MSP430单片机实用技术讲座18 第13讲 简易存储示波器的设计

　　　ＭＳＰ４３０单片机实用技术讲座（１８）

第１３讲　　简易存储示波器的设计

・南京航空航天大学　　　魏小龙・

前几讲讲述了ＡＤＣ１２、ＴＡ、串口等片内外围设备的情况，再加上一个新的模块运算放大器，这一讲将它们进行综合应用，具体各部分设计

至此，有了大致的设计思路。首先要介绍ＭＳＰ４３０片内设计一个简易存储示波器。此设计的目标如下：

输入信号的频率在ＤＣ～２０ｋＨｚ；输入信号的电压在２０ｍＶ～２Ｖ；

输入信号的波形通过串口传输到ＰＣ机显示；输入信号波形１．５Ｋ深度存储。

设计分析与设计思路

以及资源分配

首先，输入信号的频率在ＤＣ～２０ｋＨｚ范围。则根据采样定理要求采样频率在４０ｋＨｚ内可调整。而ＡＤＣ１２的最高采样频率在１００ｋＨｚ，就将采样频率设计在１００ｋＨｚ内可调。这里使用定时器ＴＡ进行定时采样，通过调整ＴＡ的定时时间达到在指定频率采样的目的。

其次，模拟输入信号的电压范围在２０ｍＶ～２Ｖ内，而ＡＤＣ１２的参考电压为１．５、２．５Ｖ，要想达到这么大的动态范围，只有将输入信号调节。这里运用ＭＳＰ４３０片内自有的运算放大器实现。ＭＳＰ４３０片内有３只可编程的运算放大器，每只放大器的放大倍数在１～１６倍可调，则可以方便地调节输入信号进入ＡＤＣ１２的幅度。

第三，使用串口送采集的数据到ＰＣ机是很方便的。

第四，在ＰＣ机端写参数选择面板与示波器波形显示屏程序。

最后，示波器的波形能存储以便分析。这里利用ＭＳＰ４３０片内自有的２Ｋ字节ＲＡＭ可以方便实现。

综上所述，此简易存储示波器设计框图如图１所示。

图１

・25的运算放大器。因为模拟输入信号最终需要放大（缩小）到１．５、２．５Ｖ内，只有使用运算放大器实现，而运算放大器在ＭＳＰ４３０ＦＧ４３系列中，所以本设计将使用ＭＳＰ４３０ＦＧ４３９，ＭＳＰ４３０ＦＧ４３９的片内资源为：定时器ＴＡ、ＴＢ、ＡＤＣ１２、运算放大器ＯＡ、通用串口、看门狗等。图２是ＭＳＰ４３０ＦＧ４３９片内

