簡易數(shù)字控制存儲示波器設(shè)計

榮 軍，周 洋，李宏民，丁躍澆

(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，湖南 岳陽 414006)

示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器，是一種有效的信號檢測工具。常用示波器觀察信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測量電壓、電流、頻率和相位差等。目前市面上出售的數(shù)字示波器因為價格高、操作繁瑣和性價比不高。為此，本文設(shè)計了基于單片機(jī)AT89S52為雙控制核心的簡易存儲示波器，可以實現(xiàn)對波形進(jìn)行測量和存儲的功能，具有設(shè)計簡單和操作方便的優(yōu)點(diǎn)，最重要的是成本不到2 000元，可以滿足一般的實驗要求，因此對降低高校實驗室運(yùn)行成本，滿足所有學(xué)生實驗要求具有重要意義。

1 示波器系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)

在本設(shè)計中，數(shù)字存儲示波器采用模塊化設(shè)計思想，主要由控制模塊、信號調(diào)理模塊、觸發(fā)測頻模塊、采樣存儲模塊和時基步進(jìn)模塊等組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)工作過程簡單描敘如下：被測信號經(jīng)過信號調(diào)理模塊后，進(jìn)入觸發(fā)測頻模塊和采集存儲模塊；進(jìn)入觸發(fā)測頻的信號被送入到雙核系統(tǒng)，完成頻率的測量；進(jìn)入采集存儲模塊的信號，在雙核系統(tǒng)和時基步進(jìn)模塊的作用下，以數(shù)字量的形式高速存儲起來；采樣存儲完成后，進(jìn)行雙機(jī)通信；單片機(jī)依次從采集存儲模塊中取出存儲的數(shù)字量，數(shù)字量經(jīng)過相關(guān)處理后，通過LCD顯示信號的波形和參數(shù)。

1.1 雙核控制器模塊設(shè)計

簡易存儲示波器的核心是基于單片機(jī)AT89S52的數(shù)字控制器的設(shè)計，主體設(shè)計思路采用雙核控制思想，也就是系統(tǒng)由兩塊單片機(jī)、按鍵和接口組成。雙核控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。在圖2中單片機(jī)1主要負(fù)責(zé)對信號調(diào)理模塊、采樣存儲模塊、時基步進(jìn)模塊和觸發(fā)測頻模塊進(jìn)行控制，將信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量存儲到雙口RAM中，同時將控制參數(shù)和頻率數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)2。單片機(jī)2主要負(fù)責(zé)將雙口RAM中數(shù)字量取出，在預(yù)設(shè)功能的條件下進(jìn)行處理，然后將信號波形和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行顯示，同時與單片機(jī)1保持通信。兩單片機(jī)采用UART串口通信方式，協(xié)同工作，緩解工作壓力。此外，按鍵用來進(jìn)行功能選擇，各接口用來連接外圍模塊電路[2-3]。

圖2 雙核控制系統(tǒng)框圖

1.2 信號調(diào)理模塊設(shè)計

信號調(diào)理模塊的功能是產(chǎn)生符合A/D轉(zhuǎn)換條件的信號，由程控衰減電路、阻抗變換電路、程控放大電路和電平移位電路組成。信號調(diào)理模塊設(shè)計采用模擬開關(guān)芯片，對放大倍數(shù)和衰減倍數(shù)進(jìn)行控制。這樣不但增強(qiáng)了電路的抗干擾能力，而且增強(qiáng)了系統(tǒng)的控制能力。程控衰減電路(見圖3)對輸入信號進(jìn)行衰減，防止過高的電壓燒壞芯片。電容C42在衰減器中起補(bǔ)償作用，以改善頻率響應(yīng)和避免自激。本設(shè)計選用1和1/10兩種衰減率。如果取R30+R35=1 MΩ，則R30=100 kΩ，R35=900 kΩ。選用模擬開關(guān)芯片SN74LV4052對衰減倍數(shù)進(jìn)行控制，SN74LV4052是雙路 4 通道模擬多路復(fù)用器/多路解復(fù)用器，引腳INT、A和B可以通過單片機(jī)控制[4]。

圖3 衰減電路原理圖

阻抗變換電路(見圖4)的作用是提高負(fù)載能力和減少負(fù)載對信號源的影響，增加抗干擾的能力，同時增強(qiáng)對下一級電路的驅(qū)動能力[5]。

圖4 阻抗變換電路原理圖

圖5 程控放大電路原理圖

電平變換電路(見圖6)的作用是把雙極性的信號變?yōu)閱螛O性。實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換的過程如下：信號從程控放大電路出來后，進(jìn)入由U31A組成的放大倍數(shù)為-1的反相放大器，以此抵消第1級反相放大帶來的負(fù)號；與此同時，U31B送來的反相基線電壓將作為AD轉(zhuǎn)換器的輸入中點(diǎn)電壓，疊加在被測信號上?？烧{(diào)電阻R33用來調(diào)節(jié)反相基線電壓。

