优化改造方案；（3）对优化后的网络性能进行了仿真研究，表明优化后的网络容量、资源利用率和多业务能力得到显著的提高，网络服务质量得到改善。本论文还存在以下不足， 对于网络性能的探讨仅以业务质量、即误码率作为衡量的指标，而未探讨光层的性能，如光功率、波长以及光信噪比等。此外，随着对多业务平台开发和研究的进一步深化，多业务平台的智能化也被提到议事日程上来，而本文对网络的智能化未作深入探讨。参考文献参考文献1 马永源, 马力. 电信规划方法M. 北京: 北京邮电大学出版社, 2001. 2 徐世中. 波分复用光传送网中选路和波长分配算法的研究D.

23、成都: 电子科技大学, 2000. 24-27.3 冯西桥. 核反应堆压力管道与压力容器的 LBB 分析R. 北京: 清华大学核能技术设计研究院, 1997.67-70.4 尚晓波, 胡修林, 杨灵. 两种伪随机码同步捕获方法的性能比较J. 通信技术, 2001（9）: 90-93.5 Kim J H, John Y M, Byun Y T. All-optical XOR Gate Using Semiconductor Optical Amplifiers without Additional Input BeamJ. IEEE Photonics Technology Letters, 2002(10): 42-45.6 王志功. 光纤传输系统超高速集成电路设计