數(shù)字示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器,。與傳統(tǒng)模擬示波器相比,，數(shù)字存儲示波器不僅具有可存儲波形、體積小,、功耗低,，使用方便等優(yōu)點，而且還具有強大的信號實時處理分析功能,，在電子電信類實驗室中使用越來越廣泛,。

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展和電路結(jié)構(gòu)的變化，對電路測量的要求也變得更高,。對廣大理工科學生和從事電子等相關(guān)行業(yè)的普通工作者在電子制作,、產(chǎn)品維修等中，很多電路參數(shù)需要測量分析,，經(jīng)常需要使用數(shù)字示波器,。但目前我國使用的高性能數(shù)字示波器普遍價格昂貴，所以研究簡易數(shù)字示波器具有重要意義,。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

　　1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　該設(shè)計以AT89S52單片機為控制核心,，由預(yù)處理電路(包括阻抗變換、程控放大,、信號調(diào)理電路),、A／D數(shù)據(jù)采集電路、E2PROM存儲電路,、功能鍵盤,、LCD顯示電路以及電源等部分組成,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示?！　?/p>

　　1．2 工作原理

　　數(shù)字示波器有二個輸入通道,。預(yù)處理電路由阻抗變換、程控放大,、信號調(diào)理電路組成,。輸入信號先經(jīng)阻抗變換電路后進入程控放大電路，根據(jù)需要對信號進行放大(衰減)處理,，然后信號再進入信號調(diào)理電路進行電平調(diào)整成為符合A／D轉(zhuǎn)換要求的0～5 V電壓,。之后輸出的模擬信號經(jīng)過高速A／D轉(zhuǎn)換器AD0809實時采樣變成數(shù)字信號，經(jīng)過AT89S52單片機后儲存在半導(dǎo)體存儲器E2PROM中,。單片機從存儲器中讀出信號

　　進行運算處理,，將波形顯示在LCD液晶屏上。所有功能可由鍵盤操作完成,。

　　2 硬件設(shè)計

　　2．1 單片機

　　AT89S52是一個低功耗,，高性能CMOS8位單片機，具有8 192個在系統(tǒng)可編程FLASH存儲器,。采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造,，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu),。

　　系統(tǒng)采用AT89S52單片機作為主控芯片。單片機首先通過控制A／D轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,，之后將數(shù)字信號存儲在E2PROM存儲器中,，最后在LCD液晶上顯示出模擬信號的波形。

　　2．2 程控放大電路

　　程控放大電路的作用是對大信號進行衰減,，對小信號進行放大,，保證輸入到A／D轉(zhuǎn)換器的信號幅度在要求的輸入電壓范圍內(nèi)，以達到最好的測量與觀察效果,。采用模擬開關(guān)CD4051,，運算放大器為OPA842，配合精密電位器實現(xiàn)多擋垂直分辨率,。在AT89S52單片機中使用寄存器模塊設(shè)置通道號,，通過寫入通道號控制模擬開關(guān)選通不同的反饋電阻，從而實現(xiàn)不同的放大倍數(shù),，具體的電路如圖2所示,。

　　2．3 信號調(diào)理

　　由于示波器觀察信號大多是正負電壓信號，而A／D轉(zhuǎn)換器AD0809是單極性參考電壓,。為了采樣到信號的負電壓,，就需要給該信號疊加直流量,，將負電壓部分信號抬高至零電平以上，因此采用信號調(diào)理電路,，將信號調(diào)理在滿足A130809的0～5 V范圍內(nèi),。R1，R2,，R3,，U1即為程控放大電路的簡化模塊，電路如圖3所示,?！　?/p>

