如何設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易示波器？

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1、信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)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(dāng)輸入信號(hào)的幅度很小的時(shí)候就需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，使得被測(cè)信號(hào)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(fù)壓而待測(cè)信號(hào)又往往有負(fù)壓。這時(shí)候就需要這樣一個(gè)電路，可以把負(fù)壓抬高到0電平以上。

圖2信號(hào)調(diào)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(xiàn)程控放大功能了?？烧{(diào)電阻R9用來(lái)設(shè)置信號(hào)調(diào)理電路加入的直流分量的大小。放大后的信號(hào)和直流分量最后由U3模擬加法器疊加后輸出。

輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的關(guān)系：只要R4、R6、R7的阻值相同，調(diào)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(diào)電阻R9中間抽頭的電壓一至。

1.2、主控芯片軟件設(shè)計(jì)

這個(gè)系統(tǒng)的主控芯片選擇的是，Atmel公司的AVR系列單片機(jī)ATmega16，最高可達(dá)到16MPIS指令速度。ATmega16有16K的flash， 1K的SRAM， 512 B的EEPROM，單片機(jī)內(nèi)部自帶一個(gè)10 bits精度的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)建采樣/保持電路。ADC的時(shí)鐘是可編程的，在這個(gè)設(shè)計(jì)中為了太到最高的采樣頻率100KHz ADC的時(shí)鐘設(shè)置為2MHz。ADC的觸發(fā)源選擇為定時(shí)器/計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)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(tǒng)程序流程圖

1.2.1、鍵盤功能

在這個(gè)系統(tǒng)中設(shè)置了7個(gè)按鈕分別為：運(yùn)行與停止，放大倍數(shù)增大，放大倍數(shù)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(yùn)行與停止鍵：是通過(guò)開(kāi)啟和關(guān)閉ATmega16 ADC轉(zhuǎn)換完畢中斷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

放大倍數(shù)的增大與減?。菏峭ㄟ^(guò)ATmega16控制模擬開(kāi)關(guān)CD4051來(lái)實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的數(shù)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小：是通過(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(xiàn)系統(tǒng)所需要的各個(gè)采樣頻率。定時(shí)器0的中斷頻率就等于ADC的采樣頻率。

觸發(fā)電平的上移與下移：是通過(guò)對(duì)采樣來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字觸發(fā)時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)的二進(jìn)制值在增加的過(guò)程中某個(gè)數(shù)據(jù)的大小剛好與數(shù)字觸發(fā)的二進(jìn)制數(shù)值一樣，在此以后的波形數(shù)據(jù)才存入顯示RAM中。

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

1.2.2、數(shù)字觸發(fā)功能

如何實(shí)現(xiàn)觸發(fā)呢？用硬件來(lái)完成的話又會(huì)增加系統(tǒng)硬件電路的復(fù)雜度，我就想了一個(gè)辦法，有軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)的功能。實(shí)現(xiàn)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(shè)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(jù)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(shù)據(jù)范圍為0到63而采樣得到的數(shù)據(jù)為8位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)為0到255。為了能在這個(gè)LCD上顯示只取8位數(shù)據(jù)的高6位。那么如何把這高6位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成在LCD上的Y軸座標(biāo)和數(shù)據(jù)值呢？我想了這樣一個(gè)計(jì)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(shù)據(jù)點(diǎn)。在某個(gè)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)0x01，0x02，0x04，0x08，0x10，0x20，0x40，0x80，送入0x00后這個(gè)地址段的8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)將不被點(diǎn)亮。實(shí)現(xiàn)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） ;

否

否

否

圖4數(shù)據(jù)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(jì)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(shè)置就可以改變的頻率，再把TCNT0設(shè)置成不同的數(shù)值就可以得到這個(gè)系統(tǒng)所需要的各個(gè)采樣頻率值了。表1中的數(shù)據(jù)是通過(guò)上面的公式計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)再經(jīng)實(shí)際的系統(tǒng)調(diào)試并修正后的數(shù)據(jù)。

表1采樣頻率的設(shè)置

2、系統(tǒng)性能指標(biāo)及誤差

2.1、系統(tǒng)性能指標(biāo)

系統(tǒng)主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2所示。

表2系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

2.2、系統(tǒng)誤差

系統(tǒng)的誤差主要出在信號(hào)調(diào)理電路，因?yàn)槟M開(kāi)關(guān)有一定的內(nèi)阻約為80Ω對(duì)調(diào)理電路的放大倍數(shù)會(huì)造成一定的影響。通過(guò)1.1中的計(jì)算公式計(jì)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(xiàn)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(yùn)算放大器引入一定的誤差。

2.3、可以改進(jìn)的地方

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

2.4、系統(tǒng)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(biāo)尺，在屏幕的右邊為系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)（Run / Stop），Time為整個(gè)波形框的時(shí)間長(zhǎng)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(hào)的觸發(fā)電平。信號(hào)的頻率=波形框中信號(hào)的周期數(shù)/Time。

3、結(jié)論

用這種方法可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)易的示波器，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，清晰。充分利用了AVR單片機(jī)內(nèi)部資源使系統(tǒng)電路得以簡(jiǎn)單化，就連系統(tǒng)的工作時(shí)鐘也是AVR內(nèi)部自帶的。通過(guò)測(cè)試該系統(tǒng)在測(cè)量頻率方向的誤差很小，可以用來(lái)比較準(zhǔn)確的測(cè)量測(cè)試信號(hào)的頻率。