摘要：介紹一種雙通道簡易數(shù)字示波器的設(shè)計方案，以AT89S52單片機(jī)作為控制核心，輸入信號在經(jīng)過預(yù)處理電路處理后，通過高速A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，實現(xiàn)信號的實時采樣、數(shù)據(jù)處理、存儲并在液晶上顯示，并用鍵盤做功能設(shè)置。該設(shè)計創(chuàng)新地實現(xiàn)了波形的存儲/回放、雙通道信號實時對比分析、程控放大提高靈敏度等方面。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定，具有測量頻率高、波形清晰、可靠性高、成本低等特點(diǎn)，有很高的實用價值。
0 引言
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(diǎn)，而且還具有強(qiáng)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(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(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。
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(jìn)入程控放大電路，根據(jù)需要對信號進(jìn)行放大(衰減)處理，然后信號再進(jìn)入信號調(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(jī)后儲存在半導(dǎo)體存儲器E2PROM中。單片機(jī)從存儲器中讀出信號進(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
2.1 單片機(jī)
AT89S52是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，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(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(jìn)行衰減，對小信號進(jìn)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(dá)到最好的測量與觀察效果。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，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(fù)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(fù)電壓，就需要給該信號疊加直流量，將負(fù)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0～5V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。
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(dá)512Kb(64K×8b)的AT24C512。該芯片的主要特性如下：存儲容量為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，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；自動定時的寫周期。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)換時間約為100μs。
鍵盤控制模塊：該系統(tǒng)選用5個獨(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(dāng)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(dá)640 kHz，程序設(shè)定了定時器時間間隔為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個按鍵實現(xiàn)波形的運(yùn)行與停止，4個獨(dú)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(dāng)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(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)字信號大小按比例換算而來。由于采樣頻率一定，所以每2個點(diǎn)之間的時間間隔相同，下一個點(diǎn)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(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(jìn)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(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)用前景和實用價值。
