基于單片機(jī)的通用示波器存儲(chǔ)功能擴(kuò)展設(shè)計(jì)

摘要：由于通用示波器沒有存儲(chǔ)功能，因而在單脈沖信號(hào)的捕捉和測(cè)量中受到極大的限制。介紹一種利用SPCE061A型16位單片機(jī)給通用示波器嵌入存儲(chǔ)功能的原理。實(shí)驗(yàn)證明此設(shè)計(jì)在一定頻率范圍內(nèi)是可行的，而且成本較低，具有一定的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：示波器；SPCE061A；單片機(jī)；存儲(chǔ)器；設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：TM935.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-6977（2006）01-0051-03

1 引言
目前，通用二蹤示波器如HH4310A/HH4311A、RS8等均無(wú)存儲(chǔ)功能，在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中能滿足信號(hào)測(cè)量的要求，但若用于測(cè)量一些非周期單脈沖信號(hào)，由于信號(hào)的突發(fā)性，這些通用的示波器往往不能對(duì)信號(hào)的波形、幅值、脈寬進(jìn)行仔細(xì)的觀測(cè)。其在通用示波器中嵌入存儲(chǔ)功能，能極大地?cái)U(kuò)展應(yīng)用范圍，具有較高的實(shí)用價(jià)值。筆者介紹一種利用SPCE061A型16位單片機(jī)在HH4310A/HH4311A型通用示波器中嵌入存儲(chǔ)功能的原理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 通用示波器的基本工作原理
通用示波器的頻率繁多，電路各不相同，但總的來(lái)說(shuō)，可以歸納為3個(gè)主要組成部分：垂直系統(tǒng)（主要實(shí)現(xiàn)Y輸入信號(hào)的放大）；水平系統(tǒng)（主要實(shí)現(xiàn)水平掃描和水平放大）和主機(jī)（主要包括低/高壓電源和顯示電路）。基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，各組成部分的詳細(xì)工作原理參閱參考文獻(xiàn)[1]。

3 嵌入存儲(chǔ)功能的原理
在通用示波器中嵌入存儲(chǔ)功能的基本原理是用A/D轉(zhuǎn)換器把仿真信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后存儲(chǔ)到RAM中，需要顯示時(shí)，將RAM中的存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)按順序讀出，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器恢復(fù)仿真信號(hào)，在示波器熒光屏上顯示出來(lái)。在設(shè)計(jì)中，利用SPCE061A型16位單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器的Y輸入被測(cè)信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果存儲(chǔ)在SPCE061A內(nèi)部的SRAM中，顯示時(shí)，經(jīng)SPCE061A的D/A轉(zhuǎn)換器恢復(fù)輸入的仿真信號(hào)，SPCE061A及相關(guān)電路構(gòu)成的擴(kuò)展電路接在通用示波器垂直系統(tǒng)的Y輸入電路及前置放大器之間，如圖2所示。

3.1 A/D轉(zhuǎn)換的原理及性能要求

要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入被測(cè)信號(hào)的存儲(chǔ)，A/ D轉(zhuǎn)換（取樣、量化、編碼）是關(guān)鍵，根據(jù)奈奎斯特（Nyquist）取樣定理，曲江后能夠不失真地還原出原信號(hào)，必須滿足fs＞2fm，即取樣頻率必須大于信號(hào)最高頻率的2倍。在SPCE061A中有7路10位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，通用對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器有關(guān)控制寄存器P_ADC_Ctrl（$7015H）、P_ADC_MUX_Ctrl（$702BH）的合理設(shè)置啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，從P_ADC_MUX_Data（$702CH）單元中讀出A/D轉(zhuǎn)換的值。SPCE061A中A/D轉(zhuǎn)換的最高速率為（Fosc/32/16Hz），如果速率超過(guò)此值，從P_ADC_MUX_Data中讀出數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。A/D轉(zhuǎn)換的最大頻率相應(yīng)率（Fosc/32/16Hz）如表1所示。

在SPCE061A中，32768Hz的實(shí)時(shí)時(shí)鐘經(jīng)過(guò)PLL倍頻電路產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘Fosc，Fosc再經(jīng)過(guò)分頻得到CPU時(shí)鐘（CPUCLK），通過(guò)對(duì)寄存器P_System Clok（$7013H）的編程來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘Fosc和CPU時(shí)鐘頻率的定義。默認(rèn)時(shí)，Fosc、CPUCLK分別為24.576MHz和Fosc/8。

根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換的基本原理及SPCE061A的A/D轉(zhuǎn)換的特性，在通用示波器中嵌入的存儲(chǔ)功能模塊的最大不失真頻率為20kHz。

3.2 數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)和D/A轉(zhuǎn)換
經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果需要存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，其存儲(chǔ)容量為獲取波形的取樣點(diǎn)數(shù)目，用直接存放A/D變換后數(shù)據(jù)的獲取存儲(chǔ)單元來(lái)表示。在SPCE061A中有2K10bit的SRAM存儲(chǔ)單元，實(shí)際使用的SRAM的容量主要由A/D轉(zhuǎn)換的速率和掃描因子（t/div）共同決定，其關(guān)系如下式所示：


式中，fS為A/D轉(zhuǎn)換的取樣頻率，N為每格的取樣點(diǎn)數(shù)。由此可知，在A/D變換速率相同的條件下，存儲(chǔ)容量的大小決定掃描時(shí)間因子的大小。在設(shè)計(jì)中，A/D變換的速率fS最大為96kHz，若用1K的SRAM作為A/D轉(zhuǎn)換的存儲(chǔ)器，則最大掃描時(shí)間為10ms/div。在存儲(chǔ)擴(kuò)展模塊中，單片機(jī)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器后，通過(guò)對(duì)P_ADC_MUX_Data（$702CH）單元中A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的比較，當(dāng)有效的轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)時(shí)，才將結(jié)果保存到SRAM中，利用這種方法能夠有效地?cái)U(kuò)大掃描時(shí)間因子，對(duì)于單脈沖信號(hào)的捕捉非常有效。ADC的部分程序如下：

_AD

在A/D轉(zhuǎn)換中，不僅A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)和存儲(chǔ)容量決定示波器的垂直和水平分辨率，而且，通過(guò)單片機(jī)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字信號(hào)多次取平均處理，消除隨機(jī)噪聲，可以使垂直分辨率得到提高。

SPCE061A提供了2路D/A轉(zhuǎn)換通道，通過(guò)對(duì)寄存器P_DAC_MUX_Ctrl（702AH）單元的編程控制D/A轉(zhuǎn)換，將存儲(chǔ)器中的數(shù)字信號(hào)按順序轉(zhuǎn)換為仿真信號(hào)，加到示波器的Y通道放大器中，在熒光屏上重現(xiàn)信號(hào)的波形。

4 示波器存儲(chǔ)模塊的實(shí)驗(yàn)研究
對(duì)于示波器存儲(chǔ)模塊的研究主要采用對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較的方式。在實(shí)際中，利用HH4310A/HH4311A型通用示波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行1次直接測(cè)量和1次存儲(chǔ)測(cè)量，然后對(duì)2次測(cè)量結(jié)果（包括波形的失真度、幅值及頻率）進(jìn)行比較。圖3（a）和（b）分別顯示對(duì)單脈沖信號(hào)的直接顯示波形和存儲(chǔ)顯示波形。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較可以看出，在一定頻率（20kHz）以下，嵌入SPCE061A的示波器存儲(chǔ)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)的不失真存儲(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)