簡(jiǎn)易數字存儲示波器的設計

摘要：隨著(zhù)電子通信以及教學(xué)事業(yè)的發(fā)展，示波器的應用越來(lái)越廣泛，它在教學(xué)中所起到的作用越來(lái)越重要，示波器可以測量信號的幅度，頻率以及波形等等，但是高精度的示波器非常昂貴，對于非盈利事業(yè)的教學(xué)組織來(lái)說(shuō)無(wú)疑不合適，所以提出了一種以單片機為控制核心的簡(jiǎn)易示波器設計方案。它由前向控制部分，數據采集和存儲部分，51單片機控制部分以及按鍵和MS12864R顯示部分組成。
關(guān)鍵詞：示波器；單片機；數據采集和存儲；MS12864R

傳統意義上的模擬示波器雖然功能較全，但是價(jià)格昂貴，體積大、重量重、成本高、等一系列問(wèn)題使應用受到了限制。對于大多數學(xué)生以及教學(xué)組織來(lái)說(shuō)，利用示波器主要是進(jìn)行一些理論性的測試與實(shí)驗，高精度高成本示波器的作用不是很必要，為此，筆者提出了一種便攜式數字存儲示波器的設計，它采用了LCD顯示、高速A／D采集與轉換、FIFO以及單片機等技術(shù)，具有較強的實(shí)用性以及發(fā)展的市場(chǎng)潛力，前景可觀(guān)。

1 簡(jiǎn)易數字示波器的工作原理以及總體框架
本設計硬件電路部分由單片機控制系統電路，前向輸入調理電路，模數轉換和存儲電路，以及按鍵顯示電路組成。其工作的基本思路就是以單片機為控制核心，讓AD芯片完成數據的離散化，采集數據經(jīng)過(guò)緩沖暫存于存儲器里面，當波形顯示時(shí)，單片機從存儲器的讀使能端讀取采集數據存于數組中，然后進(jìn)行相應的數據處理并把所存取得數據按一定的順序打在液晶顯示器相應的位置上，從而再現波形信號；其中輸入調理電路由阻抗變換電路，信號抬升電路以及頻率測量電路構成，阻抗變換電路是為了提高輸入阻抗，信號抬升是為了使信號的幅度滿(mǎn)足AD芯片的輸入幅度要求，頻率測量電路主要是測量周期性信號的頻率?？傮w設計框圖如圖1所示。

2 硬件設計
2．1 前端信號的處理
本模塊具有兩大功能，一是輸入信號位置的變換；二是信號波形的變換。
信號位置的變換主要由阻抗變換電路，信號抬升電路構成，阻抗變換采用ua741構建的阻隨放大電路，信號抬升電路采用ua741構成的加法電路，信號位置的處理主要是對被測輸入信號在幅度與偏移方面進(jìn)行線(xiàn)性處理，使信號在垂直方向上處于A(yíng)／D轉換器的輸入范圍內。波形變換電路是用來(lái)測量輸入信號的頻率，但是單片機屬于數字器件，為此，我們需要對輸入信號進(jìn)行波形變換以及脈沖整形；硬件電路設計如圖2所示。

2．2 信號的采集與存儲
數據采集部分㈣是本設計的核心部分，本設計采用BB公司的8位AD，試驗中讓AD完成數據采集，采集完數據送往FIFO，通過(guò)FIFO中繼再送往單片機，FIFO是一種雙口RAM，它沒(méi)有地址線(xiàn)，隨著(zhù)寫(xiě)入數據或者讀取數據而使地址指針進(jìn)行遞增或者遞減來(lái)實(shí)現尋址，兩者中間接了一個(gè)緩沖器，這樣可以起到數據緩沖作用，在MCU與AD之間接入FIFO的作用是起到數據緩沖的作用，因為AD的時(shí)鐘高于MCU的工作頻率，所以讓AD和FIFO同步工作來(lái)存儲AD轉換的輸出數據，實(shí)驗中AD與FIFO的時(shí)鐘同步，來(lái)自于A(yíng)LE引腳，為了使時(shí)鐘更加穩定，可以讓ALE信號先經(jīng)過(guò)與門(mén)再送往采集存儲模塊；FIFO有3個(gè)標志位引腳，FF滿(mǎn)標志，HF半滿(mǎn)標志以及EF空標志，本設計只利用了FF滿(mǎn)標志，當FIFO存滿(mǎn)時(shí)通知單片機來(lái)讀取數據，這是單片機使FIFO的寫(xiě)使能禁止，只來(lái)讀取數據以顯示，硬件電路設計如圖3所示。

