基于單片機的簡(jiǎn)易示波器設計

　　1、系統結構框圖

　　圖1系統結構圖

　　1.1、信號調理電路

　　信號調理電路要完成的功能是：程控放大，疊加直流分量。程控放大的作用是：當輸入信號的幅度很小的時(shí)候就需要對輸入信號進(jìn)行放大，使得被測信號可以在LCD上盡可能清楚的顯示出來(lái)。疊加直流分量的作用是：ATmega16自帶的A/D是單電源的，沒(méi)辦法輸入負壓而待測信號又往往有負壓。這時(shí)候就需要這樣一個(gè)電路，可以把負壓抬高到0電平以上。

　　圖2信號調理電路原理圖

　　R1，R2分別由一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)CD4051來(lái)連接不同的電阻，不同的R1,R2通過(guò)公式：這樣就可以實(shí)現程控放大功能了?？烧{電阻R9用來(lái)設置信號調理電路加入的直流分量的大小。放大后的信號和直流分量最后由U3模擬加法器疊加后輸出。

　　輸入信號與輸出信號的關(guān)系：只要R4、R6、R7的阻值相同，調理電路輸入與輸出的關(guān)系簡(jiǎn)化為：。

　　Ux為U3的輸出電壓，輸出電壓的電壓值與可調電阻R9中間抽頭的電壓一至。

　　1.2、主控芯片軟件設計

　　這個(gè)系統的主控芯片選擇的是，Atmel公司的AVR系列單片機ATmega16，最高可達到16MPIS指令速度。ATmega16有16K的flash, 1K的SRAM, 512 B的EEPROM，單片機內部自帶一個(gè)10 bits精度的逐次逼近型模數轉換器，內建采樣/保持電路。ADC的時(shí)鐘是可編程的，在這個(gè)設計中為了太到最高的采樣頻率100KHz ADC的時(shí)鐘設置為2MHz。ADC的觸發(fā)源選擇為定時(shí)器/計數器0溢出，ATmega16的定時(shí)器的時(shí)鐘源也是可編程的。這樣就可以通過(guò)控制定時(shí)器/計數器0溢出中斷頻率來(lái)控制ADC的采樣頻率。

　　圖3簡(jiǎn)易示波器系統程序流程圖

　　1.2.1、鍵盤(pán)功能

　　在這個(gè)系統中設置了7個(gè)按鈕分別為：運行與停止，放大倍數增大，放大倍數減小，采樣頻率增大，采樣頻率減小，觸發(fā)電平上移，觸發(fā)電平下移。

　　運行與停止鍵：是通過(guò)開(kāi)啟和關(guān)閉ATmega16 ADC轉換完畢中斷的方式來(lái)實(shí)現的。

　　放大倍數的增大與減?。菏峭ㄟ^(guò)ATmega16控制模擬開(kāi)關(guān)CD4051來(lái)實(shí)現放大倍數的數字化控制。CD4051為8通道的模擬開(kāi)關(guān)，所以程控放大器可以有8檔。

　　采樣頻率的增大與減?。菏峭ㄟ^(guò)控制ATmega16的定時(shí)器0的時(shí)鐘源及定時(shí)器的初始值來(lái)實(shí)現系統所需要的各個(gè)采樣頻率。定時(shí)器0的中斷頻率就等于A(yíng)DC的采樣頻率。

　　觸發(fā)電平的上移與下移：是通過(guò)對采樣來(lái)的數據進(jìn)行數字觸發(fā)時(shí)，當數據的二進(jìn)制值在增加的過(guò)程中某個(gè)數據的大小剛好與數字觸發(fā)的二進(jìn)制數值一樣，在此以后的波形數據才存入顯示RAM中。

　　當這7個(gè)按鍵中的某一個(gè)被觸發(fā)，都會(huì )置位相應的標志位，以便刷新LCD液晶屏上相應的顯示信息。

　　1.2.2、數字觸發(fā)功能

　　如何實(shí)現觸發(fā)呢?用硬件來(lái)完成的話(huà)又會(huì )增加系統硬件電路的復雜度，我就想了一個(gè)辦法，有軟件的方式來(lái)實(shí)現觸發(fā)的功能。實(shí)現的過(guò)程如下：

　　for (ik=0;ik<500;ik++){

　　if (k0_ram){

　　if (box_buff[ik] < trigger) {

　　kk_ram = 1 ;

　　}

　　if (kk_ram){

　　if ((box_buff[ik] >= trigger) & (ik < 402)){

　　en_ram = 1 ;

　　k0_ram = 0 ;

　　kk_ram = 0 ;