圖6 電平變換電路原理圖

1.3 采樣存儲模塊設(shè)計

采樣存儲模塊的功能是將信號以數(shù)字量的形式進(jìn)行存儲，由采樣保持電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和雙口RAM存儲電路組成。該模塊由單片機(jī)控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲。其中模擬開關(guān)TS12A4515和運(yùn)算放大器OPA2652被用來實現(xiàn)采樣保持功能，它們與A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX118一起工作，量化模擬信號，然后在計數(shù)器74HC4040的作用下，將量化的數(shù)據(jù)存入雙口RAM。采樣保持電路如圖7所示，主要由阻抗變換、模擬開關(guān)和電容組成。信號經(jīng)過阻抗變化電路后，進(jìn)入可控模擬開關(guān)，對電容充電，之后模擬開關(guān)關(guān)閉。充電后的電容保持一定的電壓，作為后一級阻抗變換的輸入電壓，并將最終進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。采樣保持電路的作用是保持A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓不變。由于在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時，系統(tǒng)需要一定的時間，因此為了保證轉(zhuǎn)換的精確度，送給ADC的模擬量不能發(fā)生變化[8]。

1.4 時基模塊設(shè)計

時基模塊的功能是輸出采樣脈沖，由時基產(chǎn)生電路和步進(jìn)延時電路組成。采用模擬開關(guān)，對輸出脈沖的種類進(jìn)行選擇，時基模塊框圖如圖8所示。

在圖9所示的時基產(chǎn)生電路原理圖中，SN74HC4060是帶振蕩器的高速 14 級二進(jìn)制計數(shù)器。通過選擇RT1，RT2和CT1的值，可以設(shè)置振蕩頻率，在本設(shè)計中，74HC4060相當(dāng)于一個有源晶振。在單片機(jī)的控制下，使用多通道模擬選擇開關(guān)，可以選擇合適的時鐘信號[9]。

圖8 時基模塊框圖

圖9 時基產(chǎn)生電路原理圖

1.5 觸發(fā)測頻模塊設(shè)計

觸發(fā)測頻模塊由觸發(fā)電路、整形電路和可編程分頻器組成。輸入信號通過處觸發(fā)電路后，輸出脈沖波形，此波形再經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形后，進(jìn)入可編程分頻器，經(jīng)過分頻后的信號進(jìn)入單片機(jī)，在單片機(jī)控制和處理的作用下，實現(xiàn)對信號的測頻功能。其中觸發(fā)電路的作用是將原始信號變成方波，便于處理器對信號的測量；整形電路的作用是去掉不好的毛刺和一些干擾信號，讓信號波形更接近本設(shè)計所要求的波形；分頻電路的作用是將方波信號進(jìn)行分頻，便于單片機(jī)對高頻信號的測量。分頻電路原理圖如圖10所示，在圖10中的分頻電路采用專門的可編程分頻器芯片HD74HC294。該芯片4.5 V電源供電時，最大輸入頻率為21 MHz，伴隨供電電源電壓增加，最大輸入頻率增加，但是電壓不能超過6 V，否則芯片燒壞；隨著電源電壓減少，最大輸入頻率也減少，但是不能夠低于2 V，否則芯片不能工作[10]。

圖10 分頻電路原理圖

2 程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件主程序由頻率測量程序、數(shù)據(jù)采集程序和液晶顯示程序等子程序組成。其中系統(tǒng)主程序的控制核心是由2片AT89S52的控制程序組成，其中單片機(jī)1的程序有幅度調(diào)節(jié)、測頻和數(shù)據(jù)存儲等子程序，單片機(jī)2的程序主要有數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理和波形顯示等子程序[11]，主流程圖如11所示。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試分為軟件調(diào)試、硬件調(diào)試和聯(lián)合調(diào)試3個過程。其中軟件調(diào)試的過程分為以下幾個步驟：第1步，建立源程序，依據(jù)流程圖和相關(guān)算法，將系統(tǒng)程序用C語言編寫；第2步，在計算機(jī)上使用Keil軟件對系統(tǒng)程序進(jìn)行編譯，修改語法錯誤,然后對系統(tǒng)程序進(jìn)行仿真；第3步，使用Keil軟件動態(tài)在線調(diào)試功能。借助動態(tài)在線調(diào)試手段，如單步運(yùn)行、設(shè)置斷點(diǎn)等，并不斷修改和完善，直到程序的運(yùn)行結(jié)果和程序設(shè)計的結(jié)果相吻合為止。硬件調(diào)試首先對單個模塊進(jìn)行調(diào)試，在單個模塊都沒錯誤后再進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，完成最后的聯(lián)調(diào)測試。

圖11 主流程流程圖

圖12為本文設(shè)計的簡易存儲示波器實物圖。

圖12 簡易存儲示波器實物圖

3.2 測試

聯(lián)合調(diào)試成功后，對圖12所示系統(tǒng)對標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行了實際測試。選用HP33120A型函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波、三角波和方波，本文設(shè)計的數(shù)字示波器顯示的正弦波形如圖13所示(為省篇幅，三角波和方波實測波形未在本文中列出)。從實驗結(jié)果可以看出，顯示的波形沒有明顯失真，很好地重現(xiàn)了原信號，實現(xiàn)了簡易示波器的功能，能夠滿足一般實驗對波形的測量要求。

圖13 正弦波實測波形

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一個基于AT89S52單片機(jī)的簡易數(shù)字控制存儲示波器。本系統(tǒng)設(shè)計包括硬件電路設(shè)計和軟件程序編寫兩個方面。設(shè)計步驟為：系統(tǒng)方案論證設(shè)計、模塊化硬件設(shè)計、軟件程序設(shè)計、硬件調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試以及系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。從本系統(tǒng)的實驗結(jié)果可知，該簡易示波器實現(xiàn)了簡易示波器設(shè)計的功能，可以在高校電工電子實驗室廣泛推廣，對降低實驗室運(yùn)行成本有積極的意義。

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