簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)

劉智朋，王 頂，王珊珊

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

傳統(tǒng)意義上的模擬示波器雖然功能較全，但是價(jià)格昂貴，體積大、重量重、成本高、等一系列問(wèn)題使應(yīng)用受到了限制。對(duì)于大多數(shù)學(xué)生以及教學(xué)組織來(lái)說(shuō)，利用示波器主要是進(jìn)行一些理論性的測(cè)試與實(shí)驗(yàn)，高精度高成本示波器的作用不是很必要，為此，筆者提出了一種便攜式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)，它采用了LCD顯示、高速A/D采集與轉(zhuǎn)換、FIFO以及單片機(jī)等技術(shù)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性以及發(fā)展的市場(chǎng)潛力，前景可觀。

1 簡(jiǎn)易數(shù)字示波器的工作原理以及總體框架

本設(shè)計(jì)硬件電路部分由單片機(jī)控制系統(tǒng)電路[1]，前向輸入調(diào)理電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)電路，以及按鍵顯示電路組成。其工作的基本思路就是以單片機(jī)為控制核心，讓AD芯片完成數(shù)據(jù)的離散化，采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)緩沖暫存于存儲(chǔ)器里面，當(dāng)波形顯示時(shí)，單片機(jī)從存儲(chǔ)器的讀使能端讀取采集數(shù)據(jù)存于數(shù)組中，然后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理并把所存取得數(shù)據(jù)按一定的順序打在液晶顯示器相應(yīng)的位置上，從而再現(xiàn)波形信號(hào)；其中輸入調(diào)理電路由阻抗變換電路，信號(hào)抬升電路以及頻率測(cè)量電路構(gòu)成，阻抗變換電路是為了提高輸入阻抗，信號(hào)抬升是為了使信號(hào)的幅度滿足AD芯片的輸入幅度要求，頻率測(cè)量電路主要是測(cè)量周期性信號(hào)的頻率。總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示[2]。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Overall design diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 前端信號(hào)的處理

本模塊具有兩大功能，一是輸入信號(hào)位置的變換；二是信號(hào)波形的變換。

信號(hào)位置的變換主要由阻抗變換電路，信號(hào)抬升電路構(gòu)成，阻抗變換采用ua741構(gòu)建的阻隨放大電路，信號(hào)抬升電路采用ua741構(gòu)成的加法電路，信號(hào)位置的處理主要是對(duì)被測(cè)輸入信號(hào)在幅度與偏移方面進(jìn)行線性處理，使信號(hào)在垂直方向上處于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍內(nèi)。波形變換電路是用來(lái)測(cè)量輸入信號(hào)的頻率，但是單片機(jī)屬于數(shù)字器件，為此，我們需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行波形變換以及脈沖整形；硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2 信號(hào)的采集與存儲(chǔ)

圖2 輸入調(diào)理電路Fig.2 Input conditioning circuit

數(shù)據(jù)采集部分[3]是本設(shè)計(jì)的核心部分，本設(shè)計(jì)采用BB公司的8位AD，試驗(yàn)中讓AD完成數(shù)據(jù)采集，采集完數(shù)據(jù)送往FIFO，通過(guò)FIFO中繼再送往單片機(jī)，F(xiàn)IFO是一種雙口RAM，它沒(méi)有地址線，隨著寫(xiě)入數(shù)據(jù)或者讀取數(shù)據(jù)而使地址指針進(jìn)行遞增或者遞減來(lái)實(shí)現(xiàn)尋址，兩者中間接了一個(gè)緩沖器，這樣可以起到數(shù)據(jù)緩沖作用，在MCU與AD之間接入FIFO的作用是起到數(shù)據(jù)緩沖的作用，因?yàn)锳D的時(shí)鐘高于MCU的工作頻率，所以讓AD和FIFO同步工作來(lái)存儲(chǔ)AD轉(zhuǎn)換的輸出數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中AD與FIFO的時(shí)鐘同步，來(lái)自于ALE引腳，為了使時(shí)鐘更加穩(wěn)定，可以讓ALE信號(hào)先經(jīng)過(guò)與門(mén)再送往采集存儲(chǔ)模塊；FIFO有3個(gè)標(biāo)志位引腳，F(xiàn)F滿標(biāo)志，HF半滿標(biāo)志以及EF空標(biāo)志，本設(shè)計(jì)只利用了FF滿標(biāo)志，當(dāng)FIFO存滿時(shí)通知單片機(jī)來(lái)讀取數(shù)據(jù)，這是單片機(jī)使FIFO的寫(xiě)使能禁止，只來(lái)讀取數(shù)據(jù)以顯示，硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 采集存儲(chǔ)電路Fig.3 Acquisition memory circuit

