摘要：介紹一種雙通道簡(jiǎn)易數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)方案,，以AT89S52單片機(jī)作為控制核心,，輸入信號(hào)在經(jīng)過預(yù)處理電路處理后，通過高速A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809,，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣,、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)并在液晶上顯示,，并用鍵盤做功能設(shè)置,。該設(shè)計(jì)創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)了波形的存儲(chǔ)/回放、雙通道信號(hào)實(shí)時(shí)對(duì)比分析,、程控放大提高靈敏度等方面,。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定，具有測(cè)量頻率高,、波形清晰,、可靠性高、成本低等特點(diǎn),，有很高的實(shí)用價(jià)值,。

0 引言

數(shù)字示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。與傳統(tǒng)模擬示波器相比,，數(shù)字存儲(chǔ)示波器不僅具有可存儲(chǔ)波形,、體積小、功耗低,，使用方便等優(yōu)點(diǎn),，而且還具有強(qiáng)大的信號(hào)實(shí)時(shí)處理分析功能，在電子電信類實(shí)驗(yàn)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(duì)電路測(cè)量的要求也變得更高。對(duì)廣大理工科學(xué)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(cè)量分析,，經(jīng)常需要使用數(shù)字示波器。但目前我國(guó)使用的高性能數(shù)字示波器普遍價(jià)格昂貴,，所以研究簡(jiǎn)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(jì)以AT89S52單片機(jī)為控制核心，由預(yù)處理電路(包括阻抗變換,、程控放大,、信號(hào)調(diào)理電路)、A/D數(shù)據(jù)采集電路,、E2PROM存儲(chǔ)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,。

1.2 工作原理

數(shù)字示波器有二個(gè)輸入通道。預(yù)處理電路由阻抗變換,、程控放大,、信號(hào)調(diào)理電路組成。輸入信號(hào)先經(jīng)阻抗變換電路后進(jìn)入程控放大電路,，根據(jù)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大(衰減)處理,，然后信號(hào)再進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行電平調(diào)整成為符合A/D轉(zhuǎn)換要求的0～5V電壓。之后輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過高速A/D轉(zhuǎn)換器AD0809實(shí)時(shí)采樣變成數(shù)字信號(hào),，經(jīng)過AT89S52單片機(jī)后儲(chǔ)存在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器E2PROM中,。單片機(jī)從存儲(chǔ)器中讀出信號(hào)進(jìn)行運(yùn)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(jì)

2.1 單片機(jī)

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

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

2.2 程控放大電路

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

2.3 信號(hào)調(diào)理

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

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

E2PROM是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dá)512Kb(64K×8b)的AT24C512,。該芯片的主要特性如下：存儲(chǔ)容量為65536B,；與100kHz，400kHz,，1MHzI2C總線兼容,；100000次編程/擦寫周期；單電源,、讀/寫電壓為1.8～5.5V,；ESD保護(hù)電壓大于4kV；寫保護(hù)功能,，當(dāng)WP為高電平時(shí),，進(jìn)入寫保護(hù)狀態(tài)；CMOS低功耗技術(shù),，最大寫入電流為3mA,；128B頁寫入緩存器；自動(dòng)定時(shí)的寫周期,。SDA線和SCL分別與單片機(jī)的P2.4和P2.5口相連,。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dú)工作,。輸入/輸出與TTL兼容，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100μs,。

鍵盤控制模塊：該系統(tǒng)選用5個(gè)獨(dú)立鍵盤做功能鍵,，作用分別為運(yùn)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(jì)采用MGL(S)-240128T液晶顯示器,。單片機(jī)P1口與LCD的數(shù)據(jù)口連接，用于數(shù)字信號(hào)的讀取,，P3.6,，P3.7作為液晶顯示模塊的讀/寫控制信號(hào)端口，P2.5作為L(zhǎng)CD的片選端口,。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)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(dāng)定時(shí)器產(chǎn)生中斷時(shí),，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(dá)640 kHz，程序設(shè)定了定時(shí)器時(shí)間間隔為2μs,，所以采樣頻率達(dá)到了500kHz,。

3.2 鍵盤掃描部分

設(shè)定了1個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)波形的運(yùn)行與停止，4個(gè)獨(dú)立按鍵用于改變波形的尺寸,。amp和time兩個(gè)參數(shù)分別用于調(diào)整幅值和時(shí)間軸的大小,，當(dāng)MCU檢測(cè)到按鍵被按下時(shí)，兩個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)，其對(duì)應(yīng)的點(diǎn)排在第一列,，這樣就確定了該點(diǎn)的橫軸位置,，縱軸的位置由數(shù)字信號(hào)大小按比例換算而來。由于采樣頻率一定，所以每2個(gè)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔相同,，下一個(gè)點(diǎn)排第二列,，以此類推。

3.4 數(shù)字存儲(chǔ)部分

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

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的以AT89S52單片機(jī)為控制核心的數(shù)字示波器，在軟硬件有機(jī)結(jié)合下,，可以達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠,。測(cè)試表明該數(shù)字示波器具有較高的實(shí)時(shí)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(chǔ),、顯示等功能,，通過鍵盤對(duì)波形進(jìn)行相應(yīng)的功能設(shè)置，具有體積小,、操作簡(jiǎn)單,、方便、設(shè)備廉價(jià)等特點(diǎn),。在后續(xù)的改進(jìn)中,，可以利用分頻合成技術(shù)進(jìn)行采樣頻率合成，提高其采樣頻率,，同時(shí)該數(shù)字示波器還具有一定的擴(kuò)展能力,，具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

作者：劉楊斌 劉其峰 華慧   來源：現(xiàn)代電子技術(shù)