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1、數(shù)字示波器制作原理研究摘要:本文對(duì)數(shù)字示波器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析,并從硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)兩個(gè)方面闡述了基于ADuC812單片機(jī)和LCD顯示模摶的數(shù)字示波器的工作原理和制作過程。 關(guān)鍵詞:數(shù)字示波器;單片機(jī);AD轉(zhuǎn)換;LCD模塊 中圖分類號(hào):TN602 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 隨著電子技術(shù)的發(fā)展和變化,對(duì)電路測(cè)量的要求也變得更高,在電子制作中會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)很多參數(shù)的測(cè)量已不是一塊萬用表所能勝任的了,比如單片機(jī)某IO口的輸出波形或制作放大器測(cè)其頻率響應(yīng)等等。所以,示波器自然而然地與萬用表一樣,變成了電子工程師和愛好者的必備工具。 1示波器的工作原理 示波器是一種能把電壓隨時(shí)間變化的過程用圖像顯示出來的
2、電子儀器。用它來觀察電壓(或轉(zhuǎn)換成電壓的電流)的波形,并測(cè)量電壓的幅度、頻率和相位等。因此,示波器被廣泛地應(yīng)用在無線電測(cè)量中。 普通示波器的種類很多,但它們都包含下列基本組成部分,如圖1所示。 物理學(xué)理論可以證明,一端通過細(xì)繩固定的重物在作擺動(dòng)時(shí),與中心垂線的距離滿足正弦波規(guī)律。沙漏實(shí)驗(yàn)可以清晰地顯示這個(gè)隨時(shí)間變化的波形:用沙漏充當(dāng)重物,并且在沙漏底下的桌面上平鋪一張紙,當(dāng)沙漏開始擺動(dòng)時(shí),讓紙勻速移動(dòng)。這樣,沙漏中流出的細(xì)沙,就在紙上留下了一個(gè)正弦波痕跡(如圖2所示)。利用這種設(shè)計(jì)思想,可以完成波形在平面上(對(duì)應(yīng)于時(shí)間的流動(dòng))的展開。這種設(shè)計(jì)思想在波形記錄、顯示中被廣泛采用,比如心電圖機(jī),就是
3、用原地?cái)[動(dòng)的電熱針,在勻速移動(dòng)的記錄紙帶上描記出心電波形。 2模擬示波器與數(shù)字示波器 利用心電圖機(jī)的結(jié)構(gòu),已經(jīng)可以記錄電壓信號(hào),但是,示波器在大量的應(yīng)用中,并不需要通過消耗紙張來記錄波形,而僅僅是觀察波形。因此??梢灾貜?fù)使用的CRT(Cathode Ray Tube)示波管,被應(yīng)用到示波器的設(shè)計(jì)中。模擬示波器把需觀測(cè)的兩個(gè)電信號(hào)加至示波管的x、Y通道以控制電子束的偏移,從而獲得熒光屏上關(guān)于這兩個(gè)電信號(hào)關(guān)系的顯示波形。顯然,這種模擬示波器體積大、重量重、成本高、價(jià)格貴,并且不太適合用于對(duì)非周期的、單次信號(hào)的測(cè)量。 數(shù)字示波器首先對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行高速采樣獲得相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并存儲(chǔ)。用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)