　　2．4 數(shù)據(jù)存儲電路

　　E2PROM是數(shù)據(jù)存儲電路的關(guān)鍵器件，本文選用Atmel公司新近推出的具有I2C總線容量達512 Kb(64 K×8 b)的AT24C512,。該芯片的主要特性如下：存儲容量為65 536 B,；與100 kHz，400 kHz,，1 MHzI2C總線兼容,；100 000次編程／擦寫周期；單電源,、讀／寫電壓為1．8～5．5 V,；ESD保護電壓大于4 kV；寫保護功能,，當WP為高電平時,，進入寫保護狀態(tài)；CMOS低功耗技術(shù),，最大寫入電流為3 mA,；128 B頁寫入緩存器；自動定時的寫周期,。SDA線和SCL分別與單片機的P2．4和P2．5口相連,。數(shù)據(jù)存儲電路如圖4所示。

　　2．5 其他硬件電路

　　A／D轉(zhuǎn)換模塊：A／D轉(zhuǎn)換器選用ADC0809,，ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器,，可處理8路模擬量的輸入，且有三態(tài)輸出能力,，即可與各種微處理器相連,，也可單獨工作。輸入／輸出與TTL兼容,，轉(zhuǎn)換時間約為100μs,。

　　鍵盤控制模塊：該系統(tǒng)選用5個獨立鍵盤做功能鍵，作用分別為運行與停止,，波形的放大,，波形的減小,，波形的上移，波形的下移,。

　　LCD液晶顯示電路：該設(shè)計采用MGL(S)-240128T液晶顯示器,。單片機P1口與LCD的數(shù)據(jù)口連接，用于數(shù)字信號的讀取,，P3．6,，P3．7作為液晶顯示模塊的讀／寫控制信號端口，P2．5作為LCD的片選端口,。

　　3 軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計部分主要包括主程序模塊,、A／D轉(zhuǎn)換模塊、LCD顯示模塊,、按鍵處理模塊,，其流程圖如圖5所示。

　　3．1 A／D轉(zhuǎn)換部分

　　當定時器產(chǎn)生中斷時,，ADC0809將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,。ADC0809的轉(zhuǎn)換速率最大可達640 kHz，程序設(shè)定了定時器時間間隔為2μs,，所以采樣頻率達到了500 kHz,。

　　3．2 鍵盤掃描部分

　　設(shè)定了1個按鍵實現(xiàn)波形的運行與停止，4個獨立按鍵用于改變波形的尺寸,。amp和time兩個參數(shù)分別用于調(diào)整幅值和時間軸的大小,，當MCU檢測到按鍵被按下時，兩個參數(shù)的值相應(yīng)地發(fā)生改變,，從而改變了波形的大小。

　　3．3 LCD顯示部分

　　A／D產(chǎn)生的第一個數(shù)據(jù),，其對應(yīng)的點排在第一列,，這樣就確定了該點的橫軸位置，縱軸的位置由數(shù)字信號大小按比例換算而來,。由于采樣頻率一定,，所以每2個點之間的時間間隔相同，下一個點排第二列,，以此類推,。

　　3．4 數(shù)字存儲部分

　　數(shù)字存儲芯片選擇了Atmel公司推出的AT24C512，其作用是存儲不同時刻的信號大小,，克服了模擬示波器只能顯示當前波形的缺點,。由于該芯片采用I2C總線傳輸數(shù)據(jù)，所以需要單片機的I／O口用來模擬該總線,。

　　4 結(jié)語

　　本文設(shè)計的以AT89S52單片機為控制核心的數(shù)字示波器,，在軟硬件有機結(jié)合下,，可以達到所要求的性能指標，運行穩(wěn)定可靠,。測試表明該數(shù)字示波器具有較高的實時采樣率,，可以將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過硬件電路、軟件程序轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的波形很好的顯示在液晶顯示屏上,。該數(shù)字示波器能夠?qū)崿F(xiàn)波形的采集,、調(diào)理、存儲,、顯示等功能,，通過鍵盤對波形進行相應(yīng)的功能設(shè)置，具有體積小,、操作簡單,、方便、設(shè)備廉價等特點,。在后續(xù)的改進中,，可以利用分頻合成技術(shù)進行采樣頻率合成，提高其采樣頻率,，同時該數(shù)字示波器還具有一定的擴展能力,，具有廣闊的應(yīng)用前景和實用價值。