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基于FIFO IDT7202-12的數(shù)字存儲(chǔ)示波器

1 前端模擬信號(hào)電路調(diào)理模塊
    該模塊采用高速運(yùn)放LM6361和高速比較器AD744,，如圖1所示,。

    本設(shè)計(jì)選用成品探頭。為了防止過(guò)壓輸入,，在高速比較器AD744前端加2個(gè)保護(hù)二極管,，把輸入信號(hào)嵌位到±12 V內(nèi)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起保護(hù)作用,。然后經(jīng)過(guò)ICI反向放大，再經(jīng)IC2把相位倒回信號(hào)初始相位,。由于本設(shè)計(jì)采用的AD電壓輸入范圍為1．55～3．26 V,，所以應(yīng)用IC3加一個(gè)直流分量把輸入信號(hào)“抬到”A／D的輸入范圍內(nèi)。

2 信號(hào)采集電路模塊
    該模塊采用的A／D轉(zhuǎn)換器是TDA8703,。它是Philips公司生產(chǎn)的高速模／數(shù)轉(zhuǎn)換器,，采樣率是40 Msps，8位分辨率,，信噪比很高,，與TTL電平兼容，具有內(nèi)部參考電壓,。
    TDA8703的輸入電壓和輸出二進(jìn)制碼如表1所列,，采樣時(shí)序如圖2所示。

    時(shí)鐘的上升沿到來(lái)時(shí)開(kāi)始采樣,，當(dāng)時(shí)鐘的下一個(gè)周期上升沿上升時(shí),，轉(zhuǎn)換結(jié)束。由于高達(dá)40 Msps的采樣率,，普通的單片機(jī)很難能“跟上節(jié)奏”,，這時(shí)采用雙口RAM——IDT7202，與之配合使用,，以達(dá)到與單片機(jī)同步的目的,。IDT7202是AMD公司推出的一款先進(jìn)／先出雙口存儲(chǔ)器。本設(shè)計(jì)選用的型號(hào)是IDT7202-12,，也就是存入數(shù)據(jù)的時(shí)間是12 ns,，即存入頻率高達(dá)83 MHz，完全可以與40 Msps的AD匹配,，所以?xún)蓧K芯片可以用同一時(shí)鐘采樣并存儲(chǔ)(如圖3所示),。IDT7202有1 024字節(jié)的存儲(chǔ)深度,，低功耗，CMOS工藝,，有3種狀態(tài)標(biāo)志(空,、半滿(mǎn)、滿(mǎn)),，工業(yè)級(jí)溫度(一40～80℃),。

    TDA8703的采樣時(shí)鐘與IDT7202的寫(xiě)信號(hào)接同樣一個(gè)時(shí)鐘，這樣便使兩者同步,。當(dāng)采樣1 024個(gè)點(diǎn)時(shí),，關(guān)閉采樣時(shí)鐘信號(hào)，IDT7202的FF端低電平有效,，CPU把IDT7202中的數(shù)據(jù)取出并查詢(xún)IDT7202的空標(biāo)志位端,；當(dāng)?shù)陀行r(shí)，意味著IDT7202中的數(shù)據(jù)全部被取出,，這時(shí)重新開(kāi)采樣時(shí)鐘信號(hào),，重復(fù)上一過(guò)程。
    由于本設(shè)計(jì)顯示采用的是PC機(jī),，受到串口上傳波特率的限制,，所以很難實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)的測(cè)量，而上述設(shè)計(jì)恰恰在一定程度上解決了這個(gè)問(wèn)題,。由于1 024個(gè)采樣點(diǎn)是連續(xù)的,，可以逐步上傳而形成完整的波形。但是,，把1 024個(gè)采樣點(diǎn)上傳給PC機(jī)的過(guò)程中ADC是禁止采樣的,，所以在PC機(jī)上看到的波形有不連續(xù)的“接頭”。不過(guò),，這對(duì)于簡(jiǎn)易的數(shù)字存儲(chǔ)示波器是可以“容忍”的,。
    在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于走線過(guò)多,，所以即使試驗(yàn)階段也得做PCB板,；但是由于各芯片間的控制邏輯不確定，很容易出錯(cuò),。這時(shí)采用CPLD來(lái)搭建此系統(tǒng)的邏輯電路,，一旦出錯(cuò)，可以隨時(shí)修改,，直到正確,。如果整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試成功后，用與、或,、非等邏輯電路替換CPLD,，這樣可降低成本。