4、采樣得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理與運(yùn)算,從而獲得所需的各種信號(hào)參數(shù)。根據(jù)得到的信號(hào)參數(shù)繪制信號(hào)波形,并可對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的、瞬態(tài)的分析,以方便使用者了解信號(hào)質(zhì)量,快速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障的診斷。測(cè)量開始時(shí),操作者可通過操作界面選定測(cè)量類型、測(cè)量參數(shù)及測(cè)量范圍(可選自動(dòng)設(shè)置,由儀器自動(dòng)設(shè)置最佳范圍);微處理器自動(dòng)將測(cè)量設(shè)置解釋到采樣電路,并啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集;采集完成后,由微處理器對(duì)采樣數(shù)據(jù)按測(cè)量設(shè)置進(jìn)行處理,提取所需要的測(cè)量參數(shù),并將結(jié)果送顯示部件。 使用模擬示波器和數(shù)字示波器通常都能很好地觀察簡(jiǎn)單重復(fù)性信號(hào)(如圖3)。但是,兩者都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。對(duì)于模擬示波器來說,由于CRT的余輝時(shí)間很短,因而難于顯
5、示頻率很低的信號(hào)。由于示波管上的掃描軌跡亮度和掃描速度成反比,所以具有快速上升、下降時(shí)間的低重復(fù)速率信號(hào)就很難看到。而數(shù)字示波器的掃描軌跡亮度和掃描速度與信號(hào)重復(fù)速率無關(guān),故可以很好地反映出來。 對(duì)于顯示具有較高重復(fù)速率的重復(fù)性信號(hào)的快速上升、下降沿來說,數(shù)字存儲(chǔ)示波器和模擬示波器的性能幾乎沒有什么區(qū)別。用兩種示波器都能很好地觀察信號(hào)波形。當(dāng)要進(jìn)行信號(hào)參量的測(cè)量時(shí),數(shù)字存儲(chǔ)示波器的優(yōu)點(diǎn)在于具有自動(dòng)測(cè)量各種參數(shù)的能力。而使用模擬示波器時(shí),則必須自己設(shè)置光標(biāo)、分析理解顯示的波形才能得到測(cè)量的結(jié)果。但是,如果要進(jìn)行調(diào)整工作,那么一般最好使用模擬示波器,這是因?yàn)槟M示波器的實(shí)時(shí)顯示能力使它在每時(shí)每刻都
6、能顯示出輸入的電壓,其波形更新速率(每秒鐘在屏幕上描畫掃描軌跡的次數(shù))很高,所以信號(hào)的任何變化都會(huì)立即顯示出來。與模擬示波器相反,數(shù)字示波器所顯示的是用采集的波形數(shù)據(jù)重建的波形,所以,其波形更新率遠(yuǎn)低于模擬示波器,結(jié)果在信號(hào)發(fā)生變化和變化了的信號(hào)在屏幕上顯示出來之間就有了一定的時(shí)間延遲。這是數(shù)字示波器的主要缺點(diǎn)。 數(shù)字示波器還具有其它的優(yōu)勢(shì): (1)模擬示波器需要與帶寬相適應(yīng)的CRT示波管,隨著頻率的提高,對(duì)CRT示波管的工藝要求嚴(yán)格,成本增加,存在技術(shù)瓶頸。所以,在電子市場(chǎng)上不好買,性能好的大多數(shù)是進(jìn)口品牌,其價(jià)格昂貴且需要處理的問題也多,比如要產(chǎn)生陽極高壓、掃描鋸齒波還要對(duì)示波管進(jìn)行電磁屏
7、蔽等等,而且做出來體積很大,便攜就更談不上了。而數(shù)字示波器只要與帶寬相適應(yīng)的高速AD(AnMogDigital)轉(zhuǎn)換器,其它存儲(chǔ)器和DA(DigitalAnalog)轉(zhuǎn)換器以及顯示器都是較低速的部件,顯示部分可用LCD(Liquid Crystal Display)顯示模塊做顯示器,在電子市場(chǎng)很容易買到,價(jià)格也不貴而且應(yīng)用簡(jiǎn)單,只需考慮與微處理器的接口,體積小且功耗遠(yuǎn)小于CRT示波管。使用LCD顯示模塊做示波器做成便攜式很容易,做成示波表都沒問題!當(dāng)然,LCD顯示模塊也有其不足之處,比如亮度和對(duì)比度不如CRT示波管,但綜合考慮LCD顯示模塊的優(yōu)勢(shì)還是比較明顯的。 (2)模擬示波器是一個(gè)完全的硬
