波形采集報告

1、摘要本設(shè)計以C8051F020單片機(jī)為核心，通過控制其內(nèi)置的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器和 Flash存儲器及鍵盤、液晶顯示屏等外圍器件協(xié)調(diào)工作，完成波形的采集、存儲 與連續(xù)回放功能，測試指標(biāo)基本符合設(shè)計要求。系統(tǒng)主要由信號輸入電路、A/D 轉(zhuǎn)換器、鍵盤顯示電路、單片機(jī)控制電路、D/A轉(zhuǎn)換器及輸出電路六部分組成。 輸入電路主要由電平移位電路和集成運放OPA2365構(gòu)成的電壓跟隨器組成，具有 阻抗匹配、電壓調(diào)整功能，以便為A/D轉(zhuǎn)換器提供合適的輸入電壓；單片機(jī)控制 電路及A/D、D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)波形采集、存儲、回放功能，并能夠在系統(tǒng)掉電時 實現(xiàn)對信號波形的存儲；輸出電路主要由濾波電路和放大電路構(gòu)成，將D

2、/A輸出 的含有量化噪聲的波形調(diào)整為接近于原信號的波形。一、設(shè)計方案與論證系統(tǒng)控制方案論證與比較方案一：采用純粹數(shù)字電路實現(xiàn)。輸入信號經(jīng)過信號輸入電路調(diào)整后輸出到 A/D轉(zhuǎn)換器，將信號波形轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，暫存于存儲器中，完成波形的采集和 存儲功能。信號回放時通過D/A轉(zhuǎn)換器將存儲器中的數(shù)字信息變換成信號波形顯 示在液晶顯示屏上，實現(xiàn)對信號的連續(xù)回放與顯示。對于存儲器的地址計數(shù)及數(shù) 據(jù)存取可通過數(shù)字電路對時鐘脈沖計數(shù)產(chǎn)生地址，并選通存儲器來實現(xiàn)；對輸入 信號何時觸發(fā)采集可通過比較器實現(xiàn)。但是該方案硬件電路過于復(fù)雜，調(diào)試起來 也不方便，不利于系統(tǒng)的其它功能擴(kuò)展，故不可取。方案二：采用單片機(jī)與FPG

3、A結(jié)合方式。利用C8051F020單片機(jī)完成波形 顯示、系統(tǒng)控制部分，協(xié)調(diào)可編程邏輯器件之間的工作。用FPGA來控制A/D轉(zhuǎn) 換器及波形數(shù)據(jù)的輸出，實現(xiàn)信號的采集、存儲與回放功能。該方案充分利用了 單片機(jī)在軟件控制設(shè)計方面的通用性和FPGA在邏輯設(shè)計上的優(yōu)勢，可以較好的 完成系統(tǒng)設(shè)計。但是該方案使用芯片較多，成本較高，故不可取。方案三：采用C8051F020單片機(jī)完成信號波形采集、存儲與回放功能。單 片機(jī)軟件編程靈活，自由度大?？赏ㄟ^軟件編程實現(xiàn)對輸入信號的采集，存儲數(shù) 據(jù)的輸出以及各種測量，邏輯控制等功能。該方案電路簡單，性價比高，故取方 案三。綜上所述，選擇方案三。輸入電路方案論證與比較方

4、案一：采用現(xiàn)有的集成程控放大器（例如:PGA103）作為信號輸入電路。通常 A/D轉(zhuǎn)換器都有一定的輸入動態(tài)范圍，且對輸入信號的要求是單極性的。故可跟 據(jù)輸入信號的幅度選擇不同的放大/衰減倍數(shù)，以達(dá)到A/D所要求的輸入范圍。 在系統(tǒng)前端采用集成器件，對抑制系統(tǒng)的噪聲是很有幫助的,而且這種器件控制 簡單，使用方便。但是該方案電路復(fù)雜，成本太高。方案二：采用電阻衰減器和集成運放構(gòu)成的跟隨器作為信號輸入電路。電壓 跟隨器具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的優(yōu)點，既能符合系統(tǒng)輸入高阻抗的要求， 又能提供較強(qiáng)的負(fù)載驅(qū)動能力，為A/D轉(zhuǎn)換器提供合適的輸入電壓與輸入電流。 該方案電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便。綜上所述，選擇

5、方案二。輸出電路方案論證與比較方案一：方案二二、系統(tǒng)組成及單元硬件電路設(shè)計系統(tǒng)組成本系統(tǒng)主要由信號輸入電路、A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤顯示電路、單片機(jī)控制電路、 D/A轉(zhuǎn)換器及輸出電路六部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖如圖2-1-1所示。圖2-1-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖單元硬件電路模塊信號輸入電路設(shè)計信號輸入電路主要由電平移位電路和集成運放OPA2365構(gòu)成的電壓跟隨器組 成。電壓跟隨器具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點，設(shè)計要求系統(tǒng)輸入阻抗不 小于10KQ故本設(shè)計采用跟隨器來提高系統(tǒng)輸入阻抗。A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號 通常要求是單極性的，本設(shè)計采用的A/D動態(tài)輸入范圍是0V3.3V。由于A通道 輸入信號高電平約為4V

6、，故用電阻衰減器分壓使輸入信號幅度符合A/D轉(zhuǎn)換器 的要求；而B通道輸入信號是雙極性的，故在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前通過電平移位電 路將B通道輸入信號調(diào)整為正極性信號。電路原理圖如圖2-2-1所示。圖2-2-1信號輸入電路(2 )觸發(fā)電路設(shè)計觸發(fā)電路由C8051F020單片機(jī)內(nèi)置的比較器構(gòu)成，輸入信號經(jīng)比較器與觸發(fā) 電平比較后輸出方波信號，方波信號輸送至C8051F020單片機(jī)內(nèi)部中斷。中斷觸 發(fā)方式采用下降沿觸發(fā)，每次方波信號下降沿到來時，啟動中斷程序控制單片機(jī) 對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲和顯示。(3) A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)信號波形采集的功能，將輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)存儲在存儲器 中，以便程序

