教你用最簡(jiǎn)單的方法實(shí)現強大的多功能手持儀，提供完整軟硬件解決方案，不服來(lái)戰

一、項目概述

1.1 引言

愛(ài)特梅爾半導體是世界上高級半導體產(chǎn)品設計、制造和行銷(xiāo)的領(lǐng)先者，產(chǎn)品包括了微處理器、可編程邏輯器件、非易失性存儲器、安全芯片、混合信號及RF射頻集成電路。ATMEL主要應用于高增長(cháng)的電子設備市場(chǎng)，如通訊、計算、消費類(lèi)產(chǎn)品、安全產(chǎn)品、汽車(chē)電子和工業(yè)應用。

1.2 項目背景/選題動(dòng)機

隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展和電路結構的不斷創(chuàng )新變化，對電路測量的要求也變得更高，在電子制作中會(huì )發(fā)現對很多參數的測量已經(jīng)不是一塊萬(wàn)用表能勝任的了，比如單片機 某I/O口的輸出波形或制作放大器測其頻率響應等等，所以示波器自然而然的和萬(wàn)用表一樣變成了電子工程和愛(ài)好者的必備工具，但是，示波器又很昂貴，所以我 們就想發(fā)揮我們的聰明才智和所學(xué)的知識制作一臺使用的示波器，并且盡量使功能多樣，并且想著(zhù)節能環(huán)保，將以往按鍵形式的改為觸屏的，還附加其他的功能。

二、需求分析

2.1 功能要求

1）雙通道示波器： 顯示輸入信號的波形、頻率、幅值。

2）萬(wàn)用表：可測量參數：

DCV：直流電壓；

ACV：交流電壓、

DCA：直流電流、

R：電阻、

UF：二極管的正向導通電壓、

hFE：三極管放大倍數。

3）信號發(fā)生器：產(chǎn)生方波、鋸齒波、正弦波、三角波等信號波形；信號的頻率和幅度可調。

2.2 性能要求

• 示波器：

• 通道數：2

• 帶寬：60MHz

• 垂直靈敏度：不小于10mV-5V/div

• 最大輸入電壓：50Vpp

• 輸入阻抗：1MΩ

• 水平時(shí)基范圍：不小于500ns-50ms/div

• 顯示：彩色液晶

• 耦合方式：AC/DC

2）數字萬(wàn)用表：

• 直流電壓量程：200mV ；2V；20V；200V ----精度：±0.5%

• 交流電壓量程：
  200mV -----精度：±1.2%
  2V；20V；200V----精度：±1.0%

• 直流電流量程：
  2mA；20 mA ------精度：±0.5%
  200 mA ------精度：±1.5%
  10A ------精度：±2.0%

