簡易邏輯分析儀

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摘 要

本系統(tǒng)由8位可預(yù)置的循環(huán)移位數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、簡易邏輯分析儀兩部分組成。
循環(huán)移位數(shù)字信號(hào)發(fā)生器由51單片機(jī)控制,可以產(chǎn)生8位邏輯信號(hào)序列和時(shí)鐘信號(hào)波形,并且邏輯信號(hào)序列可以預(yù)置。其中一路輸出電平可在０～５Ｖ內(nèi)調(diào)節(jié)。采用１６×２液晶顯示各設(shè)置參數(shù)，顯示直觀，設(shè)置方便。
在簡易邏輯分析儀的設(shè)計(jì)中，由于要在示波器上顯示8路波形，此操作占用大量運(yùn)算時(shí)間，故而采用雙單片機(jī)協(xié)同工作的方式：其中一片單片機(jī)作輸入控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示及各控制參數(shù)設(shè)置；另一片單片機(jī)控制Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器輸出波形到示波器。兩單片機(jī)之間采用串行方式進(jìn)行通信。我們采用XY掃描方式的顯示方法。X軸的鋸齒波信號(hào)由Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，由于要同時(shí)顯示8路信號(hào)，所以Y軸的信號(hào)由被測信號(hào)、時(shí)標(biāo)信號(hào)和參考電平相加得到，在軟件配合下，可以比較方便實(shí)現(xiàn)８路信號(hào)的穩(wěn)定顯示，同時(shí)也可顯示時(shí)間標(biāo)志線和觸發(fā)點(diǎn)位置。
在本設(shè)計(jì)中，采用插線連接信號(hào)發(fā)生器和簡易邏輯分析儀，連接方式靈活、方便。數(shù)據(jù)采集有單級(jí)、多級(jí)（３級(jí)）觸發(fā)方式。信號(hào)采集電路中采用門限電壓調(diào)節(jié)電路，可以采集0.1～4.5Ｖ門限的各種邏輯電平，存儲(chǔ)深度達(dá)到２４Ｂit，示波器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)８路２４Ｂit信號(hào)同時(shí)顯示。時(shí)間標(biāo)志線，觸發(fā)點(diǎn)等功能完善。達(dá)到了基本的設(shè)計(jì)要求，并對(duì)其它的功能進(jìn)行了較好的完善和擴(kuò)充。


第一部分：方案論證與比較
由于本題目實(shí)際由兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分組成，所以我們對(duì)兩個(gè)部分分別進(jìn)行分析討論：
一、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器
根據(jù)題目要求，我們考慮可以采用以下幾種方案可以采用：
1、方案一：采用555定時(shí)器和可預(yù)置移位寄存器。用74LS194A接成8位可預(yù)置循環(huán)移位寄存器，方波發(fā)生器提供一時(shí)鐘信號(hào)給移位寄存器，預(yù)置數(shù)用8個(gè)波段開關(guān)接入（即循環(huán)序列）。此方案簡單可靠，但信號(hào)頻率不易更改，硬件復(fù)雜，不易擴(kuò)展。
2、方案二：采用EPROM固化波形輸出，EPROM存儲(chǔ)容量大，將各種波形的產(chǎn)生程序固化到EPROM中，一振蕩器接一8位的計(jì)數(shù)器送EPROM 8位數(shù)據(jù)輸出，8位計(jì)數(shù)器需要3位地址線再加上8位選擇開關(guān)切換不同波形顯示，這樣就有11位地址線可尋址2K空間。盡管此種方法可產(chǎn)生較好的波形，但使用時(shí)不夠靈活，只有固定的幾種波形。
3、方案三：用PC 通過軟件編程可以從并行口輸出信號(hào)波形，不需要硬件電路，且設(shè)計(jì)靈活，但是不適合電子設(shè)計(jì)競賽，并且PC體積大，攜帶不方便。
4、方案四：采用中規(guī)模FPGA，使用VHDL語言設(shè)計(jì)移位寄存器。此方案可以實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)產(chǎn)生信號(hào)，且信號(hào)頻率可調(diào)，體積小, 但其顯示電路占用資源多，這樣設(shè)計(jì)出來的電路系統(tǒng)將大且復(fù)雜。
5、方案五：采用一片89C51單片產(chǎn)生波形序列。用單片機(jī)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，設(shè)計(jì)簡單，設(shè)置靈活，頻率調(diào)節(jié)方便，并且易擴(kuò)展其他功能，有它獨(dú)到之處！
綜合分析上述各方案，比較其優(yōu)缺點(diǎn)，包括靈活性、可靠性、可擴(kuò)展性和易操作性，所以選用方案五。
二、簡易邏輯分析儀
我們先對(duì)題目要求進(jìn)行簡單分析：
要實(shí)現(xiàn)本題目的基本要求，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)和控制示波器顯示的功能。其中數(shù)據(jù)采集功能要求可采集8路信號(hào)，采集深度20位（我們的方案選擇24位），數(shù)據(jù)量為24×8=24bytes,對(duì)于一般的單片機(jī)系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于顯示功能，要求用示波器顯示清晰穩(wěn)定的8路數(shù)字波形，再包括額外的時(shí)間標(biāo)線和觸發(fā)點(diǎn)的顯示，則共需要９個(gè)通道。對(duì)于示波器來說，為了顯示的波形清晰穩(wěn)定，一般要求掃描的刷新頻率ｆ＞25Hz。每顯示一路信號(hào)，需要沿X軸掃描24個(gè)位，設(shè)定每個(gè)位需要顯示10個(gè)點(diǎn)，則顯示一個(gè)通道需要24×10個(gè)點(diǎn)。
同時(shí)顯示9通道的數(shù)字波形，則共顯示24×9=216個(gè)位，216×10個(gè)點(diǎn)。由此可知，掃描一個(gè)點(diǎn)所需的時(shí)間為：1秒/（25禎*24位*9通道*10點(diǎn)）=18.5微秒/點(diǎn)。對(duì)于采用12MHz晶振的單片機(jī)來說，僅能執(zhí)行大約15條指令。如果數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)和控制顯示功能由同一單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，處理起來十分困難。即使是24兆的單片，也只能執(zhí)行30條左右而已....