波形信号采集存储与回放系统设计基于51单片机电子设计报告.docx

基于51单片机电子设计报告之波形采集、存储与回放系统毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果尽我所知，除文中特别加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研 究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体， 均已在文中作了明确的说明并表示了谢意作者签名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电 子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供 目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制 手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分 或全部内容作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文涉密论文按学校规定处理作者签名： 日期： 年 月 日导师签名:日期： 年 月目录一、 设计任务求 3二、 系统方案论证与选择 6三、 系统硬件的设计 10四、 系统软件的设计 12五、 参考文献 14六、 结论 15附录 16附录1 程序代码 16附录2 硬件原理图 30附录3 PCB图（部分） 32一、设计任务求<1>、任务设计并制作一个波形采集、存储与回放系统，示意图如图1所示该 系统能同时采集两路周期信号波形，要求系统断电恢复后，能连续回 放已采集的信号，显示在示波器上图1.采集回放系统示意图<2>>要求1. 基本要求（1） 能完成对A通道单极性信号（高电平约4V、低电平接近0V）、 频率约1kHz信号的采集、存储与连续回放。

要求系统输入阻抗不小 于10 kQ,输出阻抗不大于lkQ2） 采集、回放时能测量并显示信号的高电平、低电平和信号的周 期原信号与回放信号电平之差的绝对值<50 mV,周期之差的绝对 值 W5%3) 系统功耗W50mW,尽量降低系统功耗，系统内不允许使用电 池2. 发挥部分(1) 增加8通道对双极性、电压峰峰值为lOOmV、频率为10Hz〜10kHz 信号的采集可同时采集、存储与连续回放A、B两路信号，并分别 测量和显示A、B两路信号的周期B通道原信号与回放信号幅度峰 峰值之差的绝对值W10 mV,周期之差的绝对值W5%2) A、B两路信号的周期不相同时，以两信号最小公倍周期连续 回放信号3) 可以存储两次采集的信号，回放时用按键或开关选择显示指定 的信号波形4) 其他<3>>说明1. 本系统处理的正弦波信号频率范围限定在10Hz〜10kHz,三角波信 号频率范围限定在10Hz〜2kHz,方波信号频率范围限定在10Hz〜1kHz2. 预留电源电流的测试点3. 采集与回放时采用示波器监视4. 采集、回放时显示的周期和幅度应是信号的实际测量值，规定采 用十进制数字显示，周期以“ms”为单位，幅度以“mV”为单位。

<4>、评分标准项目主要内容满分设计报告系统方案总体方案设计4理论分析与计算A/D及采样频率选择依据5电路与程序设计两通道输入输出电路设计5测试方案与测试结果测试方案及仪器 测试结果完整性 测试结果分析4设计报告结构及规范性摘要设计报告正文的规范性 图表的规范性厶总分20基本要求实际制作完成情况50发挥部分完成第⑴项20完成第（2）项20完成第（3）项5氏他5总分50二、系统方案论证与选择1、题目要求及相关指标分析题目的要求是将待测信号进行数字存储，并通过普通示波器将 被测信号显示出来由于待测信号为模拟信号，存储过程为数字方式, 故应该将模拟信号进行量化处理，然后存储到存储器中，当需要显示 的时候，从存储器读出数据并恢复为模拟信号，并送往普通示波器Y 输入端，在X输入端加入相应的扫描信号，采有X-Y方式观察信号 的波形因此，设计的重点是模拟信号的处理与采样、数字信号的存 储、普通示波器的显示控制、系统的控制4个方面2、方案的比较与分析1）采样方式方案一：实时采样实时采样是在信号存在期间对其采样根据采样 定理，采用速率必须高于信号最高频率分量的两倍对于周期的正弦 信号，一个周期内应该大于两个采样点。

为了不失真的恢复原被测信 号，通常一个周期内就需要采样八个点以上方案二：等效时间采样法采用中高速模数转换器，对于频率较 高的周期性信号采用等效时间采样的方法，即对每个周期仅采样一个 点，经过若干个周期后就可对信号各个部分采样一遍而这些点可以 借助步进延迟方法均匀地分布于信号波形的不同位置其中步进延迟 是每一次采样比上一次样点的位置延迟At时间只要精确控制从触 发获得采样的时间延迟，就能够准确地恢复出原始信号等效时间采 样虽然可以对很高频率的信号进行采样，可是步进延迟的采样技术与 电路较为复杂再者，它只限于处理周期信号，而且对单次触发采样 无能为力实时采样可以实现整个频段的全速采样，因此本设计采用 方案一2）双踪显示方式方案一：每个通道都有一套独立的ADC和存储器，双踪显示时，只 需轮流选择不同通道的波形数据，就可以实现两路波形的同时显示 方案二：只使用一片ADC, —片存储器和一片DAC,在采样的时候, 用存储器地址的最低位控制模拟开关通过切换两路模拟信号，将采 集到的数据分别存储到存储器的奇地址和偶地址上，双踪显示时通过 扫描存储器中的数据即可将两路波形同时显示出来方案二使用的硬 件电路较少，故我们选择方案二。

