楊正強

摘要：通用電子示波器價格低廉，是用戶最樂于配備的常規(guī)儀器，但不具備信號記憶功能。因此，利用單片機設計一種信號波形裝置，使之能與通用電子示波器結合，用來觀測非重復信號波形是很有實際意義的。

關鍵詞：單片機；數據采集；波形重構

一、設計原理

本設計電路是一個單極性輸入，手動增益——手動采樣周期選擇的數據采集系統(tǒng)。為保證在A/D轉換器（A/D1674）的模擬信號輸入為正，我們把被測信號先經一預處理環(huán)節(jié)處理（經兩次取反后使信號為正）。由于被測信號存在超調或弱小，已經超出A/D轉換器的有效量程或微弱而不可以采集，對此必須對原始信號進行倍率調整，在此我們在預處理環(huán)節(jié)部分增加手動增益調整電路，被合適調整后的信號通入（S/H&A/D）轉換器，在MCU的控制下進行實時采集，即將模擬信號轉換成數字信號并依序轉存于數據RAM，采集完畢，在MCU的控制下，將已捕獲的數字信號D/A轉換，快速重構輸出并經“手動增益匹配”電路，使復現波形和被測信號波形一致，（即使Ki*Ko=1），最后送入通用電子示波器以實際觀測。其原圖如圖

二、硬件設計與檢驗

硬件設計與檢驗圍繞著一些關鍵元器件進行，如數據采集部分以AD1674為核心進行設計和檢驗，重構復現部分圍繞著DAC0832進行設計和檢驗等。

（一）模—數A/D轉換器采用AD1674

A/D轉換器我們選用AD1674。AD1674是一個完整的、多用途的、12位的逐次逼近式A/D轉換器。與AD574完全兼容，在此基礎上增加了采樣保持器（S/H）提供了更快的轉換速度及更好的功能，在高速數據采集系統(tǒng)中被廣泛應用。它具有以下特點：（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）轉換時間10uS，轉換速率100KHz，若僅作8bit轉換則速度更快。（3）精度0.05%（4）內含S/H，10V精密基準電源及時鐘電路。（5）單極性和雙極性輸入。輸出量程分別為+10V、+20V、+5V、5V、10V。（6）單極性二進制原碼輸出，雙極性偏移二進制碼輸出。（7）全控和獨立的兩種工作模式。

（二）數—模（D/A）轉換采用DAC0832

D/A轉換器的功能是將一組輸入的二進制數轉換為在時間上連續(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換器可外接運算放大器，將輸入電流轉換成電壓并提高負載能力。

（三）增益調整設計

由于現成集成可編程運放其增益倍率均大于1在此我們需要增益小于1的，即使被測信號出現超調時使其合適降低。基本設計思路是：通過一片8入8出的拔動開關、線性運算放大器LM324和反饋電阻網絡組成的、結構上對稱的，能通過手動拔動不同的開關以選通不同的反饋電阻，從而獲得多種增益系數。三、硬件的調試

由于這次實驗的電路較為復雜，我們采用了分塊調試的方法，根據原理圖的功能分四個部分：D/A轉換部分，A/D轉換部分，倍率測定，不同周期的采樣部分。

1）D/A調試：可以編寫一個三角波程序，采用仿真器來實現。2）A/D和D/A的聯調測試：編寫采集200或100個點并進行立即復現程序。3）單輸入/輸出增益調整：由于我們買的多路選擇開關CD4051經做實驗后，發(fā)覺不能通過大于5V以上的電壓，我們決定將自動增益僅作手動增益。因此不能按照自動增益的設計方案進行，覺得有點遺憾。為了達到我們的設計性能指標，將CD4051用八路選擇開關替代。由于電路板線路布置已經固定，只能以開關控制選通一路，即一一對應的14號和3號引腳間的通路。在此我們利用其1：1的倍率進行，即調節(jié)電位器Ri2，使LM324的輸出幅值和輸入幅值相等。對于超調電壓過大的模擬輸入，我們將其減小一半處理，即調節(jié)Rw2，使LM324的“7”號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確|、方便地讀出被測信號的真實幅值，我們將在軟件中調節(jié)進行處理，加上一條RL A指令，把采集回來的數據左移乘2重構復現，或在輸出增益匹配電路中調節(jié)。調整可調電位器Ro1，使在線調試中確保。最終輸出電壓的幅值等于原始輸入的幅值。具體調試方法如下：a.在LM324的3號引腳，即在JP3的1號引腳輸入+5V的電壓；b.利用數字表測量LM324的7號引腳，調節(jié)可調電位器Rw2，使7號引腳輸出電壓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：由于不同的被測信號其過渡時間也有所不同，為完整復現出原信號過渡波形，因此需要使用適當的采樣周期。因此就引入了采樣周期選擇的問題。同時被測信號是不可重復的“一次性”信號，要給這樣的信號選擇合適的采樣周期，只有在主程序執(zhí)行前，手動選擇好采樣周期。周期的選擇我們采用程序對P1.6，P1.7口的掃描，由于兩個引腳“0”，”1”狀態(tài)的不同組合，程序可掃描到4種不同的狀態(tài)，通過散轉程序可使主程序分別調用4種不同的采樣周期，從而達到不同周期選擇的目的。該端口掃描程序應安排于源程序入口處執(zhí)行，再根據掃描到的結果，將程序散轉到不同的地方繼續(xù)執(zhí)行。

四、全局軟件設計與樣機總成

根據設計思路，將模擬輸入信號轉換為數字信號存儲于片內RAM單元，再將其單元數據循環(huán)輸出復現。所以在程序構思上，必須有數據采集部分，分配RAM單元地址用于存儲采集到的數據，最后就是重復輸出存儲到的數據。為了能準確的采集到輸入信號的數據，必需考慮到信號同步問題，即程序一檢測到有信號輸入就馬上啟動數據采集，所以程序上要加上檢測觸發(fā)信號部分。由于在實際的硬件制作過程中存在有各方面的干擾，使得采集到的數據信號與原輸入信號有所偏差。但由于在板件制作調試過程中測得干擾對原輸入信號的影響不是很嚴重，所以從減少元件數目，降低制作成本上考慮，采用了程序數字濾波而不用硬件電路的濾波了。

全局軟件流程圖如下：

五、仿真實驗

為驗證設計的正確性 ， 本文采用 SICE 通用單片機仿真器進行了模擬實驗。 由于SICE 中已有容量足夠的仿真 RAM[1 ]， 故波形記錄器的實驗樣機中未擴展片外存儲器。 模擬實驗包括兩個項目：一階RC零狀態(tài)響應波形；直流調速系統(tǒng)啟動過程。實驗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DF4313型長余輝示波器與模擬實驗結果加以比照。仿真實驗結果表明，波形記錄器運行平穩(wěn)，具有較強的抗干擾能力，達到了預期的設計目的。

六、結語

本文的設計方案，可以完整精確地記錄到非可重復模擬信號，有效地解決了通用電子示波器不能顯示動態(tài)波形的問題，又因所設計電路造價低可以很好地實驗推廣，具有實用價值。

參考文獻：

[1]何家才.單片機控制工程實踐技術.北京：化學工業(yè)出版社.

[2]何立民.單片機應用技術選編.北京：航空航天大學出版社.

[3]龐振泰. AD/DA轉換器手冊.北京：清華大學出版社.

[4]李華. MCS51系列單片機實用接口技術.北京：航空航天大學出版社.