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一種簡易數(shù)字波形存儲器的實現(xiàn)
摘要：給出了采用類似DMA的設(shè)計思路以及使用雙口RAM、快速邏輯電路和CPU(AT89C51)組成的數(shù)字波形存儲系統(tǒng)的整體電路，從而解決了波形數(shù)據(jù)的快速采集和輸出顯示問題。隨著信號處理技術(shù)的發(fā)展，波形存儲變得日益重要，各種類型的波形存儲裝置也越來越多。相對于其它波形存儲裝置，本文給出的設(shè)計的最大特點是速度快，可進(jìn)行ＤＭＡ存儲，且不占用ＣＰＵ時間來對信號進(jìn)行處理。
１ 系統(tǒng)的總體設(shè)計
由于本設(shè)計采用了雙口ＲＡＭ和ＤＭＡ思想，而且數(shù)據(jù)的采集、存儲與輸出均由邏輯電路控制，因此，提高了數(shù)據(jù)示波器的采樣速度，同時易于實現(xiàn)“實時顯示”，并可在“偽”實時處理時對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。此外，數(shù)據(jù)的實時顯示和“偽”實時處理可通過“ＤＭＡ允許”來控制，其總體設(shè)計方案如圖１所示。
１．１ 輸入電路
本設(shè)計的輸入電路實際是一個可調(diào)增益電路，主要完成對信號的放大。本設(shè)計設(shè)置有０．０１／ｄｉｖ、０．１／ｄｉｖ和１／ｄｉｖ三檔垂直靈敏度，可分別對輸入信號進(jìn)行１倍、１０倍和１００倍的放大。具體可采用以下兩種方案：
（１）采用可編程增益運放來實現(xiàn)１、１０、１００的放大倍數(shù)。由于采用集成運放，因而精度較高，調(diào)試方便，但造價也較高。
（２）采用三級放大，第一級為跟隨器方式，后兩級的放大倍數(shù)均為１０，每一級放大后都有一個輸出抽頭。具體連接如圖２所示。
１．２ Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的選擇(１)
Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器是波形存儲的關(guān)鍵部件。它決定了示波器的最大采樣速率以及分辨率。目前常用的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的輸出形式有并行和串行兩種，其轉(zhuǎn)換方式有逐次逼近型ＡＤＣ、積分型ＡＤＣ、∑－Δ型ＡＤＣ與流水線型ＡＤＣ。
對本設(shè)計來說，顯然應(yīng)該選擇高速Ａ／Ｄ。綜合考慮各方面的因素，筆者選用了８位ＣＭＯＳ、２０ＭＳＰＳ模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ＡＤＣ）ＴＬＣ５５１０。
如果需要進(jìn)一步提高存儲示波器輸入信號的頻率，可考慮并行Ａ／Ｄ，即用兩片Ａ／Ｄ對一路信號進(jìn)行分時采樣，因為這樣可在不提高器件頻率特性的基礎(chǔ)上將輸入信號的帶寬提高一倍。以此類推，可并聯(lián)多塊Ａ／Ｄ以使輸入信號的帶寬進(jìn)一步得到提高（本設(shè)計中不涉及此項，有興趣的讀者不妨一試）。
１．３ 存儲器的選擇
筆者在本設(shè)計中選用了兩片雙口４ｋＢ的ＲＡＭ ＩＤＴ７１３４（４ｋＢ）。它在雙路使用時，一路對應(yīng)一個存儲器。使用雙口ＲＡＭ便于對波形進(jìn)行實時處理和“偽”實時處理。
１．４ 觸發(fā)電路的設(shè)計
觸發(fā)電路在設(shè)計時有三種方案，其一是采用可調(diào)電阻。因為該輸入信號處在一個連續(xù)的范圍內(nèi)，即觸發(fā)電平可以連續(xù)變化，因此采用可調(diào)電阻能簡化電路。 其二是選用數(shù)字電位器代替模擬電阻。該方案雖然可實現(xiàn)程序控制，但觸發(fā)電平不能連續(xù)可調(diào)，且會增加系統(tǒng)的控制任務(wù)。其三是由Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器組成的觸發(fā)電路，如圖３所示。在該電路中，觸發(fā)電平與Ｄｉ輸入的關(guān)系為：
Ｖ＝ＶＲＥＦ Ｄｉ／２ｎ
式中，ｎ為Ｄ／Ａ的位數(shù)，ＶＲＥＦ為基準(zhǔn)電壓。
利用Ｄ／Ａ觸發(fā)電路能滿足觸發(fā)電平可調(diào)的要求，但會增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。因此，應(yīng)綜合考慮以上三個方案。
１．５ ＧＡＬ和控制電路
ａ． ＧＡＬ器件
ＧＡＬ?２?器件通常采用Ｅ２ＣＭＯＳ工藝制造，Ｅ２ＣＭＯＳ工藝的特點是可試驗性、低功耗、高速和立即可擦寫。目前最常用的ＧＡＬ器件有ＧＡＬ１６Ｖ８和ＧＡＬ２０Ｖ８兩種系列，它們最多有８個輸出端（也可編程輸入），分別有１６和２０個輸入端。
ＧＡＬ器件的特點如下：
● 方便編程，編程單元和邏輯配置可重復(fù)進(jìn)行編程；
● 高性能的Ｅ２ＣＭＯＳ工藝使得器件的功耗很低（最大運行功耗為４５ｍＡ），速度高（存取速度為１５～２５ｎｓ）；輸出邏輯宏單元的配置使設(shè)計具有更大的靈活性；
●具有保密單元，可對程序進(jìn)行加密以保護知識產(chǎn)權(quán)。
除此之外，ＧＡＬ器件還具有輸出寄存器的預(yù)加載功能以及鎖定保護、輸入緩沖和加電復(fù)位等技術(shù)特性和功能。
筆者選用ＧＡＬ１６Ｖ８來完成圖４所示的邏輯功能。其ＧＡＬ輸入輸出端口的邏輯關(guān)系為：
（ａｂｅｌ語言）
Ａｏｕｔ＝(Ａ０＃Ａ１＃Ａ２＃Ａ３)；
Ｂｏｕｔ＝!(Ｂ０＃Ｂ１)；
Ｃｏｕｔ１＝!(Ｃ１)；
Ｃｏｕｔ０＝(Ｃ０＆!Ｓ０＃!Ｃ１＆Ｓ０＃!Ｃ２＆Ｓ０)；
系統(tǒng)中數(shù)字部分的邏輯關(guān)系均可由ＧＡＬ來實現(xiàn)，這樣不但可使電路得到簡化，同時也可以提高系統(tǒng)的可靠性。
ｂ． 數(shù)字控制電路
圖５所示是該系統(tǒng)中數(shù)字控制電路的工作原理圖。當(dāng)系統(tǒng)工作于實時顯示模式時
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