56110字硕士毕业论文基于AVR单片机的数字示波器的设计与实现
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：56110字
论点：示波器,信号,频率
论文概述：
本文是单片机论文，主要论述了以艾特梅尔公司的 AVR 单片机为控制核心，AVR 是 8 位的 RISC 微控制器，它在指令和数据吞吐能力方面比传统的 CISC 结构要快很多倍。
论文正文：
第一章前言
1.1数字存储示波器概述
传统模拟示波器的基本结构框图如图1.2所示，由水平系统(x轴信号通道)、垂直系统(y轴信号通道)、示波管、电源等组成。该示波器可以实现信号采样和波形显示、频率和峰值参数测量、快速傅立叶变换频谱分析等功能。它的外观如图4.1所示。由于时间关系，示波器的关键控制功能无法完成，所以在示波器用于测量信号之前，采样速率和垂直分辨率都是预先在其源程序中设定的，然后将源程序代码下载到微控制器中。测试期间，示波器将自动完成信号采集、波形显示和快速傅立叶变换频谱分析。实验中使用了乌列德科技有限公司生产的UTD2050示波器，如图4.2所示。示波器有一个功能信号发生器，其输出位于图4.2中UTD2050示波器的右下角。函数信号发生器可以输出三种信号:正弦波、三角波和方波。输出信号的频率最高可达15兆赫。本实验中，UTD2050示波器主要起两个作用，一个是作为信号源，另一个是根据示波器的测量结果对其测量结果进行比较和分析。用该示波器测量上述正弦信号，在采样频率为150千赫、垂直分辨率为100毫伏/分压的条件下，该示波器对正弦信号的测量结果如图4.4所示。被测信号的频率为10.001千赫兹，峰值为635毫伏。与图4.3相比，该示波器测量的正弦信号的频率误差为1/10000，峰值误差为4.8%。
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第五章摘要
本文的创新之处主要有以下几点。首先，以Atmel公司的AVR微控制器为控制核心，AVR是一款8位RISC微控制器，在指令和数据吞吐量方面比传统的CISC结构快很多倍。采样电路采用BB公司生产的ADS830E型转换器。ADS830E的最高工作频率可达60MHz，远高于微控制器的工作频率。一般来说，示波器中央处理器的工作频率不低于模数转换器的工作频率。为了与模数转换器的工作速度同步，模数转换器之后增加了高速先进先出缓冲存储器，与高速模数转换器同步工作，并存储模数转换数据。控制器可以在任何时候从先进先出中读取采样数据，而不受工作速度的限制。本文的第二个创新点在于利用DDS电路为模数转换器提供采样时钟信号。DDS是一种直接数字频率合成器。其输出频率和相位由程序控制。无需外部元件，调节简单，功耗低。然而，传统示波器通常使用多级门电路来划分主时钟振荡器的频率，以获得所需的采样时钟。该电路不仅结构复杂，而且功耗高。与两相相比，DDS具有很大的优势。本文的第三个创新是在放大电路中采用可变增益运算放大器和高精度数模转换器结构，即放大系数由数模转换器的输出电压控制，而数模转换器的输出电压由单片机的控制数据决定。这种结构不仅可以降低电路的功耗，还可以用软件调节放大倍数，使控制更加方便。
……。在操作过程中，模拟信号存储在示波管的存储网格上，以便显示。与模拟示波器相比，数字存储示波器的功能发生了重大变化。该数字存储示波器可以实现模拟信号的长期存储，并且可以利用机内微处理器进一步处理存储的信号，例如测量波形的幅度、频率、平均值、前后边沿时间和快速傅立叶变换操作。从未来的发展趋势来看，数字存储示波器最终将取代传统的模拟示波器。。数字存储示波器最常见的两种显示模式是滚动显示和存储显示。所有存储的瞬态信号都稳定显示，不闪烁，这称为存储显示。存储显示器还可以扩展和移动显示的波形。波形在屏幕上以左入右出的顺序连续显示称为滚动显示。滚动显示的优点是可以观察到整个波形。
1.2国内外数字存储示波器的发展
同时支持鹧鸪打印机和u盘存储。因为当前示波器通常包含微处理器，所以软件系统属于嵌入式系统。因此，数据的分析和计算可以更快更方便。从最初简单的加法和减法操作，示波器已经能够完成更高级的数学功能，如数字滤波和傅立叶变换。这些高级功能使用户更方便地分析和处理数据。随着近年来电子技术的快速发展，全球数字存储示波器市场进一步扩大。由于中国对世界经济的发展至关重要，电子工业的快速发展使得数字示波器的需求市场更大。如此巨大的市场需求已经引起了中国和世界主要示波器制造商的关注。一方面，各种制造商已经加紧努力进入中国市场；另一方面，他们也密切关注市场调研用户的实际使用需求，加强产品性能的创新和提高，最大限度地满足用户的需求。未来示波器市场的竞争会越来越激烈，对测试的要求也会越来越高。谁想赢得市场，谁就必须不断满足用户不断变化的测试要求[3】。
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第二章系统硬件设计
2.1程控衰减和放大[/BR/]本示波器可测信号的电压范围为5 ~ 160伏，而模数转换器的输入电压范围为1.5V~3.5V，为了使模数转换器正常工作，输入信号需要衰减或放大，衰减或放大倍率由程控控制。如图2.2所示，信号首先进入阻容衰减电路，通过闭合或关断继电器实现相应的衰减比。然后它被发送到放大电路。放大部分采用压控可变增益放大器和高精度数模转换器的结构，即放大系数由数模转换器的输出电压控制，而数模转换器的输出电压由单片机的控制数据决定。这种结构使控制方便灵活，放大系数可通过软件补偿。在这种设计中，缓冲器由高速运算放大器OPA354和外设组成，如图2.5所示。运算放大器354的单位增益带宽为250MHz，输入阻抗为100MHz，压摆率为150。运算放大器OPA354是一款电压反馈、CMOS开环、高速串联运算放大器，特别适用于要求高带宽的视频和运算放大器电路。此外，运算放大器354单位增益稳定，驱动电流大，功耗低，静态电流仅为4.9毫安。
2.2整形电路
整形电路是将555定时器连接到多谐振荡器，将待测的非方波信号调整为相同频率的方波信号，然后发送到MCU1测量频率。多谐振荡器是一种自激振荡器。通电后，多谐振荡器可以自动产生矩形脉冲，而无需额外的启动信号。555定时器是一种模数集成电路，有许多用途。它可以与少量外围设备形成多谐振荡器。将555的支路2和6连接在一起，当555的比较器C1和C2之间的参考电压不同时，555中的rs触发器将根据输入信号ⅳ的不同电平被设置为0或1，因此输出电压OV也将随着ⅳ的电平而改变，这构成施密特触发特性。实现了将非方波信号整形为同频率方波信号的要求。
第三章系统软件设计.............................................25
3.1控制软件设计......................................................26
3.1.1灵敏度和采样率的控制..........................................26[/溴/]3 . 1 . 2 DDS时钟的控制.............................................28
第四章实验结果...........................................42
第五章概述.........................................48
第四章实验结果
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参考文献(省略)