3 信號(hào)傳輸模塊 
    本設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)信號(hào)傳輸?shù)腃PU是C8051F020,。C8051F系列單片機(jī)是完全集成混合信號(hào)的系統(tǒng)級(jí)芯片,，具有與8051兼容的控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集兼容,；除具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件外,，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。C8051F單片機(jī)采用流水線結(jié)構(gòu),，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期,，處理能力大大提高，峰值性能可達(dá)25 MIPS,。
    C8051F單片機(jī)是能真正獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)(SoC),。每個(gè)MCU都能有效地管理模擬外設(shè)和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個(gè)或全部外設(shè)節(jié)省功耗,。Flash存儲(chǔ)器還具有片上重新編程能力,，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件,。
    片內(nèi)JTAG調(diào)試支持功能允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式(不占用系統(tǒng)資源)、全速,、在系統(tǒng)調(diào)試,。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察、修改儲(chǔ)存器和寄存器,，支持?jǐn)帱c(diǎn),、單步、運(yùn)行,、停機(jī)命令,。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都能全功能運(yùn)行,。
    C8051F具有標(biāo)準(zhǔn)8051兼容的I／O端口,。有的端口在某些器件中沒(méi)有引出腳，這樣的端口可用作通用寄存器,。I／O端口的工作情況與8051相似,，但有些改進(jìn)。每個(gè)端口I／O引腳都可以被配置為推挽或漏極開(kāi)路輸出,。在標(biāo)準(zhǔn)8051中固定的“弱上拉”可以被禁止,，這為低功耗應(yīng)用提供了進(jìn)一步節(jié)電的能力。最突出的改進(jìn)是引入了數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)。這是一個(gè)大的數(shù)字開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò),，允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給端口I／O引腳,。與具有標(biāo)準(zhǔn)復(fù)用數(shù)字I／O的微控制器不同，這種結(jié)構(gòu)可支持所有的功能組合,?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置交叉開(kāi)關(guān)控制寄存器，將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器／定時(shí)器,、串行總線,、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入及微控制器內(nèi)部的其他數(shù)字信號(hào)配置為出現(xiàn)在端口I／O引腳,。這就允許用戶(hù)根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口I／O和所需數(shù)字資源的組合,。
   

4 顯示模塊
    本設(shè)計(jì)采用PC顯示波形，主要是因?yàn)橥ㄟ^(guò)應(yīng)用VB能很容易地實(shí)現(xiàn)波形的顯示,，并且還能將波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬盤(pán)當(dāng)中,，以實(shí)現(xiàn)示波器的存儲(chǔ)功能。但是要注意以下幾點(diǎn)：
    ①波形消隱,。在實(shí)際使用時(shí)一般需要連續(xù)顯示波形,。連續(xù)顯示波形時(shí)，在顯示下一幅波形之前,，首先需要將上一幅波形清除或消隱,。VB的圖片框和窗體提供了CLS方法，可以實(shí)現(xiàn)波形的清除,；但在連續(xù)顯示和清除波形時(shí),，存在嚴(yán)重的閃爍現(xiàn)象。
    將顯示波形的圖片框或窗體的DrawMode屬性在屬性框中設(shè)置成13-Copy Pen,，或者在程序中使用類(lèi)似Picturel．DrawMode =vbXorPen的語(yǔ)句將畫(huà)筆設(shè)置成“異或筆”,，顯示波形后經(jīng)過(guò)二次重畫(huà)即可消隱已經(jīng)顯示的波形。整幅顯示一整幅消隱波形一樣可出現(xiàn)一定的閃爍,，但通過(guò)消隱一條線段一顯示一條新線段的方法可徹底消除閃爍問(wèn)題,。該方法對(duì)波形顯示區(qū)中的文字或其他控件均不會(huì)造成影響。
    ②雙通道問(wèn)題,。在VB當(dāng)中,，曲線是利用連接“當(dāng)前點(diǎn)”而生成的。要在一個(gè)圖片框上實(shí)現(xiàn)是很難完成的,，所以設(shè)計(jì)雙通道波形顯示程序時(shí),，可在窗體上放置兩個(gè)圖片框，每個(gè)圖片框用于顯示一個(gè)通道的波形,，編程時(shí)在兩個(gè)圖片框中交替顯示一個(gè)通道的波形,。當(dāng)顯示速度較快時(shí),，宏觀上可得到雙通道同時(shí)顯示的效果。

5 有源時(shí)鐘模塊
    本設(shè)計(jì)ADC的采樣率高達(dá)40 Msps,，所以ADC的采樣時(shí)鐘用40 MHz有源晶振,。有源時(shí)鐘及分頻電路如圖4所示。

    把40 MHz晶振分成不同的8個(gè)頻率,，這樣可調(diào)節(jié)ADC的采樣率,，以適應(yīng)不同的被測(cè)信號(hào)。這部分電路在做PCB時(shí)要注意走線,，有源晶振和ADC之間距離不要超過(guò)1 000 mil(2．54 cm),。另外，做PCB時(shí)應(yīng)把數(shù)字地和模擬地分開(kāi),，最后用O Ω電阻跨上,；最好兩面“鋪地”，這樣可以大大提高PCB的可靠性,。

結(jié) 語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)就是可以用較低的成本制作出性?xún)r(jià)比很高的示波器,，能很好地滿(mǎn)足學(xué)生或一些經(jīng)費(fèi)不是很充足的業(yè)余電子愛(ài)好者的需求。經(jīng)過(guò)試驗(yàn),，整個(gè)系統(tǒng)非常穩(wěn)定,。測(cè)方波時(shí)，采樣率最好是被測(cè)信號(hào)頻率的5～8倍,，這樣效果能達(dá)到最佳,。