基于單片機(jī)的波形記錄裝置

楊正強(qiáng)

摘要：通用電子示波器價(jià)格低廉，是用戶最樂(lè)于配備的常規(guī)儀器，但不具備信號(hào)記憶功能。因此，利用單片機(jī)設(shè)計(jì)一種信號(hào)波形裝置，使之能與通用電子示波器結(jié)合，用來(lái)觀測(cè)非重復(fù)信號(hào)波形是很有實(shí)際意義的。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；數(shù)據(jù)采集；波形重構(gòu)

一、設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)電路是一個(gè)單極性輸入，手動(dòng)增益——手動(dòng)采樣周期選擇的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為保證在A/D轉(zhuǎn)換器（A/D1674）的模擬信號(hào)輸入為正，我們把被測(cè)信號(hào)先經(jīng)一預(yù)處理環(huán)節(jié)處理（經(jīng)兩次取反后使信號(hào)為正）。由于被測(cè)信號(hào)存在超調(diào)或弱小，已經(jīng)超出A/D轉(zhuǎn)換器的有效量程或微弱而不可以采集，對(duì)此必須對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行倍率調(diào)整，在此我們?cè)陬A(yù)處理環(huán)節(jié)部分增加手動(dòng)增益調(diào)整電路，被合適調(diào)整后的信號(hào)通入（S/H&A/D）轉(zhuǎn)換器，在MCU的控制下進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，即將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并依序轉(zhuǎn)存于數(shù)據(jù)RAM，采集完畢，在MCU的控制下，將已捕獲的數(shù)字信號(hào)D/A轉(zhuǎn)換，快速重構(gòu)輸出并經(jīng)“手動(dòng)增益匹配”電路，使復(fù)現(xiàn)波形和被測(cè)信號(hào)波形一致，（即使Ki*Ko=1），最后送入通用電子示波器以實(shí)際觀測(cè)。其原圖如圖

二、硬件設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)

硬件設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)圍繞著一些關(guān)鍵元器件進(jìn)行，如數(shù)據(jù)采集部分以AD1674為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)，重構(gòu)復(fù)現(xiàn)部分圍繞著DAC0832進(jìn)行設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)等。

（一）模—數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器采用AD1674

A/D轉(zhuǎn)換器我們選用AD1674。AD1674是一個(gè)完整的、多用途的、12位的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。與AD574完全兼容，在此基礎(chǔ)上增加了采樣保持器（S/H）提供了更快的轉(zhuǎn)換速度及更好的功能，在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。它具有以下特點(diǎn)：（1）分辨率12bit，三態(tài)并行輸出，能方便地與8位和16位CPU接口。（2）轉(zhuǎn)換時(shí)間10uS，轉(zhuǎn)換速率100KHz，若僅作8bit轉(zhuǎn)換則速度更快。（3）精度0.05%（4）內(nèi)含S/H，10V精密基準(zhǔn)電源及時(shí)鐘電路。（5）單極性和雙極性輸入。輸出量程分別為+10V、+20V、+5V、5V、10V。（6）單極性二進(jìn)制原碼輸出，雙極性偏移二進(jìn)制碼輸出。（7）全控和獨(dú)立的兩種工作模式。

（二）數(shù)—模（D/A）轉(zhuǎn)換采用DAC0832

D/A轉(zhuǎn)換器的功能是將一組輸入的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為在時(shí)間上連續(xù)的模擬量。輸出模擬量的形式有電流型和電壓形兩種。DAC0832屬于電流輸出型的轉(zhuǎn)換器可外接運(yùn)算放大器，將輸入電流轉(zhuǎn)換成電壓并提高負(fù)載能力。

（三）增益調(diào)整設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)成集成可編程運(yùn)放其增益倍率均大于1在此我們需要增益小于1的，即使被測(cè)信號(hào)出現(xiàn)超調(diào)時(shí)使其合適降低。基本設(shè)計(jì)思路是：通過(guò)一片8入8出的拔動(dòng)開(kāi)關(guān)、線性運(yùn)算放大器LM324和反饋電阻網(wǎng)絡(luò)組成的、結(jié)構(gòu)上對(duì)稱的，能通過(guò)手動(dòng)拔動(dòng)不同的開(kāi)關(guān)以選通不同的反饋電阻，從而獲得多種增益系數(shù)。三、硬件的調(diào)試

由于這次實(shí)驗(yàn)的電路較為復(fù)雜，我們采用了分塊調(diào)試的方法，根據(jù)原理圖的功能分四個(gè)部分：D/A轉(zhuǎn)換部分，A/D轉(zhuǎn)換部分，倍率測(cè)定，不同周期的采樣部分。

