前 言

所謂數(shù)字存儲就是在示波器中以數(shù)字編碼的形式來儲存信號，數(shù)字存儲示波器的簡稱是DSO（“Digital Storage Oscilloscope”）。在DSO中，輸入信號的波形先經(jīng)A/D變換器將其模擬波形轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號，然后存儲在RAM中，需要時將RAM中存儲的內(nèi)容調(diào)出，經(jīng)過D/A變換器，將數(shù)字信號恢復(fù)為模擬量，顯示在示波器的屏幕上。在數(shù)字存儲示波器中，信號的處理功能和其顯示功能是完全分開的，我們在示波器上看到的波形是由采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過重構(gòu)后得到的波形，而不是加到輸入端上信號的波形。

系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)采用單片機(jī)和可編程器件作為數(shù)據(jù)處理及控制核心，整個系統(tǒng)包括通道信號調(diào)理、觸發(fā)信號產(chǎn)生、采集存儲、數(shù)據(jù)融合處理、顯示、操作面板、掉電保護(hù)等功能模塊。圖1給出了該系統(tǒng)的總體框圖。

一、通道輸入信號調(diào)理電路

考慮到輸入信號的動態(tài)范圍較大，故本設(shè)計采用了先衰減后放大的電路結(jié)構(gòu)，電路前級采用8位雙D/A TLC7528構(gòu)成程控衰減器，將輸入信號作為參考電壓，此時D/A 的輸出電壓為

二、雙限窗口比較器

雙限窗口比較器用于幅度軸垂直靈敏度自動控制時的超限信號的檢測。當(dāng)通道調(diào)理電路輸出的信號電壓超出窗口范圍時，比較器輸出高電平，電路如圖2所示。

圖2 雙限窗口比較器

三、控制面板電路

系統(tǒng)控制面板除鍵盤外，還設(shè)有通道1垂直位置、通道2垂直位置、觸發(fā)電平、觸發(fā)位置、主時基位置共5個調(diào)節(jié)旋鈕，操作簡單易行。單片機(jī)通過A/D配合多路開關(guān)來采集面板的控制數(shù)據(jù)，其電路原理圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集通道

圖中，4051為八選一模擬開關(guān)，TLC0820為八位并行A/D，P1.2、P1.3、P1.4用來控制采集哪一個電位器的數(shù)據(jù)。

四、觸發(fā)信號產(chǎn)生電路

觸發(fā)電路的作用是最終產(chǎn)生統(tǒng)一的上升沿有效的觸發(fā)信號。

1、邊沿觸發(fā)信號產(chǎn)生電路：核心是比較電路。比較器采用MC3486，該芯片可處理10 MHz的輸入信號，輸出同TTL電平兼容。

2、最大幅度觸發(fā)產(chǎn)生電路：通過峰值保持電路記錄信號的峰值，并與輸入信號進(jìn)行比較，當(dāng)輸入信號幅度低于峰值保持電路的輸出電平時，比較器輸出上升沿觸發(fā)信號。電路原理如圖4所示，圖中的晶體管T1起取樣保持開關(guān)作用。

五、采集存儲邏輯電路

采集存儲邏輯電路的作用是將A/D變換后的通道數(shù)據(jù)寫入存儲器中，其控制邏輯包括接口、觸發(fā)控制模塊、采集存儲控制模塊，由一片CPLD器件EPM7128SLC84來實現(xiàn)。圖5給出了CPLD頂層邏輯框圖。

其中，觸發(fā)控制邏輯電路由觸發(fā)選擇邏輯和觸發(fā)使能邏輯組成。在單片機(jī)的控制下，觸發(fā)控制邏輯電路與觸發(fā)信號產(chǎn)生電路相配合，可以實現(xiàn)觸發(fā)源選擇、觸發(fā)方式選擇、觸發(fā)條件選擇、觸發(fā)電平調(diào)節(jié)等觸發(fā)功能。采集存儲控制模塊為控制核心，主要由可編程分頻器、地址計數(shù)器、延遲計數(shù)器和時鐘選擇器四部分組成。

