摘要：本文對(duì)數(shù)字示波器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡單的分析，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)；A／D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I／O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。可以重復(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)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A／D(AnMog／Digital)轉(zhuǎn)換器，其它存儲(chǔ)器和D／A(Digital／Analog)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，在電子市場很容易買到，價(jià)格也不貴而且應(yīng)用簡單，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A／D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A／D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，A／D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)簡單。調(diào)試也很簡單。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A／D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)�？梢圆捎矛F(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A／D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A／D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A／D轉(zhuǎn)換電路
　　數(shù)字示波器中最重要的電路是A／D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5～8倍才行，否則根本觀察不到信號(hào)的波形。
　　為了提A／D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DSl2887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、C／D以及8個(gè)數(shù)據(jù)端口DB0～DB7與單片機(jī)的對(duì)應(yīng)I／O端口連接，就可以正常使用。T9693C還為LCD的顯示提供了完善的軟件接口，編程簡便快捷。
　　
　　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)A／D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A／D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”、“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A／D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p[240]，數(shù)組下標(biāo)代表水平坐標(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A／D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CPLD(Complex Programmable Logic Device)代替，那么這個(gè)示波器所有的電路都能做到像LCD顯示器那么大的一塊雙面板上，整個(gè)電路裝進(jìn)一個(gè)合適的殼子中用電池供電就成了一塊示波表。通過更換更大更高分辨率的LCD模塊，可以提高示波器的實(shí)時(shí)響應(yīng)速率，縮短外部信號(hào)變化到顯示出波形之間的延遲時(shí)間。還可以加入更多實(shí)用功能，比如可以加上一個(gè)繼電器來控制LCD顯示器的背光亮度，通過擴(kuò)展外部存儲(chǔ)空間或換用更大容量的Flash閃存來實(shí)現(xiàn)波形回放等。當(dāng)然，在更換硬件設(shè)備的同時(shí)也需要對(duì)軟件程序進(jìn)行必要的升級(jí)。
　　
　　(本文責(zé)任編輯　韓建中)

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