8、件結(jié)構(gòu),做好之后很難進(jìn)行功能升級(jí)。而數(shù)字示波器不同,它的控制以及其它功能的實(shí)現(xiàn)在保證基本硬件后都是由軟件來實(shí)現(xiàn)的,添加新的功能之分方便。 3數(shù)字示波器的硬件系統(tǒng) 一般來說,數(shù)字波器主要包括4部分電路,分別是: (1)程控放大(衰減)電路; (2)高速AD轉(zhuǎn)換電路; (3)Flash(閃存)存儲(chǔ)電路; (4)顯示控制電路; 在這幾部分中,最重要的是程控放大(衰減)電路和AD轉(zhuǎn)換電路,因?yàn)檫@兩個(gè)電路是數(shù)字示波器的咽喉,程控放大(衰減)電路決定了示波器的輸入帶寬和垂直分辨率,AD轉(zhuǎn)換電路決定了示波器水平分辨率,這兩個(gè)分辨率直接決定著一個(gè)示波器性能的優(yōu)劣。這兩部分電路將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成后面的處理電路所需
9、的數(shù)據(jù)信號(hào),這部分電路都可用高性能的集成電路加少量外圍器件構(gòu)成,電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。調(diào)試也很簡(jiǎn)單。整個(gè)示波器最難的應(yīng)該是程序,也就是軟件方面。軟件承擔(dān)著數(shù)字示波器的所有數(shù)據(jù)處理和控制任務(wù),包括AD采樣控制、水平掃速控制、垂直靈敏度控制、顯示處理、峰峰值測(cè)量、頻率測(cè)量等任務(wù)。可以采用現(xiàn)在市面上很常見的單片機(jī)作為微處理器,使用c語言編程來實(shí)現(xiàn)。 所有的電子設(shè)備都離不開硬件,首先讓我來對(duì)它的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行一下簡(jiǎn)述:總體電路如系統(tǒng)框圖所示(圖4),外部信號(hào)從探頭輸入,進(jìn)入程控放大(衰減)電路進(jìn)行放大(衰減),再對(duì)被放大(衰減)的信號(hào)進(jìn)行電路整形后送入高速AD轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣,采樣所得的數(shù)據(jù)存入Flash閃
10、存中, 需要使用時(shí)再從閃存中讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,最后將波形顯示在LCD模塊上。 下面就各個(gè)模塊電路作以簡(jiǎn)單介紹。 3.1程控放大(衰減)電路與電源電路 信號(hào)由常見的X10X1示波器探頭輸入,進(jìn)入放大(衰減)電路。程控放大(衰減)電路的作用是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大或衰減調(diào)整,使輸出信號(hào)電壓在AD轉(zhuǎn)換器輸入電壓要求范圍內(nèi),達(dá)到最好的測(cè)量與觀察效果,所以程控放大器電路在規(guī)定帶寬內(nèi)的增益一定要平坦。 由于示波器電路上包含數(shù)字和模擬兩個(gè)部分,為了避免相互干擾所以將數(shù)字部分的供電和模擬部分的供電分開,分別提供一組5V的直流電源,并用電感與電容做成的濾波器隔離。 3.2高速AD轉(zhuǎn)換電路 數(shù)字示波器中最重要的電路是
11、AD轉(zhuǎn)換電路,它的作用是將被測(cè)信號(hào)采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)存入存儲(chǔ)器,說它是數(shù)字示波器的咽喉一點(diǎn)也不為過,因?yàn)樗苯記Q定著數(shù)字示波器所能測(cè)量的最高頻率,根據(jù)奈奎斯特定理,采樣頻率至少是被測(cè)信號(hào)最高頻率的2倍才能復(fù)現(xiàn)出被測(cè)信號(hào)。而在數(shù)字示波器中采樣頻率至少應(yīng)該是被測(cè)信號(hào)頻率的58倍才行,否則根本觀察不到信號(hào)的波形。 為了提AD采樣效率,本電路采用ADuC812單片機(jī),芯片內(nèi)集成了8路12位ADC采集系統(tǒng)、2路12位ADC、80C52MCU內(nèi)核、8kB的閃速電可擦除程序存儲(chǔ)器、640字節(jié)的閃速電可擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等模塊。官方資料給出的最高采樣頻率為200kHz,對(duì)于一般的測(cè)量來說綽綽有余了,而12位轉(zhuǎn)換