2．3 液晶顯示
試驗中波形的顯示是借助Ms12864R，采用8位并行數據處理，利用了液晶的打點(diǎn)功能，數據采集的先后順序體現在液晶的橫軸上面，也就是波形顯示的時(shí)間先后，而數據值的大小則體現在液晶的縱軸上面，也就是波形的幅度體現。

由于采用FIFO，所以先采樣的點(diǎn)后顯示，這是波形顯示的核心，如圖4所示。12864主要有4個(gè)編程端口，RS(數據命令選擇)，RW(讀寫(xiě)選擇)，EN(使能端)以及PSB(串并選擇)，電路連接中分別接到單片機的某一I／O口上。
2．4 按鍵電路
本設計需要按鍵較少，因為設計要求X方向能夠設置10us／div，20us／div，40us／div三檔水平掃描速度，Y方向能夠設置0.5V／div、1V／div二檔垂直靈敏度，加之幅度和頻率的測量，所以本設計要6個(gè)獨立按鍵就夠了。

3 軟件部分
3．1 總體程序框圖
總體程序框圖如圖5所示。

3．2 測量頻率流程圖
測量頻率流程圖如圖6所示。本設計頻率測量是基于計數法和測周期法混合使用。其基本思想就是先測量1 s內被測信號的上升沿個(gè)數，來(lái)一個(gè)上升沿計數器加1，為了防止計數器產(chǎn)生溢出，設計中將1 s分成20個(gè)50 ms，中斷20次，測出信號頻率，如果頻率值小于1K，則改用測周期法。

3．3 液晶打點(diǎn)流程圖
打點(diǎn)操作是作圖的基礎，由于st7920控制器的繪圖RAM是一次進(jìn)行兩個(gè)2個(gè)字節的數據的讀寫(xiě)操作，也就是一次修改的是16個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)，而我們要想只修改一個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)同時(shí)不改變其余相鄰15個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)，那只能是先把原來(lái)位置的16個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)讀出，使用位操作指令修改其中一個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)，然后在回寫(xiě)到RAM中。整體的過(guò)程即是：讀取-修改(位狀態(tài))-寫(xiě)入。液晶畫(huà)點(diǎn)是編程的難點(diǎn)與重點(diǎn)，需要把液晶縱向每隔轉換為電壓，要把水平方向轉化為時(shí)間，將波形顯示出來(lái)，其步驟如下：先確定打點(diǎn)的位置；其次讀出該點(diǎn)所在的數據值；接著(zhù)修改該點(diǎn)相應的位的值，對于單色液晶來(lái)說(shuō)，只有兩種操作，一是點(diǎn)亮該點(diǎn)，另一種是熄滅該點(diǎn)；最后將修改后的數據值寫(xiě)入對應的地址。打點(diǎn)流程圖如圖7。

3．4 測試結果
波形測試結果(波形之一，其他略)頻率幅度測試結果如表1所示。

4 結束語(yǔ)
本系統按照功能全面，指標合理，總體價(jià)格低廉的要求設計了硬件電路，充分地利用了單片機的I／O接口，使之成功地實(shí)現了頻率的測量，信號幅度的測量，以及不同靈敏度波形的顯示。而且幅度頻率測量誤差較小，顯示波形沒(méi)有明顯的失真，滿(mǎn)足設計要求。如果利用高端控制器，則可以實(shí)現高精度的測量，前景遠大，很有研究?jì)r(jià)值。