基于S12的簡易數(shù)字示波器的設(shè)計方案

　　1.引言

　　本文的設(shè)計方案中的數(shù)字示波器是對傳統(tǒng)高速電子束示波器的改進(jìn)，它能對被測周期信號或單次非周期信號進(jìn)行一次采集與儲存，便于分析波形。

　　目前對于數(shù)字示波器已經(jīng)有比較豐富的研究，但有時在開發(fā)設(shè)計中只需要中低端數(shù)字示波器即可達(dá)標(biāo)。針對此本文給出了一種簡易數(shù)字示波器的制作設(shè)計方案，盡可能采用數(shù)字電路，結(jié)構(gòu)簡單測量結(jié)果可靠且具高分辨率和低誤差的特點。

　　2.系統(tǒng)設(shè)計方案

　　本設(shè)計方案以S12單片機(jī)為主控芯片，通過程控放大電路將信號衰減放大后經(jīng)TLC5510采樣送入 FIFO芯片進(jìn)行緩沖存儲和整形電路，然后S12從FIFO讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后將波形和峰峰值在LCD上進(jìn)行顯示，另一方面從整形電路輸入S12測頻，并將頻率顯示在液晶屏上。

　　2.1 硬件設(shè)計

　　硬件設(shè)計包括程控放大、高速AD轉(zhuǎn)換與FIFO存儲、時鐘電路和電源，整形電路與單片機(jī)處理四個電路模塊，各模塊間聯(lián)系如下：

　　2.1.1 程控放大模塊

　　程控放大的作用是對輸入信號進(jìn)行衰減或放大調(diào)整，使輸出信號電壓在AD轉(zhuǎn)換器輸入電壓要求范圍內(nèi)。設(shè)計采用LM6172運放組成多級運放實現(xiàn)信號的縮放，通過ULN2003驅(qū)動電磁繼電器，由單片機(jī)決定衰減系數(shù)。最后加上基線電壓（AD轉(zhuǎn)換器輸入中點）以調(diào)整信號幅度在AD轉(zhuǎn)換器采樣范圍內(nèi)，送到AD芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換和整形電路，分別進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換和將處理信號轉(zhuǎn)化成方波信號以便MCU測頻。

　　2.1.2 高速AD轉(zhuǎn)換與FIFO存儲模塊

　　AD轉(zhuǎn)換器將被測信號采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號存入存儲器，決定數(shù)字示波器所能測量的最高頻率，根據(jù)乃奎斯特定理，采樣頻率至少是被測信號最高頻率的2倍才能再現(xiàn)出被測信號。而在數(shù)字示波器中采樣頻率至少應(yīng)該是被測信號頻率的5~8倍才能還原信號的波形。為了滿足對高頻信號的采集，選用了8位TLC5510AD轉(zhuǎn)換芯片。

　　FIFO（先進(jìn)先出存儲器）作為AD轉(zhuǎn)換與單片機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)緩沖，具有3個標(biāo)志引腳FF（滿標(biāo)志）、HF（半滿標(biāo)志）和EF（空標(biāo)志）。MCU根據(jù)這三個標(biāo)志，當(dāng)滿時讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并禁止AD采樣時鐘，半滿時繼續(xù)采樣，空時則等待讀取數(shù)據(jù)。由于AD轉(zhuǎn)換較快，可在AD與FIFO間加入74VHC574鎖存器數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存緩沖后送入FIFO.

　　2.1.3 時鐘電路和電源模塊

　　時鐘電路為AD轉(zhuǎn)換器提供采樣時鐘信號，對于1MHz以內(nèi)的信號，本設(shè)計以20MHz晶振為基準(zhǔn)，采用計數(shù)器組成的分頻電路得到一系列不同的采樣周期，分別為20MHz、10MHz、5MHz、1MHz、500KHz、100KHz、 10KHz、1KHz和500Hz共9種，分別對應(yīng)著不同的水平掃速。由單片機(jī)通過數(shù)據(jù)選擇器74F151選擇不同的采樣時鐘用于AD轉(zhuǎn)換采樣信號。

　　為達(dá)到簡單方便的目的，本設(shè)計各模塊均采用±5V電源供電，電源模塊是將220V交流電通過變壓器后經(jīng)整流、濾波和穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換成±5V直流穩(wěn)壓電，其中程控放大要用到運放，所以要用到±5V雙電源，其它模塊+5V穩(wěn)壓源能達(dá)到要求。