1）D/A調(diào)試：可以編寫(xiě)一個(gè)三角波程序，采用仿真器來(lái)實(shí)現(xiàn)。2）A/D和D/A的聯(lián)調(diào)測(cè)試：編寫(xiě)采集200或100個(gè)點(diǎn)并進(jìn)行立即復(fù)現(xiàn)程序。3）單輸入/輸出增益調(diào)整：由于我們買(mǎi)的多路選擇開(kāi)關(guān)CD4051經(jīng)做實(shí)驗(yàn)后，發(fā)覺(jué)不能通過(guò)大于5V以上的電壓，我們決定將自動(dòng)增益僅作手動(dòng)增益。因此不能按照自動(dòng)增益的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行，覺(jué)得有點(diǎn)遺憾。為了達(dá)到我們的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，將CD4051用八路選擇開(kāi)關(guān)替代。由于電路板線路布置已經(jīng)固定，只能以開(kāi)關(guān)控制選通一路，即一一對(duì)應(yīng)的14號(hào)和3號(hào)引腳間的通路。在此我們利用其1：1的倍率進(jìn)行，即調(diào)節(jié)電位器Ri2，使LM324的輸出幅值和輸入幅值相等。對(duì)于超調(diào)電壓過(guò)大的模擬輸入，我們將其減小一半處理，即調(diào)節(jié)Rw2，使LM324的“7”號(hào)引腳輸出的電壓幅值是輸入電壓幅值的一半。為確保能在示波器上準(zhǔn)確|、方便地讀出被測(cè)信號(hào)的真實(shí)幅值，我們將在軟件中調(diào)節(jié)進(jìn)行處理，加上一條RL A指令，把采集回來(lái)的數(shù)據(jù)左移乘2重構(gòu)復(fù)現(xiàn)，或在輸出增益匹配電路中調(diào)節(jié)。調(diào)整可調(diào)電位器Ro1，使在線調(diào)試中確保。最終輸出電壓的幅值等于原始輸入的幅值。具體調(diào)試方法如下：a.在LM324的3號(hào)引腳，即在JP3的1號(hào)引腳輸入+5V的電壓；b.利用數(shù)字表測(cè)量LM324的7號(hào)引腳，調(diào)節(jié)可調(diào)電位器Rw2，使7號(hào)引腳輸出電壓Uout是輸入電壓Uin的一半，即Uout=2Uin=2×5=2.5V。4）不同周期的采樣：由于不同的被測(cè)信號(hào)其過(guò)渡時(shí)間也有所不同，為完整復(fù)現(xiàn)出原信號(hào)過(guò)渡波形，因此需要使用適當(dāng)?shù)牟蓸又芷凇Ｒ虼司鸵肓瞬蓸又芷谶x擇的問(wèn)題。同時(shí)被測(cè)信號(hào)是不可重復(fù)的“一次性”信號(hào)，要給這樣的信號(hào)選擇合適的采樣周期，只有在主程序執(zhí)行前，手動(dòng)選擇好采樣周期。周期的選擇我們采用程序?qū)1.6，P1.7口的掃描，由于兩個(gè)引腳“0”，”1”狀態(tài)的不同組合，程序可掃描到4種不同的狀態(tài)，通過(guò)散轉(zhuǎn)程序可使主程序分別調(diào)用4種不同的采樣周期，從而達(dá)到不同周期選擇的目的。該端口掃描程序應(yīng)安排于源程序入口處執(zhí)行，再根據(jù)掃描到的結(jié)果，將程序散轉(zhuǎn)到不同的地方繼續(xù)執(zhí)行。

四、全局軟件設(shè)計(jì)與樣機(jī)總成

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)于片內(nèi)RAM單元，再將其單元數(shù)據(jù)循環(huán)輸出復(fù)現(xiàn)。所以在程序構(gòu)思上，必須有數(shù)據(jù)采集部分，分配RAM單元地址用于存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，最后就是重復(fù)輸出存儲(chǔ)到的數(shù)據(jù)。為了能準(zhǔn)確的采集到輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)，必需考慮到信號(hào)同步問(wèn)題，即程序一檢測(cè)到有信號(hào)輸入就馬上啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，所以程序上要加上檢測(cè)觸發(fā)信號(hào)部分。由于在實(shí)際的硬件制作過(guò)程中存在有各方面的干擾，使得采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)與原輸入信號(hào)有所偏差。但由于在板件制作調(diào)試過(guò)程中測(cè)得干擾對(duì)原輸入信號(hào)的影響不是很嚴(yán)重，所以從減少元件數(shù)目，降低制作成本上考慮，采用了程序數(shù)字濾波而不用硬件電路的濾波了。

全局軟件流程圖如下：

五、仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性 ， 本文采用 SICE 通用單片機(jī)仿真器進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。 由于SICE 中已有容量足夠的仿真 RAM[1 ]， 故波形記錄器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中未擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器。 模擬實(shí)驗(yàn)包括兩個(gè)項(xiàng)目：一階RC零狀態(tài)響應(yīng)波形；直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)中采用的通用電子示波器是普通的HZ4260型示波器，其直流帶寬為7MHz，并增置了一臺(tái)DF4313型長(zhǎng)余輝示波器與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以比照。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，波形記錄器運(yùn)行平穩(wěn)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

六、結(jié)語(yǔ)

本文的設(shè)計(jì)方案，可以完整精確地記錄到非可重復(fù)模擬信號(hào)，有效地解決了通用電子示波器不能顯示動(dòng)態(tài)波形的問(wèn)題，又因所設(shè)計(jì)電路造價(jià)低可以很好地實(shí)驗(yàn)推廣，具有實(shí)用價(jià)值。

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