• 交流電流量程：

2mA；20 mA ------精度：±1.0%

200 mA ------精度：±2.0%

10A ------精度：±3.0%

• 電阻量程：

200Ω；2KΩ；20KΩ；200KΩ；2MΩ；------精度：±0.5%

3）函數信號發(fā)生器：

• 頻率范圍：1Hz～50MHz

• 頻率精確度：±0.5 Hz

• 信號諧波失真（50Ω匹配負載，1Vp-p輸出時(shí)）：

• 小于20kHz：-60dBc
• 20kHz～1MHz：-50dBc
• 1MHz～10MHz：-40dBc
• 10MHz～50MHz：-30dBc

• 輸出幅度范圍：2mV～2Vrms（開(kāi)路），或1 mV～1 Vrms（50Ω負載）

• 輸出阻抗： 50Ω

• 穩幅特性（頻幅平坦度）：10Hz～10MHz±0.5dB 1Hz～50MHz±1dB

三、方案設計

3.1示波器

3.1.1系統功能實(shí)現原理

數字示波器首先對模擬信號進(jìn)行高速采樣獲得相應的數字數據并存儲。用數字信號處理技術(shù)對采樣得到的數字信號進(jìn)行相關(guān)處理與運算，從而獲得所需的各種信號參 數。根據得到的信號參數繪制信號波形，并可對被測信號進(jìn)行實(shí)時(shí)的、瞬態(tài)的分析，以方便使用者了解信號質(zhì)量，快速準確地進(jìn)行故障的診斷。測量開(kāi)始時(shí)，操作者 可通過(guò)操作界面選定測量類(lèi)型、測量參數及測量范圍；微處理器自動(dòng)將測量設置解釋到采樣電路，并啟動(dòng)數據采集；采集完成后，由微處理器對采樣數據按測量設置 進(jìn)行處理，提取所需要的測量參數，并將結果送顯示部件。

系統硬件結構框圖

3.1.2 電路設計

程控放大部分：

程控放大器的作用是對輸入信號進(jìn)行衰減或放大調整，使輸出信號電壓在 AD轉換器輸入電壓要求范圍內，達到最好的測量與觀(guān)察效果，所以程控放大器電路在規定帶寬內的增益一定要平坦，故對運算放大器的要求比較高。

開(kāi)關(guān)用繼電器控制，H代表吸合，L代表未吸合。

電壓靈敏度與 S1~S4 的關(guān)系表：

放大倍數 靈敏度 S1 S2 S3 S4

0.1 2V H L L L

0.2 1V H L H L

0.4 0.5V L H L L

1 0.2V L L L L

2 0.1V L L H L

4 50mV L H L H

10 20mV L L L H

20 10mV L L H H

高速A/D轉換和數據存儲：

由程控放大電路調整后的信號分成兩路，有一路進(jìn)入A/D轉換電路進(jìn)行采樣，采樣所得的數據由 74LVC574 鎖存緩沖后送入存儲器。

時(shí)鐘電路：

時(shí)鐘產(chǎn)生電路為 AD轉換器提供一系列的采樣時(shí)鐘信號，分別為 600Hz、 6kHz、 60kHz、600kHz、3MHz、6MHz、30MHz 和 60MHz，共 8種，分別對應著(zhù)不同的水平水平掃速。

基準時(shí)鐘為60MHz，通過(guò)多路選擇器和分屏器實(shí)現。

主控MCU：

由一片AVR單片機作為主控芯片，進(jìn)行數據的處理并控制程控放大器和時(shí)鐘產(chǎn)生器，并將數據送屏幕顯示。

3.1.3 系統預計實(shí)現結果

采樣速率： 600Sa/s， 6kSa/s， 60kSa/s， 600kSa/s， 3MSa/s， 6MSa/s， 30MSa/s， 60MSa/s

水平水平掃速：500ns、1μs、5μs、10μs、50μs、500μs、5ms、50ms

垂 直電壓靈敏度： 10mV/div, 20mV/div, 50mV/div, 0.1V/div, 0.2V/div, 0.5V/div, 1V/div, 2V/div,5V/div

3.1.4系統軟件流程

3.2函數信號發(fā)生器

3.2.1函數信號發(fā)生器簡(jiǎn)介

函數發(fā)生器又稱(chēng)波形發(fā)生器。它能產(chǎn)生某些特定的周期性時(shí)間函數波形（主要是正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等）信號。頻率范圍可從幾毫赫甚至幾微赫的超低頻直到幾十兆赫。除供通信、儀表和自動(dòng)控制系統測試用外，還廣泛用于其他非電測量領(lǐng)域。圖2為產(chǎn)生上述波形的方法之一，將積分電路與某種帶有回滯特性的閾值開(kāi)關(guān)電路（如施米特觸 發(fā)器）相連成環(huán)路，積分器能將方波積分成三角波。施米特電路又能使三角波上升到某一閾值或下降到另一閾值時(shí)發(fā)生躍變而形成方波，頻率除能隨積分器中的RC 值的變化而改變外，還能用外加電壓控制兩個(gè)閾值而改變。將三角波另行加到由很多不同偏置二極管組成的整形網(wǎng)絡(luò )，形成許多不同斜度的折線(xiàn)段，便可形成正弦 波。另一種構成方式是用頻率合成器產(chǎn)生正弦波，再對它多次放大、削波而形成方波，再將方波積分成三角波和正、負斜率的鋸齒波等。對這些函數發(fā)生器的頻率都 可電控、程控、鎖定和掃頻，儀器除工作于連續波狀態(tài)外，還能按鍵控、門(mén)控或觸發(fā)等方式工作。 　　

