波形采集、存儲與回放系統的設計

摘要：本系統利用MSP430F149單片機控制，可以同時采集單極性和雙極性兩路周期信號，并存儲到FLASH存儲器，系統斷電重啟后，能連續回放已采集的信號，同時測量信號周期和電平并顯示。本設計主要有輸入電路模塊、信號放大處理模塊、單片機控制電路模塊、D/A轉換模塊和輸出模塊等組成。本系統特點是功耗低，高輸入阻抗，低輸出阻抗，回放信號與原信號誤差小，能顯示信號周期和高低電平。

關鍵詞：MSP430F149單片機；A/D轉換器；D/A7524轉換器

中圖分類號：TP274.2 文獻標識碼：A

1 總體方案設計及框圖

本系統主要由輸入電路（集成運放和整形電路）部分、A/D轉換電路模塊、單片機及顯示電路模塊、D/A轉換（DA7524轉換電路）和輸出電路模塊[1]。輸入信號經電平移位電路，經A/D轉換后存入儲存器并實時顯示，回放時經D/A轉換，顯示在示波器上。具體框圖如圖1所示。

2 電路的設計與流程圖設計

（1）采樣信號處理

通過電阻分壓方式實現電壓的零點偏置，將電壓整體抬高。

電阻分壓方式具有結構簡單，成本低的優點，且允許幅值較大的雙極性模擬信號在板內傳輸，在外界干擾一定的時候，提高了信噪比[2]。對于MSP430F149內部的積分型ADC而言，電阻分壓方式的輸入阻抗較大，為保證片內電容的充電時間，以達到應有的測量精度，需相應延長采樣的時間。

（2）輸入電路的設計

由于MSP430F149內置的模數轉換器（ADC）只能對低于3.3V的電壓采樣，而系統要求能完成對A通道高電平約4V，低電平接近0V信號的采樣，所以系統在輸入部分設計了一個同相比例運放電路，將輸入信號衰減一倍，使之達到單片機對電壓的采樣要求。

（3）整形電路

頻率測量時，利用MSP430F149單片機捕獲輸入信號上升沿，計算兩個上升沿之間的時間差，即信號的周期。但設計的電路是正弦信號，有上升沿，不能達到電路的測量要求，所以本系統設計了一個整形電路，將正弦波信號轉換為同頻率的方波信號輸出，以使單片機能準確捕捉到每一個上升沿信號。

（4）液顯電路

A通道的輸入和B通道的輸入分別經過各自的輸入電路送到A/D轉換電路，由A/D轉換電路將模擬信號轉換成數字信號。經過相應的計算和處理，從而在單片機的配備的液晶顯示屏上顯示采集到的信號周期（以“ms”為單位）和幅度（以“mV”為單位）。另一方面，當需要回放時，又會顯示相應界面和上次存儲起來的相關數據。

（5）電源的設計

本電路通過變壓器將市電電壓轉換為24V交流電壓，利用整流橋整流，然后用DC-DC轉換芯片分別轉換為±5V， ±12V，經過濾波后得到穩定的直流電壓[3]。本電路各部分主要用到+5V和+12V兩種電壓。由于供電電壓對電路的信號影響較大，所以這兩路電壓我們經過反復測試和修改，最終得到穩定純凈的直流電壓。

（6）軟件的設計

任何一個系統的主要功能的實現都得益于軟件系統的設計。軟件部分將AD轉換得到的兩路數字信號臨時存放在單片機內，進行各種處理和計算，包括電壓最大值和最小值計算，以及信號周期的分析和計算。并將兩路信號分被存入單片機內部FLASH中的不同區段，保證系統斷電后存入的信息不丟失，當需要對信號回放時，隨時能對FLASH進行讀取，并經DA轉換回放出來。當然，軟件的設計還要保證軟件界面清晰而又人性化。

3 系統的測試與調試

（1）測試儀器

本系統所使用的測試儀器包括：提供周期信號波形的信號發生器，進行輸入阻抗及輸出阻抗測量的數字萬用表，以及波形顯示與回放的數字示波器等。

（2）系統調試

本系統的調試分為軟件調試和硬件調試。

a.軟件調試

系統中對軟件的調試采用的是每個模塊單獨調試的方法，因為本設計的軟件編程比較復雜，為了提高效率我們做完一個模塊就進行調試，在把每個模塊調試完都沒有出現錯誤。最后把我們把每個模塊組合起來整體連調。

b.硬件調試

系統中用到的硬件調試主要是檢查電路板上的焊接是否正確，導線是否連通，各模塊間的數據線是否接好。還有電路中的輸入電阻和輸出電阻是否匹配合適。在這些都合適的情況下再接上示波器和電源看是否顯示波形，波形顯示是否穩定準確，知道達到較高的技術指標為止。在需要軟硬件結合連調時，軟件正確的情況下把硬件電路接上去應該會顯示電路要求的波形。如果沒有達到要顯示的波形，說明硬件電路有問題。并據此檢查相應的電路，找出問題，反復修改調試和改進。經過反復調試，本系統每個模塊都運行穩定，完全達到了設計要求。

4 總結

在整個系統的設計過程中我們基本達到了各個指標要求，發揮部分也能夠同時采集、存儲與連續回放A、B兩路信號，分別測量和顯示A、B兩路信號的周期。還可以存儲兩次采集的信號，回放時用按鍵可以選擇顯示指定的信號波形。各方面指標都達到了預期效果。

參考文獻：

[1] 全國大學生電子設計競賽組委會.全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編[M].北京：北京理工大學出版社，2008：121-143.

[2] 謝自美.電子線路·實驗·測試（第三版） [M].湖北：華中科技大學出版社，2006：112-169.

[3] 黃智偉.全國大學生電子設計競賽（修訂版）[M].北京：電子工業出版社，2010：82-95.

作者簡介：

鐘秀娟（1982—），女，湖北工業大學.