图２

运算放大器的结构框图。

以上运算放大器的结构框图为单只运放的框图，其他两只完全一样。在ＭＳＰ４３０ＦＧ４３９芯片中，三只运算放大器的引脚都在Ｐ６端口上。

每只运算放大器的所有功能在ＯＡｉＣＴＬ１、ＯＡｉＣＴＬ０两个寄存器中实现。寄存器各位含义简介如下：

２００５年６期

・电子世界单片机与可编程器件

上传与下达两部分。

上传数据包括：模拟量的ＡＤＣ转换值、采样频率、放大倍数的大小、本次存储的数据长度等信息。

下传的数据包括：要求的采样频率增大还是减小、要求放大倍数增大还是减小、要求本次存储深度等信息。

所以，ＰＣ机的屏幕安排如下：三个参数直接使用加减更改，之后下传采集终端（如图５）。

通过以上寄存器的各位可以方便地使用放大器。比如要改变放大倍数，直接更改ＯＡｉＣＴＬ１中的第５、６、７位的数值即可。

ＯＡｉＣＴＬ１中的第５、６、７位的数值改变将直接影响图中运算放

大器反馈电阻的阻值改变：反馈电阻中４个Ｒ、两个２Ｒ两个４Ｒ的不同接入方式即图３中的ＲＦ。运用

此运放可方便更改放大

图３

倍数这一特点来实现宽的输入电压范围。

图５

１．　构想　　　在了解了运算放大器的使用之后，下面在本设计中配置这三个放大器：第一个放大器用于输入信号与本示波器的隔离，第二第三放大器用于信号放大。本设计思路：使用第一放大器射极跟随（信号隔离），然后根据信号的大小，再调节放大器的放大倍数到需要的值（能在ＰＣ屏幕上显示比较满意的波形）。只有两级放大，放大器的倍数最大为２５６倍，根据需要，输入信号的幅度范围为１０ｍＶ～２Ｖ，则需要放大２００倍，完全能满足要求。所以输入信号在１～２００倍可调放大。电路如图４所示。

在输入信号为１０ｍＶ时，运放放大２００

倍，幅度将达到２Ｖ，在ＡＤＣ１２的参考电压取２．５Ｖ时，转换数据为２／

图４

软件设计

１．　ＭＳＰ４３０方面　　　需要完成以下几部分事情：主程序编写、

定时器中断服务程序的编写、串口通讯程序、定时器中断服务程序、ＡＤＣ１２转换程序、运算放大器程序等。主程序主要完成初始化工作，框图如图６。

定时器中断服务程序完成定时采样、整个时序的搭配控制等。所以ＡＤＣ１２转换程序涵盖在定时器中断服务程序中。定时参数的改变在此程序中完成。

图６

框图如图７。

串口通讯程序需要完成通讯数据的上传与下达。数据上传为主动方式，接收ＰＣ机的数据为被动方式，采用中断。在接收到ＰＣ机的数据上传请求命令时，上传数据，如图８所示。

２．ＰＣ机程序设计　　　在ＰＣ机端主要完成由采集终端送来数据的显示、多个命令参数的更改同时下达到采集终端。

在显示波形时，横坐标为

２．５＊４０９６　＝　３２７６。

在输入信号为

２００ｍＶ时，运放放大１０倍，幅度将达到２Ｖ，在ＡＤＣ１２的参考电压取２．５Ｖ时，转换数据为２／２．５＊４０９６　＝　３２７６。

在输入信号为２Ｖ时，运放放大１倍，幅度将达到２Ｖ，在ＡＤＣ１２的参考电压取２．５Ｖ时，转换数据为２／２．５＊４０９６　＝　３２７６。

根据以上分析，如此配置运放是完全可行的。

ＡＤＣ１２的配置应该为：片内参考电压为２．５Ｖ；Ｐ６０为模拟输入信号Ａ０，如果设计为多通道示波器，则使用Ａ１～Ａ７做其他模拟输入通道，此处为单通道，仅使用Ａ０；采样使用主动读取方式，非ＡＤＣ１２中断。

采样与保持的时间取最小值，主要为了兼顾最快采样。

２．　考虑定时器的设置　　定时器使用ＴＡ，ＴＡ使用ＳＭＣＬＫ，ＳＭＣＬＫ设置为８ＭＨｚ，这样，采样频率可以方便调整。本设计要求：输入信号在ＤＣ～２０ｋＨｚ。所以，采样频率最高取１００ｋＨｚ，最低取３００Ｈｚ（３００Ｈｚ可以利用视觉暂停避免闪烁），ＴＡ设置如下：运行在连续计数模式；ＳＭＣＬＫ为输入时钟；产生中断，在中断服务程序中实现ＡＤＣ１２采样；定时长度的改变由ＰＣ机操作实现。

３．　设计通讯部分　　使用普通ＲＳ２３２串口与计算机通讯，分

图７

时间，纵坐标为电压（ＡＤＣ１２

结果）。使用ＶＢ、ＶＣ编写（略）。

参数改变：当鼠标点击减小按钮时，对应参数减小一半，当点击增加按钮时，相应参数增加一倍，同时参数下达

图８

到采集终端。

编者附记：ＭＳＰ４３０讲座到本期为止已经结束，读者对本讲座有何疑问，欢迎登陆本刊论坛：ｂｂｓ．ｅｌｅｗｏｒｌｄ．ｃｏｍ交流。◆

・26・电子世界２００５年６期