7、調(diào)用。設(shè)計要求A通道原信號與回放信號電平之差的絕對值50mV， B通道原信號與回放信號幅度峰峰值之差的絕對值10mV，則A、B通道回放信 號相對于原信號允許的最大相對誤差為：Na=50mV/4V=1.25%Nb=10mV/100mV=10%由于A/D轉(zhuǎn)換器量化誤差取決于量化位數(shù)，對于8位A/D轉(zhuǎn)換器，其量化誤差為1LSB，即1/280.4%。，由此可知，只要用8位A/D轉(zhuǎn)換器就可滿足設(shè)計精 度要求，本設(shè)計采用C8051F020內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率分別為12位和8位。(4 ) D/A轉(zhuǎn)換及輸出電路設(shè)計D/A轉(zhuǎn)換器將A/D采集到的信號波形數(shù)據(jù)恢復(fù)成與原信號同周期的信號，實 現(xiàn)波形回放的功能。輸

8、出電路由低通濾波電路與幅度放大電路組成，D/A輸出的 信號經(jīng)輸出電路低通濾波和幅度放大后輸出與原信號周期相同幅度相等的信號。 輸出電路原理圖如圖2-2-4所示。DACA_,DACE W-5931R1I1R7土 1C5O.luVourA-INAVOUTB-OIA -INBV- +KB1U2TJ TJ-圖 2-2-4FiliecBUiCA 11B IDluKICTFillaBA通道輸出電路VDDIX.-OUT ayINHIX.-OUT 邱0UT.1N je. or iyIX.-OUT byOUT IN 折 ar byIX.-OUT bsOUT.IN 任 ar cyIX.-DUT cyAIX-UUT

9、 ccBVEECvssID1B 3C31 1CB +2 2C9 4-CD4C-53BMTr 2CID+12 2C72C1I +333-oFr.5HuF22uF2C1SICOufVwtA V+ -KAVOUTB +KA -INB V- -INBOPA23S5-O VtKlffl+5V-f-2C|g D.lu圖2-2-4 B通道輸出電路理論分析與計算(1 )A/D選擇A/D轉(zhuǎn)換器選擇分辨率分別為12位和8位的A/D轉(zhuǎn)換器，具體分析參見A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計部分。(2 )采樣頻率選擇設(shè)計要求A通道輸入信號頻率約1KHz，B通道輸入信號頻率為10Hz10KHz, 據(jù)信號抽樣定理有：fs2f故A通道輸入信

10、號采樣頻率下限為2KHz, B通道輸入信號采樣頻率下限為20Hz20KHz，本設(shè)計對一個周期的信號采集16次，故最大采樣頻率為160KHz, 單片機(jī)所采用的系統(tǒng)時鐘頻率為16MHz,完全滿足采樣頻率的要求。三、軟件設(shè)計停止四、系統(tǒng)測試方法與測試數(shù)據(jù)測試使用的主要儀器清單（表4-1）表4-1儀器清單序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注1TDO1062A數(shù)字示波器160MHz2YB1638函數(shù)信號發(fā)生器13IST-B智能信號測試儀14NFC-1000C-1多功能計數(shù)器15QJ2002S直流穩(wěn)壓電源15V6UT39A數(shù)字萬用表1測試方法根據(jù)設(shè)計要求，分別對原信號與回放信號電壓、原信號與回放信號周期、電 源功

11、率進(jìn)行了測試，并在液晶顯示信號周期及電壓值時用示波器對信號進(jìn)行了波 形顯示。具體測試步驟如下：（1）用數(shù)字萬用表測量電源供電電壓及電流，算出電源輸出功率。（2）用函數(shù)信號發(fā)生器向通道A輸入設(shè)計要求的單極性信號，用數(shù)字示波 器雙蹤通道觀察A通道原信號與回放信號波形電壓，并用單次觸發(fā)方式記錄下三 組A通道波形電壓數(shù)據(jù)；用頻率計測量A通道信號周期，記錄下三組周期數(shù)據(jù)。（3）使用同樣的測試方法記錄下三組在不同頻率下B通道波形電壓及周期 數(shù)據(jù)。（4）在進(jìn)行信號周期和電壓值的液晶顯示時，始終利用示波器監(jiān)視實際信 號波形的周期及電壓。測試數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析（1）測試數(shù)據(jù)1、原信號與回放信號電壓測試，測試數(shù)據(jù)如表

12、4-2。表4-2電壓測試通道信號輸入電壓（mV）輸出電壓（mV）誤差絕對值平 均（mV）一次二次三次一次二次三次A通道1KHzB通道10Hz50Hz100Hz1KHz5KHz10KHz2、原信號與回放信號周期測試，測試數(shù)據(jù)如表4-3。表4-3周期測試通道信號輸入周期（mS）輸出周期（mS）誤差絕對值平 均（%）一次二次三次一次二次三次A通道1KHz10HzB50Hz通100Hz道1KHz5KHz10KHz3、系統(tǒng)功耗測試，測試數(shù)據(jù)如表4-4。表4-4功耗測試測試次數(shù)電源電壓（V）電源電流（mA）電源功率（mW）123（2）數(shù)據(jù)分析（1）測試結(jié)果分析以上測試結(jié)果表明，系統(tǒng)功耗50mV,A通道原信號與回放信號電平之差的 絕對