基于SPCE061A的通用示波器存儲(chǔ)功能擴(kuò)展設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　目前，通用二蹤示波器如HH4310A/HH4311A、RS8等均無(wú)存儲(chǔ)功能，在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中能滿足信號(hào)測(cè)量的要求，但若用于測(cè)量一些非周期單脈沖信號(hào)，由于信號(hào)的突發(fā)性，這些通用的示波器往往不能對(duì)信號(hào)的波形、幅值、脈寬進(jìn)行仔細(xì)的觀測(cè)。其在通用示波器中嵌入存儲(chǔ)功能，能極大地?cái)U(kuò)展應(yīng)用范圍，具有較高的實(shí)用價(jià)值。筆者介紹一種利用SPCE061A型16位單片機(jī)在HH4310A/HH4311A型通用示波器中嵌入存儲(chǔ)功能的原理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　2 通用示波器的基本工作原理

　　通用示波器的頻率繁多，電路各不相同，但總的來(lái)說(shuō)，可以歸納為3個(gè)主要組成部分：垂直系統(tǒng)(主要實(shí)現(xiàn)Y輸入信號(hào)的放大);水平系統(tǒng)(主要實(shí)現(xiàn)水平掃描和水平放大)和主機(jī)(主要包括低/高壓電源和顯示電路)?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示，各組成部分的詳細(xì)工作原理參閱參考文獻(xiàn)[1]。

　　3 嵌入存儲(chǔ)功能的原理

　　在通用示波器中嵌入存儲(chǔ)功能的基本原理是用A/D轉(zhuǎn)換器把仿真信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后存儲(chǔ)到RAM中，需要顯示時(shí)，將RAM中的存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)按順序讀出，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器恢復(fù)仿真信號(hào)，在示波器熒光屏上顯示出來(lái)。在設(shè)計(jì)中，利用SPCE061A型16位單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器的Y輸入被測(cè)信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果存儲(chǔ)在SPCE061A內(nèi)部的SRAM中，顯示時(shí)，經(jīng)SPCE061A的D/A轉(zhuǎn)換器恢復(fù)輸入的仿真信號(hào)，SPCE061A及相關(guān)電路構(gòu)成的擴(kuò)展電路接在通用示波器垂直系統(tǒng)的Y輸入電路及前置放大器之間，如圖2所示。

　　3.1 A/D轉(zhuǎn)換的原理及性能要求

　　要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入被測(cè)信號(hào)的存儲(chǔ)，A/ D轉(zhuǎn)換(取樣、量化、編碼)是關(guān)鍵，根據(jù)奈奎斯特(Nyquist)取樣定理，曲江后能夠不失真地還原出原信號(hào)，必須滿足fs>2fm，即取樣頻率必須大于信號(hào)最高頻率的2倍。在SPCE061A中有7路10位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，通用對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器有關(guān)控制寄存器P_ADC_Ctrl($7015H)、P_ADC_MUX_Ctrl($702BH)的合理設(shè)置啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，從P_ADC_MUX_Data($702CH)單元中讀出A/D轉(zhuǎn)換的值。SPCE061A中A/D轉(zhuǎn)換的最高速率為(Fosc/32/16Hz)，如果速率超過(guò)此值，從P_ADC_MUX_Data中讀出數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。A/D轉(zhuǎn)換的最大頻率相應(yīng)率(Fosc/32/16Hz)如表1所示。

　　在SPCE061A中，32768Hz的實(shí)時(shí)時(shí)鐘經(jīng)過(guò)PLL倍頻電路產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘Fosc，F(xiàn)osc再經(jīng)過(guò)分頻得到CPU時(shí)鐘(CPUCLK)，通過(guò)對(duì)寄存器P_System Clok($7013H)的編程來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘Fosc和CPU時(shí)鐘頻率的定義。默認(rèn)時(shí)，F(xiàn)osc、CPUCLK分別為24.576MHz和Fosc/8。

　　根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換的基本原理及SPCE061A的A/D轉(zhuǎn)換的特性，在通用示波器中嵌入的存儲(chǔ)功能模塊的最大不失真頻率為20kHz。

　　3.2 數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)和D/A轉(zhuǎn)換

　　經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果需要存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，其存儲(chǔ)容量為獲取波形的取樣點(diǎn)數(shù)目，用直接存放A/D變換后數(shù)據(jù)的獲取存儲(chǔ)單元來(lái)表示。在SPCE061A中有2K×10bit的SRAM存儲(chǔ)單元，實(shí)際使用的SRAM的容量主要由A/D轉(zhuǎn)換的速率和掃描因子(t/div)共同決定，其關(guān)系如下式所示：

　　式中，fS為A/D轉(zhuǎn)換的取樣頻率，N為每格的取樣點(diǎn)數(shù)。由此可知，在A/D變換速率相同的條件下，存儲(chǔ)容量的大小決定掃描時(shí)間因子的大小。在設(shè)計(jì)中，A/D變換的速率fS最大為96kHz，若用1K的SRAM作為A/D轉(zhuǎn)換的存儲(chǔ)器，則最大掃描時(shí)間為10ms/div。在存儲(chǔ)擴(kuò)展模塊中，單片機(jī)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器后，通過(guò)對(duì)P_ADC_MUX_Data($702CH)單元中A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的比較，當(dāng)有效的轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)時(shí)，才將結(jié)果保存到SRAM中，利用這種方法能夠有效地?cái)U(kuò)大掃描時(shí)間因子，對(duì)于單脈沖信號(hào)的捕捉非常有效。ADC的部分程序如下：

　　在A/D轉(zhuǎn)換中，不僅A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)和存儲(chǔ)容量決定示波器的垂直和水平分辨率，而且，通過(guò)單片機(jī)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字信號(hào)多次取平均處理，消除隨機(jī)噪聲，可以使垂直分辨率得到提高。 SPCE061A提供了2路D/A轉(zhuǎn)換通道，通過(guò)對(duì)寄存器P_DAC_MUX_Ctrl(702AH)單元的編程控制D/A轉(zhuǎn)換，將存儲(chǔ)器中的數(shù)字信號(hào)按順序轉(zhuǎn)換為仿真信號(hào)，加到示波器的Y通道放大器中，在熒光屏上重現(xiàn)信號(hào)的波形。

　　4 示波器存儲(chǔ)模塊的實(shí)驗(yàn)研究

　　對(duì)于示波器存儲(chǔ)模塊的研究主要采用對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較的方式。在實(shí)際中，利用HH4310A / HH4311A型通用示波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行1次直接測(cè)量和1次存儲(chǔ)測(cè)量，然后對(duì)2次測(cè)量結(jié)果(包括波形的失真度、幅值及頻率)進(jìn)行比較。圖3(a)和(b)分別顯示對(duì)單脈沖信號(hào)的直接顯示波形和存儲(chǔ)顯示波形。

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較可以看出，在一定頻率(20kHz)以下，嵌入SPCE061A的示波器存儲(chǔ)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)的不失真存儲(chǔ)。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究可以看出，利用SPCE061A可以實(shí)現(xiàn)對(duì)通用示波器存儲(chǔ)功能的擴(kuò)展。通過(guò)單片機(jī)的編程可較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)單次脈沖的存儲(chǔ)測(cè)量。雖然在SPCE061A中，A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換的速度和SRAM的容量限制了存儲(chǔ)信號(hào)的頻帶范圍，但是，其成本較低，性價(jià)比較高，具有一定的實(shí)用價(jià)值。若要擴(kuò)大存儲(chǔ)信號(hào)帶寬的范圍，可采用高速A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器以及大容量的RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)。