　　}}}

　　if (en_ram){

　　boxing[adc_data]=box_buff[ik] ;

　　adc_data++ ;

　　if (adc_data > 96){

　　adc_data = 0x00 ;

　　en_ram = 0 ;

　　}}}

　　trigger的大小可以通過(guò)觸發(fā)電平上移與觸發(fā)電平下移按鍵來(lái)設置它的大小。

　　1.2.3、還原波形

　　GDM12864A是一個(gè)具有128點(diǎn)x 64點(diǎn)的點(diǎn)陣LCD。根據所選的LCD的特點(diǎn)，Y軸上只有64個(gè)點(diǎn)，所以能顯示的數據范圍為0到63而采樣得到的數據為8位的二進(jìn)制數據為0到255。為了能在這個(gè)LCD上顯示只取8位數據的高6位。那么如何把這高6位的二進(jìn)制數據轉換成在LCD上的Y軸座標和數據值呢?我想了這樣一個(gè)計算的方法：

　　LCD的縱向分為8個(gè)地址從上到下依次為0~7，每個(gè)地址段有8個(gè)數據點(diǎn)。在某個(gè)數據段中如果想依次讓這些位從上到下點(diǎn)亮就需要依次向這個(gè)地址段送數據0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80，送入0x00后這個(gè)地址段的8個(gè)數據點(diǎn)將不被點(diǎn)亮。實(shí)現的具體過(guò)程如圖4所示。

　　dat = dat>>2

　　y = 7

　　dat >= 8 ?

　　dat = dat – 8; y--;

　　y == 1 ?

　　dat > 7 ?

　　dat = 7 ;

　　dat = 0x80 >> dat

　　write_add(y,x) ;

　　write_data(dat) ;

　　圖4數據還原成波形上點(diǎn)的程序流程圖

　　1.2.4、ADC采樣頻率控制

　　ADC的采樣頻率在上文已有提及，ADC中斷的計算公式為：,通過(guò)ATmega16的特殊功能寄存器TCCR0的低3位CS02,CS01,CS00的設置就可以改變的頻率，再把TCNT0設置成不同的數值就可以得到這個(gè)系統所需要的各個(gè)采樣頻率值了。表1中的數據是通過(guò)上面的公式計算出來(lái)的數據再經(jīng)實(shí)際的系統調試并修正后的數據。

　　表1采樣頻率的設置

　　2、系統性能指標及誤差

　　2.1、系統性能指標

　　系統主要性能指標見(jiàn)表2所示。

　　表2系統主要性能指標

　　2.2、系統誤差

　　系統的誤差主要出在信號調理電路，因為模擬開(kāi)關(guān)有一定的內阻約為80Ω對調理電路的放大倍數會(huì )造成一定的影響。通過(guò)1.1中的計算公式計算出來(lái)的電阻值在實(shí)際中不存在，通過(guò)幾個(gè)電阻串聯(lián)來(lái)實(shí)現也還是會(huì )有一定的誤差。平衡電阻R3是固定的在R1，R2發(fā)生變化的時(shí)候，平衡電阻可能就不能平衡也會(huì )給運算放大器引入一定的誤差。

　　2.3、可以改進(jìn)的地方

　　系統可以進(jìn)一步改進(jìn)的地方在于信號調理電路，可以通過(guò)選擇性能更好的模擬開(kāi)關(guān)和運算放大器，更合理的選擇電阻這樣就可以提高信號調理電路的放大的準確度。使整個(gè)系統的性能得以進(jìn)一步改善。

　　2.4、系統實(shí)際工作情況

　　LCD顯示的信息分別有，波形圖像，在波形的上面是橫軸的標尺，在屏幕的右邊為系統的運行狀態(tài)(Run / Stop),Time為整個(gè)波形框的時(shí)間長(cháng)度，Volt-為電壓檔，在波形框與信息框之間有個(gè)小點(diǎn)為信號的觸發(fā)電平。信號的頻率=波形框中信號的周期數/Time。

　　3、結論

　　用這種方法可以實(shí)現一個(gè)簡(jiǎn)易的示波器，整個(gè)系統結構簡(jiǎn)單，清晰。充分利用了AVR單片機內部資源使系統電路得以簡(jiǎn)單化，就連系統的工作時(shí)鐘也是AVR內部自帶的。通過(guò)測試該系統在測量頻率方向的誤差很小，可以用來(lái)比較準確的測量測試信號的頻率。