1 引言
目前,通用二蹤示波器如HH4310A/HH4311A、RS8等均無存儲功能,在學生實驗中能滿足信號測量的要求,但若用于測量一些非周期單脈衝信號,由于信號的突發性,這些通用的示波器往往不能對信號的波形、幅值、脈寬進行仔細的觀測。其在通用示波器中嵌入存儲功能,能极大地擴展應用范圍,具有較高的實用价值。筆者介紹一种利用SPCE061A型16位單片机在HH4310A/HH4311A型通用示波器中嵌入存儲功能的原理及實驗結果。
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,但總的來說,可以歸納為3個主要組成部分:垂直系統(主要實現Y輸入信號的放大);水平系統(主要實現水平掃描和水平放大)和主机(主要包括低/高壓電源和顯示電路)。基本結构如圖1所示,各組成部分的詳細工作原理參閱參考文獻[1]。
3 嵌入
存儲功能的原理
在通用示波器中嵌入存儲功能的基本原理是用A/D轉換器把模擬信號轉換為數字信號,然后存儲到RAM中,需要顯示時控制工程网版权所有,將RAM中的存儲的數字信號按順序讀出,通過D/A轉換器恢复模擬信號,在示波器熒光屏上顯示出來。在設計中,利用SPCE061A型16位單片机中的A/D轉換器實現對示波器的Y輸入被測信號的模/數轉換,轉換的結果存儲在SPCE061A內部的SRAM中,顯示時控制工程网版权所有,經SPCE061A的D/A轉換器恢复輸入的模擬信號,SPCE061A及相關電路构成的擴展電路接在通用示波器垂直系統的Y輸入電路及前置放大器之間,如圖2所示。
3.1 A/D轉換的原理及性能要求
要實現對輸入被測信號的存儲,A/ D轉換(取樣、量化、編碼)是關鍵,根据奈奎斯特(Nyquist)取樣定理,曲江后能夠不失真地還原出原信號控制工程网版权所有,必須滿足fs>2fm,即取樣頻率必須大于信號最高頻率的2倍。在SPCE061A中有7路10位逐次逼近型A/D轉換器,通用對A/D轉換器有關控制寄存器P_ADC_Ctrl($7015H)、P_ADC_MUX_Ctrl($702BH)的合理設置啟動A/D轉換,從P_ADC_MUX_Data($702CH)單元中讀出A/D轉換的值。SPCE061A中A/D轉換的最高速率為(Fosc/32/16Hz),如果速率超過此值,從P_ADC_MUX_Data中讀出數据時會發生錯誤。A/D轉換的最大頻率相應率(Fosc/32/16Hz)如表1所示。
在SPCE061A中,32768Hz的實時時鐘經過PLL倍頻電路產生系統時鐘Fosc,Fosc再經過分頻得到CPU時鐘(CPUCLK),通過對寄存器P_System Clok($7013H)的編程來完成對系統時鐘Fosc和CPU時鐘頻率的定義。默認時,Fosc、CPUCLK分別為24.576MHz和Fosc/8。
根据A/D轉換的基本原理及SPCE061A的A/D轉換的特性,在通用示波器中嵌入的存儲功能模塊的最大不失真頻率為20kHz。
3.2 數字信號的存儲和D/A轉換
經A/D轉換的結果需要存儲到存儲器中,其存儲容量為獲取波形的取樣點數目,用直接存放A/D變換后數据的獲取存儲單元來表示。在SPCE061A中有2K×10bit的SRAM存儲單元,實際使用的SRAM的容量主要由A/D轉換的速率和掃描因數(t/div)共同決定,其關系如下式所示:
t/div=1/fS×N (1)
式中,fS為A/D轉換的取樣頻率,N為每格的取樣點數。由此可知控制工程网版权所有,在A/D變換速率相同的條件下,存儲容量的大小決定掃描時間因數的大小。在設計中,A/D變換的速率fS最大為96kHz,若用1K的SRAM作為A/D轉換的存儲器CONTROL ENGINEERING China版权所有,則最大掃描時間為10ms/div。在存儲擴展模塊中控制工程网版权所有,單片机啟動A/D轉換器后,通過對P_ADC_MUX_Data($702CH)單元中A/D轉換結果的比較,當有效的轉換結果出現時,才將