12、器對(duì)于示波器來說也是夠用的,例如我們選用128*240的LCD顯示模塊,垂直分辨率為128格,所以絕對(duì)夠用。還有就是價(jià)格及電路的設(shè)計(jì),由于ADC系統(tǒng)集成在單片機(jī)內(nèi)部,大大節(jié)約了硬件成本和電路設(shè)計(jì)的工作量。 3.3 Flash閃存與時(shí)鐘電路 因?yàn)锳D轉(zhuǎn)換器捕獲的信號(hào)數(shù)據(jù)量較大,單片機(jī)內(nèi)部的8kB閃存不夠使用,所以本電路選用了一塊WinBond的W27C020芯片作為單片機(jī)的外存使用,容量為256kB,同時(shí),也作為寫LCD的緩存使用。 為了得到基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào),單片機(jī)還連接一塊頻率為11.0592MHz的晶振,用來計(jì)算外部波形信號(hào)的實(shí)際頻率。如果示波器需要顯示當(dāng)前日期時(shí)間,還可以安裝一塊內(nèi)置鋰電池的D
13、Sl2887日歷時(shí)鐘芯片,帶有128字節(jié)帶掉電保護(hù)的RAM(random access memory),使用十分方便。 3.4顯示控制電路 LCD選用金鵬OCM240128顯示模塊,分辨率128*240,藍(lán)色背光,支持觸屏。此模塊使用現(xiàn)在市面上非常流行的T9693C驅(qū)動(dòng)芯片,只需要將WR、RD、CD以及8個(gè)數(shù)據(jù)端口DB0DB7與單片機(jī)的對(duì)應(yīng)IO端口連接,就可以正常使用。T9693C還為L(zhǎng)CD的顯示提供了完善的軟件接口,編程簡(jiǎn)便快捷。 4數(shù)字示波器的軟件系統(tǒng) 硬件部分完成了,接下來談?wù)勡浖糠?。軟件是一臺(tái)設(shè)備的靈魂,沒有好的軟件支持,所有的硬件都是一堆廢鐵。我們寫的匯編語言源程序要變?yōu)閱纹瑱C(jī)可以
14、執(zhí)行的機(jī)器碼有兩種方法,一種是手工匯編,另一種是機(jī)器匯編,目前已極少使用手工匯編的方法了。機(jī)器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C(jī)器碼,隨著單片機(jī)開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展,從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級(jí)語言開發(fā),單片機(jī)的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展,基于80C52內(nèi)核的ADuC812單片機(jī)可以使用Keil軟件直接使用c語言來進(jìn)行開發(fā)。 總的來說,在數(shù)字示波器的軟件開發(fā)過程中,有兩大要點(diǎn): (1)AD轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的處理; (2)LCD顯示控制。 為了降低電路的復(fù)雜性,沒有設(shè)計(jì)硬件觸發(fā)電路,而是用軟件實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)。軟件觸發(fā)的好處是觸發(fā)條件更易調(diào)整,只需調(diào)整比較語句中的參數(shù)即可。例如,顯示一屏的數(shù)據(jù)為240個(gè),但每次
