手持式示波器的设计（软件部分）
第1章 绪论
1.1 研究背景
示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。这一简单的波形能够说明信号的许多特性:信号的时间和电压值、振荡信号的频率、信号所代表电路中“变化部分”信号的特定部分相对于其它部分的发生频率、是否存在故障部件使信号产生失真、信号的直流成份和交流成份、信号的噪声值和噪声随时间变化的情况、比较多个波形信号等。示波器的直观显示效果有助于对被测对象的深入理解。典型的示波器产生一个二维的波形，输入端接收电压信号显示在v轴方向上，而时间参数则显示在x轴方向上。传统的示波器是模拟的，用CRT作为显示器件。在电子枪内形成电子束，经过加速、聚焦，然后打在荧屏上，使受撞点发出可见光[1]。
模拟示波器对于非周期性的单次瞬变信号的观测是非常困难的，有时甚至是不可能的。为了将各种信号无失真地显示并存储，就必须采用数字技术。数字存储示波器(DSO, Digital Storage Oscilloscope)是随着模一数转换器(ADC)的发展而趋于实用化的示波器。数字示波器是智能化数字存储示波器的简称, 是模拟示波器技术、数字化测量技术、计算机技术的综合产物[2]。与传统模拟示波器相比, 数字示波器不仅具有可存储波形、体积小、功耗低, 使用方便等优点, 而且还具有强大的信号实时处理分析功能。因此在电子电信类实验室中使用越来越广泛。但目前我国使用高性能数字示波器主要依靠国外产品, 而且价格昂贵。因此研究数字示波器具有重要价值[3]。ADC把输入示波器的瞬时值转化为对应数字值，并保存在数字示波器中。采集完成后，从数字示波器中取出这一系列数字，经过适当处理后再现电压对时间的波形。由于数字存储示波器与计算机技术的紧密结合。使其发展非常迅速，目前以成为示波器市场上的主流产品，并逐渐地完全取代模拟示波器
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单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的
中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机是为满足工业控制而设计的，所以实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O接口直接进行操作，位操作能力更是
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福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文)
其它计算机无法比拟的。另外，由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传输时受到的干扰较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/O接口、PWM、ADC、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式（如在系统编程ISP）等方面都有了进一步的增强[5]。单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。目前，单片机应用技术已经成为电子应用系统设计最为常用的技术手段，所以学习和掌握单片机应用技术具有极其重要的意义[6]。
1.2 研究意义
示波器是电子测量中一种最常用的仪器，被广泛应用于各个领域。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线。便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器的直观显示效果有助于对被测对象的深入理解。
1.3 研究内容
数字示波器是智能化数字存储示波器的简称，是模拟示波器技术、数字化测量技术、计算机技术的综合产物。与传统模拟示波器相比，狮子示波器不仅具有可存储波形、体积小、功耗低、使用方便等优点，而且还具有强大的信号实时处理分析功能。因此在电子电信类实验室中使用越来越广泛。但目前我国使用高性能数字示波器主要依靠国外产品，而且价格昂贵。因此研究数字示波器具有重要价值。介于此，提出了数字示波器的设计方案，经测试，性能优良。
数字示波器是数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能。还有一些示波器可以提供存储，实现对波形的保存和处理。目前高端数字示波器主要依靠美国技术，对于300MHz带宽之内的示波器，目前国内品牌RIGOL做的示波器在性能上已经可以和国外品牌抗衡，且具有明显的性价比优势[7]。
数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，其使用日益普及。由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异，如果使用不当，会产生较大的测量误差，从而影响测试任务。
带宽是示波器最重要的指标之一。模拟示波器的带宽是一个固定的值，而数字示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。数字示波器对重复信号采用顺序采样或
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随机采样技术所能达到的最高带宽为示波器的数字实时带宽，数字实时带宽与最高数字化频率和波形重建技术因子K相关（数字实时带宽=最高数字化速率/K），一般并不作为一项指标直接给出。从两种带宽的定义可以看出，模拟带宽只适合重复周期信号的测量，而数字实时带宽则同时适合重复信号和单次信号的测量。厂家声称示波器的带宽能达到多少兆，实际上指的是模拟带宽，数字实时带宽是要低于这个值的。例如说TEK公司的TES520B的带宽为500MHz，实际上是指其模拟带宽为500MHz，而最高数字实时带宽只能达到400MHz远低于模拟带宽[3]。所以在测量单次信号时，一定要参考数字示波器的数字实时带宽，否则会给测量带来意想不到的误差
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采样速率也称为数字化速率，是指单位时间内，对模拟输入信号的采样次数，常以MS/s表示[9]。采样速率是数字示波器的一项重要指标。如果采样速率不够，容易出现混迭现象。如果示波器的输人信号为一个100KHz的正弦信号，示波器显示的信号频率却是50KHz，这是怎么回事呢？这是因为示波器的采样速率太慢，产生了混迭现象。混迭就是屏幕上显示的波形频率低于信号的实际频率，或者即使示波器上的触发指示灯已经亮了，而显示的波形仍不稳定。混迭的产生如图1所示。那么，对于一个未知频率的波形，如何判断所显示的波形是否已经产生混迭呢？可以通过慢慢改变扫速t/div到较快的时基档，看波形的频率参数是否急剧改变，如果是，说明波形混迭已经发生；或者晃动的波形在某个较快的时基档稳定下来，也说明波形混迭已经发生[10]。根据奈奎斯特定理，采样速率至少高于信号高频成分的2倍才不会发生混迭。如一个500MHz的信号，至少需要1GS/s的采样速率。数字示波器可以对数据进行运算和分析，在工业生产中得到了非常广泛的应用。为了让示波器工作在合格的状态，对示波器定期、快速、全面的检定，保证其量值溯源，是摆在测试工程师面前的一项紧迫任务。手工检定效率低，容易出错，对每一种示波器的检定需要测试工程师翻阅大量的资料.自动测试系统具有准确快速地测量参数，自动存储测试数据等特性，是传统的手工测试没有办法达到的。用自动测试系统实现对示波器的程控检定会是仪器检定趋势[11]。
1.4 论文组织
随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，示波器也从模拟示波器向数字示波器发展。同模拟示波器相比，数字示波器具有很多优点，并开始逐步取代模拟示波器，成为市场上的主流。传统的示波器是模拟的，用CRT作为显示器件。在电子枪内形成电子束，经过加速、聚焦，然后打在荧屏上，使受撞点发出可见光。
模拟示波器对于非周期性的单次瞬变信号的观测是非常困难的，有时甚至是不可能的。为了将各种信号无失真地显示并存储，就必须采用数字技术。数字存储示波器(DSO, Digital Storage Oscilloscope)是随着模一数转换器(ADC)的发展而趋于实用化的示波
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器。ADC把输入示波器的瞬时值转化为对应数字值，并保存在数字示波器中。采集完成后，从数字示波器中取出这一系列数字，经过适当处理后再现电压对时间的波形。由于数字存储示波器与计算机技术的紧密结合。使其发展非常迅速，目前以成为示波器市场上的主流产品，并逐渐地完全取代模拟示波器[12]。
本文将在第二章主要介绍论文核心器件的性能，第三章介绍说明系统软件。
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