電子類課程實驗用便攜示波表的設(shè)計

李貽濤，邢曉敏

(東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012)

我院近年來實施“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”和“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學改革以培養(yǎng)學生的動手實踐能力。我們開發(fā)的電子課程便攜實驗包，為學生在宿舍、教室、圖書館及自習室等場所自行設(shè)計一些小型實驗和創(chuàng)新性綜合設(shè)計題目提供便利，緩解了實踐訓(xùn)練需求和實驗室資源緊張的矛盾。學生在實際應(yīng)用中缺少測試工具，我們自主研發(fā)了一款簡易、廉價、使用方便的示波表。

1 需求分析

簡易示波表應(yīng)該具有“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”、“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”和“單片微機原理及應(yīng)用”等課程實驗測試所要求的各項基本功能要求:

(1)電壓測量功能:測量范圍-15V～+15V。

(2)波形顯示功能:能夠觀察到多諧振蕩器發(fā)出的正弦波、三角波、鋸齒波和方波等波形。其波形頻率低于10kHz。

(3)頻率測量功能:最高測量頻率為500kHz;用按鍵可以調(diào)節(jié)示波表上每大格代表的時間間距，方便讀取周期數(shù)據(jù)。

(4)電阻測量功能:示波表可以測量電阻。另外，當電阻測量值小于30Ω時，一般認為是短路狀態(tài)，可以用這個功能代替萬用表的二極管測試。

(5)直流電源:可以提供的電源有+5V、+15V和-15V三種輸出。要求示波表自身應(yīng)由單一直流電源供電。

2 硬件設(shè)計

示波表的設(shè)計方案如圖1所示。系統(tǒng)以AVR單片機ATmega16A為核心［1]，由128×64點陣LCM作為顯示器件，具有電壓/波形測量模塊、頻率/占空比測量模塊、電阻/二極管測量模塊等三大主要功能和多電壓直流電源輸出輔助功能［2-3]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)共設(shè)計8個按鍵:電壓、波形、頻率、電阻、通道+、通道－、掃描時間+和掃描時間－。按鍵直接將一端接地，另一端連接I/O引腳。對應(yīng)I/O口設(shè)置為輸入和上拉兩種模式。

1)直流電源模塊

為了使用方便，直流電源采用兩個輸入接口:一個為9V/1A的小圓型電源插座;另一個為2腳的Phoenix接插座，可以由電池類電源供電，輸入電壓范圍7～12V DC。為防止輸入電壓反接，在正極性輸入端串聯(lián)了一個保護二極管。

電源模塊原理圖如圖2所示，輸入電壓為+7～12V DC，輸出為三路。

圖2 電源模塊電路圖

(1)LM2596-5斬波固定降壓為+5V/3A輸出;

(2)經(jīng)過LM2577-15 Boost芯片固定升壓后為+15V/1A輸出;

(3)經(jīng)LM2596-adj芯片利用斬波工作在輸入和輸出公共端輸出電壓-15V/1A。其中，可調(diào)電阻可以根據(jù)芯片手冊由公式R2=R1(Vout/1.23－1)計算得11.2kΩ，這里選用了20kΩ的電位器。在電路第一次使用時要先調(diào)整好這個電位器，以便獲得精確的-15V電壓輸出。

2)電壓/波形測量模塊

為節(jié)約資源，將模擬量電壓的測量、數(shù)字量電壓測量和波形的顯示三部分合為一個電壓/波形測量模塊。因為輸入測量信號范圍最高為±15V，需要在接入ADC端口前加上如圖3所示的信號調(diào)理電路。該電路將信號由±15V之間調(diào)理為+5V～0V之間的信號，供給單片機內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器。

圖3 輸入信號調(diào)理電路

ADC的參考電壓為+5V電源電壓，因為+5V電源由斬波芯片供給，具有自動調(diào)整功能，所以這個電壓不隨輸入電壓而變化，是很穩(wěn)定的。由電路參數(shù)和ADC噪聲所產(chǎn)生的測量誤差，可以在電路老化后，使用程序進行線性校正。這樣的信號調(diào)理電路設(shè)置了四路，即物理上可以同時顯示測量四路信號。

3)其他功能模塊

系統(tǒng)還設(shè)計有頻率/占空比測量模塊、電阻/二極管測量模塊和液晶顯示模塊。這幾部分模塊因為實現(xiàn)過程相對簡單，故不作介紹。

3 軟件設(shè)計

示波表的軟件大體是依據(jù)狀態(tài)機設(shè)計，其界面狀態(tài)有四個:測量電壓、顯示波形、測量頻率/周期/占空比和測量電阻/二極管。系統(tǒng)啟動后默認進入測量電壓狀態(tài)，按對應(yīng)名稱按鍵進入相應(yīng)狀態(tài)。

程序初始化時設(shè)置定時器T1每隔10ms產(chǎn)生一次中斷，用狀態(tài)機原理掃描識別全部8個按鍵輸入。若有按鍵輸入，則中斷服務(wù)程序設(shè)置對應(yīng)按鍵待處理狀態(tài)為True。主程序根據(jù)系統(tǒng)當前所處界面狀態(tài)決定是否響應(yīng)。這款簡易和使用方便的示波表如圖4所示。

圖4 示波表成品

4 結(jié)語

本文從教學實踐出發(fā)，為數(shù)字和模擬電路測試用的便攜實驗包設(shè)計、制作了一款簡易、廉價和使用方便的示波表。它的成本可以控制在75元以內(nèi)，與

普通萬用表價位相當。但示波表是自制產(chǎn)品，一切電路和程序都是開源的，其本身就是一個單片機實驗教具，并具有示波器功能，這是普通萬用表不可比擬的。作為使用雕刻機制作雙面電路板的一個訓(xùn)練實例，電路板由我校大學生電氣信息實踐創(chuàng)新中心的學生負責制作。本成果依托的教學改革項目已獲我校2013年校級教學成果一等獎。

［1] 余海斌，陳志英.基于AVR單片機的簡易示波器設(shè)計［J] .西安:電子設(shè)計工程，2009，17(05):1-5

［2] 王夢文.數(shù)字式智能毫伏表的設(shè)計與研究［J] .天津:數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2010(04):33-34

［3] 邢立冬，王連民.基于SoPC的數(shù)字示波器設(shè)計［J] .西安:現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(06):189-194