低頻手持示波表設計

摘 要:手持示波表是近年出現的一種新型的檢測儀表，是在數字存儲示波器基礎上發展起來的一種體積小巧，便于攜帶的手持式“示波器”。手持示波表的出現給現場故障診斷提供一個實用的工具，可滿足機動現場維護、后勤保障、工業生產以及教育系統等領域移動測試的需求。與臺式的數字示波器相比，手持示波表具有輕巧、便攜等特性，可以滿足現場苛刻環境下的測量。

關鍵詞:手持示波表AVR單片機液晶模數轉換器

中圖分類號:TM93文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(C)-0018-02

1 硬件電路設計

本設計采用AVR ATmega16單片機做為主控機，由單片機實現數據采樣、數據處理、顯示控制等模塊。根據被測信號的不同，通過調整撥碼開關來改變系統的時基和衰減度。衰減電路采用電阻分壓的衰減方式，把被測信號衰減成±2.5V之間變化的電信號。衰減后的信號通過與DC 2.5V疊加，通過LM324組成一個加法器，整合成0～5V變化的信號。整合后的信號直接連接到單片機的PA0即單片機的模數轉換通道0(ADC0)進行A/D轉換。最后用單片機把采樣數據進行數據處理，并通過SPI接口控制諾基亞3310液晶模塊顯示波形。其中，信號整合電路、諾基亞3310液晶顯示模塊和AVR ATmega16單片機是系統的主要組成部分。系統硬件原理框圖如圖1。

2 AVR ATmega16在系統中的應用

本設計采用AVR ATmega16單片機做為主控機，由單片機實現數據采樣、數據處理、顯示控制等模塊。在本設計中單片機主要用到ADC、外部中斷、基本的I/O口、同步串行接口SPI(Serial Peripheral Interface)等功能模塊。

如圖1所示，該系統為單片機的基本系統，其中包括ISP編程接口協議、復位電路、外部中斷電路、SPI接口等。在整個系統中用到了ATmega16的外部中斷、A/D轉換和SPI串行接口等功能模塊。

2．1 外部中斷

外部中斷是由INT0和INT1引腳觸發的。需要注意的是，如果設置允許外部中斷產生，即使址INT0和INT1引腳設置為輸出方式，外部中斷也全觸發，這一特性提供了使用軟件產生中斷的途徑。外部中斷可選擇采用上升沿觸發、下降沿觸發以及低電平觸發。具體方式是由MCU控制寄存器MCUCR以及MCU控制和狀態寄存器MCUCSR決定。

2.2 模數轉換器(ADC)

ATmega16有一個10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口A的8路單端輸入電壓進行采樣。單端電壓輸入以0V(GND)為基準。器件還支持16路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入(ADC1、ADC0與ADC3、ADC2)有可編程增益級，在A/D轉換前給差分輸入電壓提供0dB(1x)、20dB(10x)或46dB(200x)的放大級。

3 軟件系統程序流程圖

如圖2所示，系統在程序開始運行后，首先對單片機的各端口、模數轉換、SPI串行接口等功能模塊進行初始化，然后通過一些判斷后用單片機內部的ADC進行數據采樣并存儲數據，在所要采樣的數據都完成后進行數據處理，最后數據處理完成后用單片機的SPI串行接口對諾基亞3310液晶模塊傳輸數據控制液晶模塊顯示波形。完成顯示控制后，進行下一輪的數據采樣、數據處理、顯示控制就這樣一直工作下去直到關掉電源。

如圖2所示，數據采樣環節在工始時，先進行初始化單片機內部的ADC進行初始化(ADC的通首、ADC時鐘分頻、數據對齊方式等進行設定)。第一次先進行A/D轉換，并對A/D的數據進行判斷，看是不是設定的觸發電壓。若不是則進行下一次轉換，直到這個數據為設定值，并對這個數據進行存儲，然后判斷存儲的數據個數是否到達要求。若沒有達到要求就進行下一個數據的采樣，除了第一個存儲的數據要判斷是否為設定值，其它數據都不用判斷。當數據的個數達到設定值時采樣環節就結束，單片機進行其他的工作。

4 系統硬件調試

本設計以ATmega16單片機為主控機，它具有技術成熟、性能可靠、穩定性高等特點。系統硬件電路主要包括衰減電路、整合電路、主控制器電路及顯示電路等部分組成。在硬件調試中主要分為兩部分進行調試與測試。

5 衰減電路與整合電路的調試

在本設計中，衰減電路與整合電路的主要是先用Multisim7進行仿真，在仿真通過后再進行電路的焊接和調試，其中整合電路就是一個同相加法器。衰減電路與整合電路的仿真電路如圖3所示。在被測信號的峰峰值為5V的交流信號時，電路的仿真結果(輸出波形)。

6 結論

本設計采用ATmega16單片機做為主控機，LCD采用諾基亞3310液晶模塊。原理是被測信號通過衰減后，和一個DC 2.5V電壓與LM324組成一個整合電路。最后整合電路的輸出信號電壓范圍是在0～5V之間。然后用單片機的內部模數轉換器(ADC)對整合電路的輸出信號進行A/D轉換，轉換后的數據存儲到單片機的寄存器中。A/D轉換完成后，對采樣的數據進行處理，最后用單片機的SPI接口傳輸波形數據，控制諾基亞3310液晶模塊顯示波形。目前市面上的手持示波表價格都偏高，當然功能也強大，但對于一些實驗或低頻的場合就顯得“奢侈”了。所以，本設計方案的選擇主要是從制作成本等方面考慮，也因此犧牲了一些性能和精度，但因為本設計主要是針對實驗或一些低頻測量的場合，所以上述方案完全可以滿足本設計的要求。

參考文獻

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