3.2.2方案設計與選擇

方案一：采用單片函數發(fā)生器（如8038），8038可同時(shí)產(chǎn)生正弦波、方波等，而且方法簡(jiǎn)單易行，用D/A轉換器的輸出來(lái)改變調制電壓，也可以實(shí)現數控調整頻率，但產(chǎn)生信號的頻率穩定度不高。

方案二：采用鎖相式頻率合成器，利用鎖相環(huán)，將壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率鎖定在所需頻率上，該方案性能良好，但難以達到輸出頻率覆蓋系數的要求，且電路復雜。

方案三：采用單片機編程的方法來(lái)實(shí)現。該方法可以通過(guò)編程的方法來(lái)控制信號波形的頻率和幅度，而且在硬件電路不變的情況下，通過(guò)改變程序來(lái)實(shí)現頻率的變換。此外，由于通過(guò)編程方法產(chǎn)生的是數字信號，所以信號的精度可以做的很高。

鑒于方案一的信號頻率不夠穩定和方案二的電路復雜，頻率覆蓋系數難以達標等缺點(diǎn)，所以決定采用方案三的設計方法。它不僅采用軟硬件結合，軟件控制硬件的方法 來(lái)實(shí)現，使得信號頻率的穩定性和精度的準確性得以保證，而且它使用的幾種元器件都是常用的元器件，容易得到，且價(jià)格便宜，使得硬件的開(kāi)銷(xiāo)達到最省。

3.2.3設計原理

我們做的信號發(fā)生器只需用到外部中斷和PWM脈寬調制波兩項技術(shù)便可以實(shí)現，Atmel多數單片機都支持這兩項技術(shù)，由于主控芯片還未定，故該信號發(fā)生器暫時(shí)假定采用的控制芯片為Atmega16。

數字信號可以通過(guò)數/模轉換器轉換成模擬信號，因此可通過(guò)產(chǎn)生數字信號再轉換成模擬信號的方法來(lái)獲得所需要的波形。Atmega16單片機本身就是一個(gè)完整 的微型計算機，具有組成微型計算機的各部分部件：中央處理器CPU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O接口電路、定時(shí)器/計數器以及串行通 訊接口等，，只要將Atmega16再配置鍵盤(pán)及其接口、顯示器及其接口、數模轉換及波形輸出、指示燈及其接口等四部分，即可構成所需的波形發(fā)生器，其信 號發(fā)生器構成原理框圖如圖3.1所示：

信號發(fā)生器原理框圖

Atmega16是整個(gè)波形發(fā)生器的核心部分，通過(guò)程序的編寫(xiě)和執行，產(chǎn)生各種各樣的信號，并從鍵盤(pán)接收數據，進(jìn)行各種功能的轉換和信號幅度的調節。當數字信號經(jīng)過(guò)接口電路到達轉換電路，將其轉換成模擬信號也就是所需要的輸出波形。

3.2.4設計思想

1、利用單片機產(chǎn)生方波、鋸齒波、正弦波、三角波和鋸齒波等信號波形，信號的頻率和幅度可變。

2、將一個(gè)周期的信號分離成256個(gè)點(diǎn)（按X軸等分），每?jì)牲c(diǎn)之間的時(shí)間間隔為T(mén)，用單片機的定時(shí)器產(chǎn)生，其表示式為：T=T/256。

3、正弦波的模擬信號是D/A轉換器的模擬量輸出，其計算公式為：

Y=（A/2sint）+A/2 (其中A=VREF)