⑴可編程分頻器：它的作用是提供采樣時鐘，其分頻比由單片機(jī)根據(jù)采樣率計算得出，然后轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的控制字置入。

⑵地址計數(shù)器以及RAM、ADC的控制邏輯電路：采集時，地址計數(shù)器在采樣時鐘的同步下計數(shù)，為存儲器提供地址，同時采樣時鐘也作為ADC芯片的讀信號和RAM的寫信號。計數(shù)器輸出的最低位作為2個ADC芯片的選擇信號。這樣，2個通道的數(shù)據(jù)分別存入奇地址和偶地址。

⑶延遲計數(shù)器：用于決定觸發(fā)點的位置。通過設(shè)定觸發(fā)位置，可以觀察觸發(fā)點前或觸發(fā)點后或前后各一段時間內(nèi)的波形。延遲計數(shù)器的初始值由單片機(jī)預(yù)先置入。改變延遲計數(shù)器的初始值，就改變了觸發(fā)點的位置。

⑷時鐘選擇器：采集時，選擇器選通采樣時鐘，地址計數(shù)器在采樣時鐘的同步下計數(shù)；采集結(jié)束后，選擇器則選通單片機(jī)的讀信號，單片機(jī)檢測到采集結(jié)束信號（由延遲計數(shù)器的溢出信號產(chǎn)生），便開始回讀數(shù)據(jù)，每讀一次數(shù)據(jù)，地址計數(shù)器就加1，由于計數(shù)器是循環(huán)計數(shù)，所以只要依次讀數(shù)，便可以讀出所有的采集數(shù)據(jù)。

六、顯示控制模塊

顯示采用示波器的X—Y方式。在X—Y方式下，示波器的垂直軸與水平軸的偏轉(zhuǎn)電壓均由外部提供。屏幕上每一個位置都對應(yīng)一個X—Y坐標(biāo)。因此，只要提供波形的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換送至X、Y軸即可。

顯示控制電路由時鐘選擇器、地址計數(shù)器及X、Y數(shù)據(jù)鎖存器構(gòu)成。在單片機(jī)寫數(shù)據(jù)期間，時鐘選擇器將寫信號選通，作為地址計數(shù)器的時鐘，存儲數(shù)據(jù)的規(guī)律為Y1、X1、Y2、X2。在允許顯示期間，時鐘選擇器選通顯示時鐘，此時，地址計數(shù)器以固定的頻率循環(huán)計數(shù)，RAM的讀信號直接用顯示時鐘充當(dāng)，用地址作為X、Y鎖存器的選通信號，讓奇、偶地址的數(shù)據(jù)分別鎖存到X、Y軸DAC的數(shù)據(jù)線上，產(chǎn)生對應(yīng)的X、Y軸偏轉(zhuǎn)電壓。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示。其中，初始化模塊除包括一般的堆棧指針、位標(biāo)志等內(nèi)容外，還能將保存在E2PROM中的參數(shù)調(diào)入系統(tǒng)。在是否允許采集模塊中，要對各種條件進(jìn)行判斷，首先必須在運行（RUN）狀態(tài)下，如果是在停止（STOP）狀態(tài)則一律不使能。其次，根據(jù)不同的觸發(fā)方式，如在單次觸發(fā)方式下，則必須有單次釋放標(biāo)志才允許使能，而在自動和常態(tài)觸發(fā)方式下則必須在一個主循環(huán)結(jié)束后才允許觸發(fā)。

圖6 主程序流程圖

結(jié)束語

在本設(shè)計中，可編程邏輯器件CPLD完成采集、存儲和顯示控制邏輯等功能，而單片機(jī)完成人機(jī)界面、系統(tǒng)控制、信號分析、處理和變換功能。本設(shè)計的創(chuàng)新點在于除了具有單次觸發(fā)存儲顯示功能外，還能對被測信號進(jìn)行采集、存儲和連續(xù)顯示。

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