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基于STC12C5412AD单片机的存储示波器设计
?魏广寅
(贵州大学 计算机科学与技术学院
?
摘要:研究了基于单片机的自动量程转换频率计和存储示波器设计,经实验,效果理想,能实现1Hz~50MHz间的频率测量,同时显示信号周期,4档量程(精度),能实现1Hz~15KHz间的信号波形实时显示,采样速率120KHz,存储深度128B,还能对任何红外编码发射器码型进行破解。
?关键词:高速单片机 自动量程转换 液晶显示器 信号抽样 红外PWM 同步触发
?引言:频率计是电子电路测量、调试中不可缺少的一种仪器,其主要功能是测量信号的频率。传统的频率计是用纯分离数字IC组成,一般由信号整形、预分频、闸门、计数器、锁存器、译码驱动电路构成,结构较复杂,而功能扩展又及其不便。因此,本设计方案摒弃了传统的结构,而采用单片机和两片外围IC来完成上述的所有模块,在不增加外围的情况下还扩展了周期测量,波形显示,红外PWM编码分析等功能,因此性价比大幅提高,而制作难度大幅下降。
?参考文献:SSC12A64DRY---DataSheet
74HC390-------DataSheet
74HC03--------DataSheet
STC12C5412AD--DataSheet
?正文:本频率计采用液晶显示器做人机接口,菜单式界面设计,测量频率1Hz~50MHz自动转换量程,波形分析采用奈氏抽样,上限频率到15KHz,同步触发为过零触发,红外PWM编码分析采用一体化红外接收头,单片机内部解码,适用任何4B以下的归零曼彻斯特码分析。
系统电路如下:
电路工作原理:
预分频部分:待测信号从Q9头输入,经C1隔直后一路直接送往单片机做奈氏抽样,另一路则送往与非门U1。R1和R2将U1的输入端偏置在转折特性区的中点,这时U1既作为小信号放大器,又起到整形作用。整形后的信号送往由74HC390构成的10/100分频器,1分频的信号、10分频的信号、100分频的信号分别用U2,U3,U4来选通。为此,要求与非门的输出必须是OC形式的才能构成线与逻辑,本电路采用高速的74HC03,线与后的信号送单片机处理。
?软件流程如下:
单片机功能模块设计方法及说明:
?人机对话方式:采用128X64的点阵液晶做对话窗口,10级中文菜单操作,键盘采用经典的三按键结构,仅使用两个I/O口,分“向上”,“向下”,“回车”三项基本功能,在不同的工作模块中有不同的按键功能定义。
?系统自检模块:主要检测分频器选通端是否有短路。
?频率计模块:本部分全由软件实现,将单片机T0设置为闸门,闸门时间为1S和0.1S,T1设置为外部触发计数器,最高计数值65535,闸门时间内T1的计数值即为信号频率。
自动转换量程的实现:采用逐次试探比较算法,即先用高量程测频,若计数值小于某值则向下跳一挡,直到最合适的量程为止。在频率计子循环中不停检测当前读数是否越界,一旦越界立即切换量程,使16位的计数器能在各个频段达到最高的分辨率,并通过T1的溢出中断来判别是否测量的是信号的谐波,然后自动切换至高档位。在屏幕上表现为小数点位置的移动和频率单位的转换,高位零消隐。分段如下:
?频段 分频系数 闸门时间 单位 0.1Hz~50.000K 1 1000.0000mS KHz 50.001K~500.00K 1 100.0000mS KHz 500.01K~5.0000M 10 100.0000mS MHz 5.0001M~50.000M 100 100.0000mS MHz ?
周期测量:用软件实现,频率的倒数即是周期,根据不同的频段采用不同的周期单位和计算方式,已达到最高精度。
?示波器模块:根据奈氏抽样原理,将连续模拟信号用冲击信号抽样,数字滤波,10位量化得到离散的数字量,存储在RAM中以便分析。这种方法的基础是高速ADC,而STC12C5412AD系列单片机内部就集成有8通道10bit的高速ADC,采样速率最高到250KHz,本设计采用120KHz采样率,据奈氏抽样原理,两倍与信号频率的抽样速度就能从数字量中还原出模拟信号,但为保证还原后的高保真度,本设计采用8倍抽样速率,因此进行波形分析的输入信号的频率不能大于15KHz。
?同步触发的实现:因为输入信号的频率和相位与显示器扫描信号的相位很少有一致的时候,这样的话前后两帧之间会存在一个相位差,使屏幕上的波形混叠不清,不便于观察和分析。为此,本设计提供了两种同步触发方式,只有满足触发条件时才启动扫描,这样就能保证波形稳定的显示,分别为(1)
?过零正斜率触发:采用软件算法实现,循环的检测AD值,一旦检测值过零点(AD值=512)而且随后1,2时刻的采样值呈递增趋势(正斜率)就立刻触发扫描。(2)手动单次触发,按下定格键就将
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