那么對應著(zhù)存放在計算機里的這一點(diǎn)的數據為：

4、一個(gè)周期被分離成256個(gè)點(diǎn)，對應的四種波形的256個(gè)數據存放在以TAB1--TAB4為起始地址的存儲器中。

3.2.5設計功能

根據系統操作界面的菜單提示選擇信號發(fā)生器輸出的波形。分別有正弦波、方波、三角波。

在系統操作界面可以調節輸出波形的頻率和幅值。頻率范圍：10~1000Hz，輸出波形幅度為：0～5V。

3.2.6硬件設計

硬件原理框圖

3.2.7軟件設計

本文中子程序的調用是通過(guò)操作界面菜單選項的選擇來(lái)實(shí)現，在取得按鍵相應的鍵值后，啟動(dòng)計時(shí)器和相應的中斷服務(wù)程序，再直接查詢(xún)程序中預先設置的數據值，通過(guò)轉換輸出相應的電壓，從而形成所需的各種波形。主程序的流程圖如下圖所示

主程序的流程圖

在程序開(kāi)始運行之后，首先是對8155進(jìn)行初始化，之后判斷信號頻率值，如符合所需的頻率，則重置時(shí)間常數，并通過(guò)顯示器顯示出來(lái)，不符則返回。在中斷結 束后，還要來(lái)判斷波形是否符合，如符合，則顯示其頻率，不符則返回，重新判斷。下圖為各波形子程序的流程圖。如圖所示，在中斷服務(wù)子程序開(kāi)始后，通過(guò)判斷 來(lái)確定各種波形的輸出，當判斷選擇的不是方波后，則轉向對正弦波的判斷，如此反復。如果選擇的是方波，則用查表的方法求出相應的數據，并通過(guò)D/A轉換器 將數據轉換成模擬信號，形成所需波形信號。

程序運行流程圖

3.3數字萬(wàn)用表

3.3.1數字萬(wàn)用表簡(jiǎn)介

特點(diǎn)： 分辨力強、準確度高（±0.5%～ ± 0.03%） 測試功能完善、測量速率快、顯示直觀(guān)、耗電省、過(guò)載能力強、便于攜帶。

測量參數：DCV：直流電壓、ACV：交流電壓、DCA：直流電流、R：電阻、UF：二極管的正向導通電壓、hFE：三極管放大倍數

3.3.2原理圖

3.3.3功能電路

1、功能量程的選擇：通過(guò)操作界面選擇萬(wàn)用表模式，并選擇相應的檔位和量程。

參數轉換電路：

ICL7106：三位半LCD/LED顯示A/D轉換器.

AD轉換原理

從上式可知：被測電壓只與基準電壓及計數值有關(guān)，而這兩者的準確度都可以做得較高，所以數字萬(wàn)用表的測量準確度較高

測量 DCV、 ACV、 DCA、 hFE時(shí)UREF=100mV，測量二極管正向壓降時(shí)UREF=1V

測量R時(shí)，UREF不一定為100mV

5LCD顯示 在液晶屏幕上顯示出所測參數的物理量

6、直流電流轉換電路（I→〈200mV電壓）

以200mA檔為例

U_IN = 1Ω ×100mA= = 100mV

7、直流電壓轉換電路

8、交流電壓轉換電路（以200V檔為例）

9、電阻轉換電路(以20k擋為例)

