基于單片機的通用示波器存儲功能擴展設計

摘要：由于通用示波器沒(méi)有存儲功能，因而在單脈沖信號的捕捉和測量中受到極大的限制。介紹一種利用SPCE061A型16位單片機給通用示波器嵌入存儲功能的原理。實(shí)驗證明此設計在一定頻率范圍內是可行的，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；存儲器；設計
中圖分類(lèi)號：TM935.3 文獻標識碼：A 文章編號：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)存儲功能，在學(xué)生實(shí)驗中能滿(mǎn)足信號測量的要求，但若用于測量一些非周期單脈沖信號，由于信號的突發(fā)性，這些通用的示波器往往不能對信號的波形、幅值、脈寬進(jìn)行仔細的觀(guān)測。其在通用示波器中嵌入存儲功能，能極大地擴展應用范圍，具有較高的實(shí)用價(jià)值。筆者介紹一種利用SPCE061A型16位單片機在HH4310A/HH4311A型通用示波器中嵌入存儲功能的原理及實(shí)驗結果。

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（主要實(shí)現Y輸入信號的放大）；水平系統（主要實(shí)現水平掃描和水平放大）和主機（主要包括低/高壓電源和顯示電路）?；窘Y構如圖1所示，各組成部分的詳細工作原理參閱參考文獻[1]。

3 嵌入存儲功能的原理
在通用示波器中嵌入存儲功能的基本原理是用A/D轉換器把仿真信號轉換為數字信號，然后存儲到RAM中，需要顯示時(shí)，將RAM中的存儲的數字信號按順序讀出，通過(guò)D/A轉換器恢復仿真信號，在示波器熒光屏上顯示出來(lái)。在設計中，利用SPCE061A型16位單片機中的A/D轉換器實(shí)現對示波器的Y輸入被測信號的模/數轉換，轉換的結果存儲在SPCE061A內部的SRAM中，顯示時(shí)，經(jīng)SPCE061A的D/A轉換器恢復輸入的仿真信號，SPCE061A及相關(guān)電路構成的擴展電路接在通用示波器垂直系統的Y輸入電路及前置放大器之間，如圖2所示。

3.1 A/D轉換的原理及性能要求

要實(shí)現對輸入被測信號的存儲，A/ D轉換（取樣、量化、編碼）是關(guān)鍵，根據奈奎斯特（Nyquist）取樣定理，曲江后能夠不失真地還原出原信號，必須滿(mǎn)足fs＞2fm，即取樣頻率必須大于信號最高頻率的2倍。在SPCE061A中有7路10位逐次逼近型A/D轉換器，通用對A/D轉換器有關(guān)控制寄存器P_ADC_Ctrl（$7015H）、P_ADC_MUX_Ctrl（$702BH）的合理設置啟動(dòng)A/D轉換，從P_ADC_MUX_Data（$702CH）單元中讀出A/D轉換的值。SPCE061A中A/D轉換的最高速率為（Fosc/32/16Hz），如果速率超過(guò)此值，從P_ADC_MUX_Data中讀出數據時(shí)會(huì )發(fā)生錯誤。A/D轉換的最大頻率相應率（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)生系統時(shí)鐘Fosc，Fosc再經(jīng)過(guò)分頻得到CPU時(shí)鐘（CPUCLK），通過(guò)對寄存器P_System Clok（$7013H）的編程來(lái)完成對系統時(shí)鐘Fosc和CPU時(shí)鐘頻率的定義。默認時(shí)，Fosc、CPUCLK分別為24.576MHz和Fosc/8。

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

3.2 數字信號的存儲和D/A轉換
經(jīng)A/D轉換的結果需要存儲到存儲器中，其存儲容量為獲取波形的取樣點(diǎn)數目，用直接存放A/D變換后數據的獲取存儲單元來(lái)表示。在SPCE061A中有2K10bit的SRAM存儲單元，實(shí)際使用的SRAM的容量主要由A/D轉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轉換的取樣頻率，N為每格的取樣點(diǎn)數。由此可知，在A/D變換速率相同的條件下，存儲容量的大小決定掃描時(shí)間因子的大小。在設計中，A/D變換的速率fS最大為96kHz，若用1K的SRAM作為A/D轉換的存儲器，則最大掃描時(shí)間為10ms/div。在存儲擴展模塊中，單片機啟動(dòng)A/D轉換器后，通過(guò)對P_ADC_MUX_Data（$702CH）單元中A/D轉換結果的比較，當有效的轉換結果出現時(shí)，才將結果保存到SRAM中，利用這種方法能夠有效地擴大掃描時(shí)間因子，對于單脈沖信號的捕捉非常有效。ADC的部分程序如下：

_AD

在A/D轉換中，不僅A/D轉換的位數和存儲容量決定示波器的垂直和水平分辨率，而且，通過(guò)單片機對A/D轉換結果的數字信號多次取平均處理，消除隨機噪聲，可以使垂直分辨率得到提高。

SPCE061A提供了2路D/A轉換通道，通過(guò)對寄存器P_DAC_MUX_Ctrl（702AH）單元的編程控制D/A轉換，將存儲器中的數字信號按順序轉換為仿真信號，加到示波器的Y通道放大器中，在熒光屏上重現信號的波形。

4 示波器存儲模塊的實(shí)驗研究
對于示波器存儲模塊的研究主要采用對同一信號進(jìn)行實(shí)驗比較的方式。在實(shí)際中，利用HH4310A/HH4311A型通用示波器對信號進(jìn)行1次直接測量和1次存儲測量，然后對2次測量結果（包括波形的失真度、幅值及頻率）進(jìn)行比較。圖3（a）和（b）分別顯示對單脈沖信號的直接顯示波形和存儲顯示波形。

通過(guò)實(shí)驗結果的比較可以看出，在一定頻率（20kHz）以下，嵌入SPCE061A的示波器存儲模塊能夠實(shí)現對信號的不失真存儲。

5 結束語(yǔ)