2.3 液晶顯示

試驗(yàn)中波形的顯示[4]是借助Ms12864R，采用8位并行數(shù)據(jù)處理，利用了液晶的打點(diǎn)功能，數(shù)據(jù)采集的先后順序體現(xiàn)在液晶的橫軸上面，也就是波形顯示的時(shí)間先后，而數(shù)據(jù)值的大小則體現(xiàn)在液晶的縱軸上面，也就是波形的幅度體現(xiàn)。由于采用FIFO，所以先采樣的點(diǎn)后顯示，這是波形顯示的核心，如圖4所示。12864主要有4個(gè)編程端口，RS（數(shù)據(jù)命令選擇），RW（讀寫(xiě)選擇），EN（使能端）以及 PSB（串并選擇），電路連接中分別接到單片機(jī)的某一I/O口上。

圖4 液晶顯示結(jié)果Fig.4 LCD Show results

2.4 按鍵電路

本設(shè)計(jì)需要按鍵較少，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求X方向能夠設(shè)置10us/div，20us/div，40us/div三檔水平掃描速度，Y方向能夠設(shè)置0.5V/div、1V/div二檔垂直靈敏度，加之幅度和頻率的測(cè)量，所以本設(shè)計(jì)要6個(gè)獨(dú)立按鍵就夠了。

3 軟件部分

3.1 總體程序框圖

總體程序框圖如圖5所示。

圖5 總體程序流程圖Fig.5 Overall program flow chart

3.2 測(cè)量頻率流程圖

測(cè)量頻率流程圖[5]如圖6所示。本設(shè)計(jì)頻率測(cè)量是基于計(jì)數(shù)法和測(cè)周期法混合使用[6]。其基本思想就是先測(cè)量1 s內(nèi)被測(cè)信號(hào)的上升沿個(gè)數(shù)，來(lái)一個(gè)上升沿計(jì)數(shù)器加1，為了防止計(jì)數(shù)器產(chǎn)生溢出，設(shè)計(jì)中將1 s分成20個(gè)50 ms，中斷20次，測(cè)出信號(hào)頻率，如果頻率值小于1K，則改用測(cè)周期法。

圖6 頻率測(cè)量流程圖Fig.6 Frequency measurement of the flow chart

3.3 液晶打點(diǎn)流程圖

打點(diǎn)操作是作圖的基礎(chǔ)，由于st7920控制器的繪圖RAM是一次進(jìn)行兩個(gè)2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作，也就是一次修改的是16個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)，而我們要想只修改一個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)同時(shí)不改變其余相鄰15個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)，那只能是先把原來(lái)位置的16個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)讀出，使用位操作指令修改其中一個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)，然后在回寫(xiě)到RAM中。整體的過(guò)程即是：讀取-修改（位狀態(tài)）-寫(xiě)入[4]。液晶畫(huà)點(diǎn)是編程的難點(diǎn)與重點(diǎn)，需要把液晶縱向每隔轉(zhuǎn)換為電壓，要把水平方向轉(zhuǎn)化為時(shí)間，將波形顯示出來(lái)，其步驟如下：先確定打點(diǎn)的位置；其次讀出該點(diǎn)所在的數(shù)據(jù)值；接著修改該點(diǎn)相應(yīng)的位的值，對(duì)于單色液晶來(lái)說(shuō)，只有兩種操作，一是點(diǎn)亮該點(diǎn)，另一種是熄滅該點(diǎn)；最后將修改后的數(shù)據(jù)值寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的地址。打點(diǎn)流程圖如圖7。

圖7 液晶打點(diǎn)流程圖Fig.7 LCD RBI flow chart

3.4 測(cè)試結(jié)果

波形測(cè)試結(jié)果（波形之一，其他略）

頻率幅度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)按照功能全面，指標(biāo)合理，總體價(jià)格低廉的要求設(shè)計(jì)了硬件電路，充分地利用了單片機(jī)的I/O接口，使之成功地實(shí)現(xiàn)了頻率的測(cè)量，信號(hào)幅度的測(cè)量，以及不同靈敏度波形的顯示。而且幅度頻率測(cè)量誤差較小，顯示波形沒(méi)有明顯的失真，滿足設(shè)計(jì)要求。如果利用高端控制器，則可以實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，前景遠(yuǎn)大，很有研究?jī)r(jià)值。

表1 頻率幅度調(diào)試結(jié)果Tab.1 Frequency amplitude debugging results

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