若RX= RREF則N2=1000，把小數點(diǎn)點(diǎn)在百位即可

10、二極管正負極測量電路

11、 三極管放大倍數測量

Ic=βIb ——> 200mV直流電壓——> A/D轉換

3.4 LCD觸摸屏

3.4.1 LCD觸摸屏參數

5. 顯示屏幕尺寸 2.8inch

5. 屏幕點(diǎn)陣 240 * 320

5. 屏幕色彩 65K色

5. 接口標準 intel80(D0-D15,ADDR0,nWR,nRD,nCS,)接口，支持MCU51（74F373擴展），ARM

6. 驅動(dòng)IC：HX8347

5. 工作電壓2.5~3.6,背光電流80mA

5. 可以支持2.8inch可視面積，3.0inch手寫(xiě)觸摸膜

5. 屏幕尺寸 50(W) * 69.2(H) * 4.0(T) 帶觸摸膜

3.4.2 觸摸屏實(shí)現功能

我們采用的液晶屏主要用于顯示功能，其次，該液晶屏還帶觸摸功能，還可以作為輸入，對系統進(jìn)行控制。

3.4.3 硬件實(shí)現

由于該液晶屏已經(jīng)自帶轉接線(xiàn)，只要從AVR主控芯片把引腳擴展出來(lái)，另外再為液晶屏搭個(gè)驅動(dòng)電路驅動(dòng)液晶屏，便可以對液晶屏進(jìn)行控制了。（具體硬件電路需等官方提供了開(kāi)發(fā)套件之后方好確定下來(lái)）

3.4.4 軟件部分

液晶屏主要是用來(lái)顯示示波器的輸出，同時(shí)作為輸入對示波器進(jìn)行各項功能的選擇，故我們把顯示屏軟體部分分成了兩個(gè)部分：一是輸出的顯示，二是輸入的檢測。

輸出的顯示：根據示波器所處的模式，顯示相應的輸出，如果示波器處于波形檢測模式，則在輸出屏幕上顯示檢測到的波形；如果示波器處于萬(wàn)用表工作模式下，則輸出屏幕上顯示測到的電壓，電流，電阻等物理量的數值。

輸入檢測：由于該液晶屏帶觸摸功能，故可以把輸入按鍵放到液晶屏上，實(shí)現觸摸按鍵功能。

下圖是多功能示波器的初步界面設計方案：（以下設計僅為初步設想，最終界面需根據具體功能進(jìn)一步改善）

（多功能示波器界面圖）

3.5太陽(yáng)能充電器

為了綠色環(huán)保，我們將使用太陽(yáng)能來(lái)提供所需的能源。

6V200MA 太陽(yáng)能電池板

儀器使用2節5號充電電池供電。

充電器功能：

1、給充電電池充電；

2、給手機充電；

3、充電完成自動(dòng)斷電，避免過(guò)沖。

充電器輸出電壓：5V或1.2V

充電器輸出電流：350mA

3.6 SD外部存儲

3.6.1 外部存儲簡(jiǎn)介

由 于示波器是一種精密的測量?jì)x器，數據量比較大，很多時(shí)候用戶(hù)不僅需要實(shí)時(shí)地觀(guān)測數據，事后還需要對數據進(jìn)行處理和分析，這就要求要有一個(gè)較大的數據存儲空 間，由于單片機自帶的ROM一般不會(huì )太大，而且很不方便與PC機進(jìn)行數據傳輸，因而我們決定采用外部SD卡對數據進(jìn)行存儲。

3.6.2 SD外部存儲原理

SD 有兩種操作模式：SD 卡模式，SPI 模式。SD 卡模式不介紹。一般用SPI 模式操作。我們這里采用SPI模式對SD卡進(jìn)行存取數據。

在SPI模式下，用單片機的4個(gè)控制I/O口分別模擬MOSI、MISO、CS、CLK即可實(shí)現數據的存取，電路簡(jiǎn)單，如下圖所示：

SD卡原理圖

3.6.3 SD卡驅動(dòng)

通用驅動(dòng)為：

（1）初始化SPI接口，使用低速模式

（2）延時(shí)至少74clock

（3）發(fā)送CMD0，需要返回0x01，進(jìn)入Idle 狀態(tài)

（4）循環(huán)發(fā)送CMD55+ACMD41，直到返回0x00，進(jìn)入Ready 狀態(tài)

（5）設置讀寫(xiě)block 大小為512byte

（6）把SPI 設置為高速模式

3.6.4 軟件程序

下面為SD卡存取數據需要用到的主要幾個(gè)函數

void SPI_Init(void){…}

void SPI_Send_Byte(byte Data){…}

void SPI_Receive_Byte(byte Data){…}