波形采集、存储与回放系统的设计

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摘要：本系统利用MSP430F149单片机控制，可以同时采集单极性和双极性两路周期信号，并存储到FLASH存储器，系统断电重启后，能连续回放已采集的信号，同时测量信号周期和电平并显示。本设计主要有输入电路模块、信号放大处理模块、单片机控制电路模块、D/A转换模块和输出模块等组成。本系统特点是功耗低，高输入阻抗，低输出阻抗，回放信号与原信号误差小，能显示信号周期和高低电平。

关键词：MSP430F149单片机；A/D转换器；D/A7524转换器

中图分类号：TP274.2 文献标识码：A

1 总体方案设计及框图

本系统主要由输入电路（集成运放和整形电路）部分、A/D转换电路模块、单片机及显示电路模块、D/A转换（DA7524转换电路）和输出电路模块[1]。输入信号经电平移位电路，经A/D转换后存入储存器并实时显示，回放时经D/A转换，显示在示波器上。具体框图如图1所示。

2 电路的设计与流程图设计

（1）采样信号处理

通过电阻分压方式实现电压的零点偏置，将电压整体抬高。

电阻分压方式具有结构简单，成本低的优点，且允许幅值较大的双极性模拟信号在板内传输，在外界干扰一定的时候，提高了信噪比[2]。对于MSP430F149内部的积分型ADC而言，电阻分压方式的输入阻抗较大，为保证片内电容的充电时间，以达到应有的测量精度，需相应延长采样的时间。

（2）输入电路的设计

由于MSP430F149内置的模数转换器（ADC）只能对低于3.3V的电压采样，而系统要求能完成对A通道高电平约4V，低电平接近0V信号的采样，所以系统在输入部分设计了一个同相比例运放电路，将输入信号衰减一倍，使之达到单片机对电压的采样要求。

（3）整形电路

频率测量时，利用MSP430F149单片机捕获输入信号上升沿，计算两个上升沿之间的时间差，即信号的周期。但设计的电路是正弦信号，有上升沿，不能达到电路的测量要求，所以本系统设计了一个整形电路，将正弦波信号转换为同频率的方波信号输出，以使单片机能准确捕捉到每一个上升沿信号。

（4）液显电路

A通道的输入和B通道的输入分别经过各自的输入电路送到A/D转换电路，由A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号。经过相应的计算和处理，从而在单片机的配备的液晶显示屏上显示采集到的信号周期（以“ms”为单位）和幅度（以“mV”为单位）。另一方面，当需要回放时，又会显示相应界面和上次存储起来的相关数据。

（5）电源的设计

本电路通过变压器将市电电压转换为24V交流电压，利用整流桥整流，然后用DC-DC转换芯片分别转换为±5V， ±12V，经过滤波后得到稳定的直流电压[3]。本电路各部分主要用到+5V和+12V两种电压。由于供电电压对电路的信号影响较大，所以这两路电压我们经过反复测试和修改，最终得到稳定纯净的直流电压。

（6）软件的设计

任何一个系统的主要功能的实现都得益于软件系统的设计。软件部分将AD转换得到的两路数字信号临时存放在单片机内，进行各种处理和计算，包括电压最大值和最小值计算，以及信号周期的分析和计算。并将两路信号分被存入单片机内部FLASH中的不同区段，保证系统断电后存入的信息不丢失，当需要对信号回放时，随时能对FLASH进行读取，并经DA转换回放出来。当然，软件的设计还要保证软件界面清晰而又人性化。

3 系统的测试与调试

（1）测试仪器

本系统所使用的测试仪器包括：提供周期信号波形的信号发生器，进行输入阻抗及输出阻抗测量的数字万用表，以及波形显示与回放的数字示波器等。

（2）系统调试

本系统的调试分为软件调试和硬件调试。

a.软件调试

系统中对软件的调试采用的是每个模块单独调试的方法，因为本设计的软件编程比较复杂，为了提高效率我们做完一个模块就进行调试，在把每个模块调试完都没有出现错误。最后把我们把每个模块组合起来整体连调。

b.硬件调试

系统中用到的硬件调试主要是检查电路板上的焊接是否正确，导线是否连通，各模块间的数据线是否接好。还有电路中的输入电阻和输出电阻是否匹配合适。在这些都合适的情况下再接上示波器和电源看是否显示波形，波形显示是否稳定准确，知道达到较高的技术指标为止。在需要软硬件结合连调时，软件正确的情况下把硬件电路接上去应该会显示电路要求的波形。如果没有达到要显示的波形，说明硬件电路有问题。并据此检查相应的电路，找出问题，反复修改调试和改进。经过反复调试，本系统每个模块都运行稳定，完全达到了设计要求。

4 总结

在整个系统的设计过程中我们基本达到了各个指标要求，发挥部分也能够同时采集、存储与连续回放A、B两路信号，分别测量和显示A、B两路信号的周期。还可以存储两次采集的信号，回放时用按键可以选择显示指定的信号波形。各方面指标都达到了预期效果。

参考文献：

[1] 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京：北京理工大学出版社，2008：121-143.

[2] 谢自美.电子线路·实验·测试（第三版） [M].湖北：华中科技大学出版社，2006：112-169.

[3] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛（修订版）[M].北京：电子工业出版社，2010：82-95.

作者简介：

钟秀娟（1982—），女，湖北工业大学.