15、讀進(jìn)單片機(jī)的數(shù)據(jù)為500個(gè),多余260個(gè)數(shù)據(jù)就是作為不滿足觸發(fā)條件的舍棄余量,為了以防萬一,當(dāng)從500個(gè)數(shù)據(jù)中以經(jīng)讀出超過260個(gè)數(shù)據(jù)但還沒有符合觸發(fā)條件的數(shù)據(jù)時(shí),將跳出觸發(fā)比較循環(huán),重新從閃存中讀出500個(gè)數(shù)據(jù),直到有滿足條件的數(shù)據(jù)出現(xiàn)。保證可以用軟件觸發(fā)的條件是要有足夠大的存儲(chǔ)空間,選用256kB的外存也是考慮到了這個(gè)問題。在一個(gè)捕獲周期內(nèi)所有AD轉(zhuǎn)換后得到的采樣數(shù)據(jù)全部保存在閃存芯片中,等待經(jīng)過運(yùn)算處理后發(fā)送到LCD顯示模塊。 金鵬0CM240128是一個(gè)通用LCD顯示模塊,內(nèi)置T6963系列驅(qū)動(dòng)芯片來顯示文字或圖形。模塊不僅可以顯示單一的文本、圖形,而且可以實(shí)現(xiàn)雙圖層的(“或”、“異或
16、”、“同或”、“與”四種邏輯關(guān)系)合成顯示。在數(shù)字示波器中可以將格線與波形放在不同的層上顯示,顯示關(guān)系為“或”,畫方格線的程序可以參考相關(guān)技術(shù)文檔,這里著重解釋一下如何將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成波形顯示數(shù)據(jù)。 對(duì)顯示數(shù)據(jù)的操作最小單位為字節(jié),一個(gè)字節(jié)包含8個(gè)二進(jìn)制位,T6963C芯片可以通過接受1位、2位或3位指令代碼來對(duì)LCD屏幕進(jìn)行操作,我們可以編寫一個(gè)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)將某個(gè)指定坐標(biāo)的像素點(diǎn)點(diǎn)亮的功能,這里坐標(biāo)的取值范圍為(0,0)(239,127)。將AD轉(zhuǎn)換所得的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后作為給LCD顯示模塊寫數(shù)據(jù)的依據(jù),因?yàn)橐壕撩啃杏?40個(gè)像素,所以定義一個(gè)容量為240字節(jié)的數(shù)組p240,數(shù)組下標(biāo)代表水平坐
17、標(biāo),數(shù)組元素的值代表垂直坐標(biāo)。p在初始時(shí)數(shù)據(jù)全為64(Ox40H),即在LCD中間顯示一條橫線。因?yàn)槊總€(gè)數(shù)據(jù)顯示一個(gè)亮點(diǎn),所以在每一列上都會(huì)對(duì)應(yīng)的顯示一個(gè)亮點(diǎn),表示波形的狀態(tài)。為了有較好顯示效果,將顯示相鄰的點(diǎn)用線連接起來,在處理第一個(gè)點(diǎn)時(shí)預(yù)讀出第二個(gè)點(diǎn)的垂直坐標(biāo),與第一個(gè)點(diǎn)的垂直坐標(biāo)進(jìn)行比較,如果比第一個(gè)點(diǎn)的垂直坐標(biāo)小則從第一個(gè)點(diǎn)向第二個(gè)點(diǎn)拉線,如果比第一個(gè)點(diǎn)的垂直坐標(biāo)大則從第二個(gè)點(diǎn)向第一個(gè)點(diǎn)拉線。 當(dāng)一組240個(gè)數(shù)據(jù)都顯示完成后,單片機(jī)已經(jīng)從AD轉(zhuǎn)換器捕獲了下一組信號(hào),在適當(dāng)?shù)难舆t時(shí)間后刷新整個(gè)屏幕,畫出下一個(gè)捕獲周期得到的波形。這樣就可顯示出連續(xù)的波形變化了。 5總結(jié) 到這里,關(guān)于一臺(tái)數(shù)字示波器的制作已經(jīng)完畢,這個(gè)數(shù)字示波器的性能其實(shí)還有很大的提高空間,例如,把本電路中所有集成電路全部用小型的貼片封裝,時(shí)鐘產(chǎn)生電路的那些通用數(shù)字芯片用一片C
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