图1.采集回放系统尔意图3）触发方式选择要使屏幕上显示稳定的波形，则需将被测信号本身或者与被测信号有一定时间关系的触发信号加到触发电路触发源选择确定触发 信号由何处供给通常有三种触发源：内触发（INT）、电源触发（LINE）、 外触发EXT）O题目要求选择内触发，即使用被测信号作为触发信号方案一：采用数字触发方式对波形信号进行采集，将采集到的 波形数据和触发电平（可由键盘设置）进行比较，找到波形在上升过 程中大于或等于该触发电平的点，即得到触发，此时开始对波形进行 存储因为本来就需要对波形信号进行采集，使用这种方法无需要增 加额外的硬件电路，实现方便但是，对波形每个周期只采集有限个 点，不可能每次都能采集到等于触发电平的点（这时不得不以大于该 电平的值为触发电平），从而使触发位置不稳定，连续触发时输出波 形会有抖动现象方案二：采用模拟触发方式通过比较器LM311将被测波形信 号和触发电平进行比较，大于触发电平时输出为高电平，小于触发电 平时则输出低电平，即可得到信号被整形后的脉冲序列，再在该脉冲 序列的上升沿开始存储波形即实现了触发存储的功能这种触发方式 稳定，故我们采用了这种方案4）水平和垂直位置的调节a）水平移动的调节方案一：由FPGA内地址累加器的输出控制数模转换器不断地 输出锯齿波。

在后级加一个加法器，调节滑动变阻器R的阻值，可 以实现对锯齿波波形的直流电平叠加，从而达到调节显示器上波形左 右位置的平移功能方案二：通过对双口 RAM读出数据的起始地址的偏移控制来 控制波形的左右移动方案一实现左右平移，电路简单，效果明显但是一页屏幕的 波形通过这样的平移，就必然会将一部分的波形移动到示波器屏幕以 外，同时将示波器的另一边变成空白这样不符合实际数字示波器的 功能要求再者，它也实现不了 auto的功能而方案二方法新颖， 对于波形在屏幕的满屏显示和auto的功能都可以轻易处理和简单实 现于是本设计采用方案二b)垂直移动的调节方案一与上述水平移动调节的方案一相同方案二是直接对双 口 RAM的数据进行处理譬如向上平移，可将波形的所有数据都加 上一个偏移值，然后送到DAC0832,直接将输出的模拟信号加在y 轴上但这种方法的问题是当RAM中数据较大时，加上某一个偏移 值后数据均达到255,则波形的上半部分就会被削平而通过加法电 路的调节则不会出现这个问题故我们选用方案一5) 频率的测量方案一：用单片机扫描存储在RAM中波形数据，找到波形的上 升过零点位置或者波形数据的峰值，并记录此时的地址ADR1,在扫 描下一个波形的上升过零点位置或者波形数据的峰值，并记录此时的 地址ADR2,通过如下公式计算出波形的频率：f= l/[Bx(ADR2-ADRl)/20]其中，B为水平分辨率，单位为s/divo方案二：等精度测量法先将待测信号进行二分频，用此信号作为闸门。

取FPGA内部 40M信号作为基准信号，二分频后信号的上升沿开起计数器时钟计 数，下降沿关闭计数由计得的数值来计算信号的频率方案一计算 的频率数据的精度不会很高，加上采样的不稳定，必将导致频率测量 的不正确而方案二测量的稳定性较高且数据较准确故我们选用方 案二测量信号的频率三、系统硬件的设计DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压实验线路如图所示1.运算放大器运算放大器有三个特点：⑴开环放大倍数非常高，一般为几千，甚至可高达10万在正常情况下，运算放大器所需要的输入电压非常小⑵输入阻抗非常大运算放大器工作时，输入端相当于一个很小的电压加在一个很大的输入阻抗上，所需要的输入电流也极小⑶输出阻抗很小，所以，它的驱动能力非常大2. DAC0832的外部连接DAC0832的外部连接线路如图10.10所示M/1ODACO832的外部连接3. 运算放大电路和低通滤波电路P4-12VLM324 的 5 管脚与 DAC0832 的(IOUT2) 12 管脚相连，LM324的6管脚与DAC0832的(I0UT1) 11管脚相连，LM324的7管脚与 DAC0832的REF (9)管脚相连.第一级运算放大器的作用是将DAC0832输出的电流信号转化为 电压信号VI,第二级运算放大器的作用是将VI通过反向放大电路- (R2/R1)倍。

实验表明，输出波形效果不错四、系统软件的设计本程序的程序流程图如下所示五、参考文献[1] 康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）.高等教育出版社， 2005 年.[2] 阎石.数字电子技术基础（第五版）•高等教育出版社，2005年.[3] 刘爱华 满宝元.传感器原理与应用技术•人民邮电出版社，2011 年.[4] 马彪.单片机应用技术.同济大学出版社，2010年.[5] 郭天祥.51单片机C语言教程.北京：电子工业出版社，2012年.[6] 刘。