基于单片机的波形记录装置
摘要：通用电子示波器价格低廉，是用户最乐于配备的常规仪器，但不具备信号记忆功能。因此，利用单片机设计一种信号波形装置，使之能与通用电子示波器结合，用来观测非重复信号波形是很有实际意义的。
关键词：单片机；数据采集；波形重构
一、设计原理
本设计电路是一个单极性输入，手动增益——手动采样周期选择的数据采集系统。为保证在A/D转换器（A/D1674）的模拟信号输入为正，我们把被测信号先经一预处理环节处理（经两次取反后使信号为正）。由于被测信号存在超调或弱小，已经超出A/D转换器的有效量程或微弱而不可以采集，对此必须对原始信号进行倍率调整，在此我们在预处理环节部分增加手动增益调整电路，被合适调整后的信号通入（S/H&A/D）转换器，在MCU的控制下进行实时采集，即将模拟信号转换成数字信号并依序转存于数据RAM，采集完毕，在MCU的控制下，将已捕获的数字信号D/A转换，快速重构输出并经“手动增益匹配”电路，使复现波形和被测信号波形一致，（即使Ki*Ko=1），最后送入通用电子示波器以实际观测。其原图如图
二、硬件设计与检验
硬件设计与检验围绕着一些关键元器件进行，如数据采集部分以AD1674为核心进行设计和检验，重构复现部分围绕着DAC0832进行设计和检验等。
（一）模—数A/D转换器采用AD1674
A/D转换器我们选用AD1674。AD1674是一个完整的、多用途的、12位的逐次逼近式A/D转换器。与AD574完全兼容，在此基础上增加了采样保持器（S/H）提供了更快的转换速度及更好的功能，在高速数据采集系统中被广泛应用。它具有以下特点：（1）分辨率12bit，三态并行输出，能方便地与8位和16位CPU接口。（2）转换时间10uS，转换速率100KHz，若仅作8bit转换则速度更快。（3）精度0.05%（4）内含S/H，10V精密基准电源及时钟电路。（5）单极性和双极性输入。输出量程分别为+10V、+20V、+5V、5V、10V。（6）单极性二进制原码输出，双极性偏移二进制码输出。（7）全控和独立的两种工作模式。
（二）数—模（D/A）转换采用DAC0832
D/A转换器的功能是将一组输入的二进制数转换为在时间上连续的模拟量。输出模拟量的形式有电流型和电压形两种。DAC0832属于电流输出型的转换器可外接运算放大器，将输入电流转换成电压并提高负载能力。
（三）增益调整设计
由于现成集成可编程运放其增益倍率均大于1在此我们需要增益小于1的，即使被测信号出现超调时使其合适降低。基本设计思路是：通过一片8入8出的拔动开关、线性运算放大器LM324和反馈电阻网络组成的、结构上对称的，能通过手动拔动不同的开关以选通不同的反馈电阻，从而获得多种增益系数。三、硬件的调试
由于这次实验的电路较为复杂，我们采用了分块调试的方法，根据原理图的功能分四个部分：D/A转换部分，A/D转换部分，倍率测定，不同周期的采样部分。
1）D/A调试：可以编写一个三角波程序，采用仿真器来实现。2）A/D和D/A的联调测试：编写采集200或100个点并进行立即复现程序。3）单输入/输出增益调整：由于我们买的多路选择开关CD4051经做实验后，发觉不能通过大于5V以上的电压，我们决定将自动增益仅作手动增益。因此不能按照自动增益的设计方案进行，觉得有点遗憾。为了达到我们的设计性能指标，将CD4051用八路选择开关替代。由于电路板线路布置已经固定，只能以开关控制选通一路，即一一对应的14号和3号引脚间的通路。在此我们利用其1：1的倍率进行，即调节电位器Ri2，使LM324的输出幅值和输入幅值相等。对于超调电压过大的模拟输入，我们将其减小一半处理，即调节Rw2，使LM324的“7”号引脚输出的电压幅值是输入电压幅值的一半。为确保能在示波器上准确|、方便地读出被測信号的真实幅值，我们将在软件中调节进行处理，加上一条RL A指令，把采集回来的数据左移乘2重构复现，或在输出增益匹配电路中调节。调整可调电位器Ro1，使在线调试中确保。最终输出电压的幅值等于原始输入的幅值。具体调试方法如下：a.在LM324的3号引脚，即在JP3的1号引脚输入+5V的电压；b.利用数字表测量LM324的7号引脚，调节可调电位器Rw2，使7号引脚输出电压Uout是输入电压Uin的一半，即Uout=2Uin=2×5=2.5V。4）不同周期的采样：由于不同的被测信号其过渡时间也有所不同，为完整复现出原信号过渡波形，因此需要使用适当的采样周期。因此就引入了采样周期选择的问题。同时被测信号是不可重复的“一次性”信号，要给这样的信号选择合适的采样周期，只有在主程序执行前，手动选择好采样周期。周期的选择我们采用程序对P1.6，P1.7口的扫描，由于两个引脚“0”，”1”状态的不同组合，程序可扫描到4种不同的状态，通过散转程序可使主程序分别调用4种不同的采样周期，从而达到不同周期选择的目的。该端口扫描程序应安排于源程序入口处执行，再根据扫描到的结果，将程序散转到不同的地方继续执行。
四、全局软件设计与样机总成
根据设计思路，将模拟输入信号转换为数字信号存储于片内RAM单元，再将其单元数据循环输出复现。所以在程序构思上，必须有数据采集部分，分配RAM单元地址用于存储采集到的数据，最后就是重复输出存储到的数据。为了能准确的采集到输入信号的数据，必需考虑到信号同步问题，即程序一检测到有信号输入就马上启动数据采集，所以程序上要加上检测触发信号部分。由于在实际的硬件制作过程中存在有各方面的干扰，使得采集到的数据信号与原输入信号有所偏差。但由于在板件制作调试过程中测得干扰对原输入信号的影响不是很严重，所以从减少元件数目，降低制作成本上考虑，采用了程序数字滤波而不用硬件电路的滤波了。
全局软件流程图如下：
五、仿真实验
为验证设计的正确性 ， 本文采用 SICE 通用单片机仿真器进行了模拟实验。 由于SICE 中已有容量足够的仿真 RAM[1 ]， 故波形记录器的实验样机中未扩展片外存储器。 模拟实验包括两个项目：一阶RC零状态响应波形；直流调速系统启动过程。实验中采用的通用电子示波器是普通的HZ4260型示波器，其直流带宽为7MHz，并增置了一台DF4313型长余辉示波器与模拟实验结果加以比照。仿真实验结果表明，波形记录器运行平稳，具有较强的抗干扰能力，达到了预期的设计目的。
六、结语
本文的设计方案，可以完整精确地记录到非可重复模拟信号，有效地解决了通用电子示波器不能显示动态波形的问题，又因所设计电路造价低可以很好地实验推广，具有实用价值。
参考文献：
[1]何家才.单片机控制工程实践技术.北京：化学工业出版社.
[2]何立民.单片机应用技术选编.北京：航空航天大学出版社.
[3]庞振泰. AD/DA转换器手册.北京：清华大学出版社.
[4]李华. MCS51系列单片机实用接口技术.北京：航空航天大学出版社.
