摘??要： 以STC12C5412AD單片機(jī)作為核心器件，完成了語(yǔ)音示波器的設(shè)計(jì)方案。該方案實(shí)現(xiàn)了包括電壓,、周期的識(shí)別,、切換和測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化，引入語(yǔ)音電路,，實(shí)現(xiàn)信號(hào)測(cè)量結(jié)果語(yǔ)音報(bào)數(shù)。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；示波器,；語(yǔ)音報(bào)數(shù)
??? 目前，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用,，促使傳統(tǒng)的儀器儀表引進(jìn)了微計(jì)算機(jī)技術(shù),，從而在原理、功能,、精度及自動(dòng)化等方面發(fā)生了革命性的變化,，形成了一種新型的智能化儀器。在現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域中,，示波器是高校實(shí)驗(yàn)室和科研院所中使用相當(dāng)頻繁的測(cè)量?jī)x器之一,。但是,，目前普遍使用的模擬示波器，其偏轉(zhuǎn)靈敏度,、掃描速度的確定都是人工操作,，電壓值、周期值都必須通過(guò)人眼觀測(cè)和人工計(jì)算才能得到,，測(cè)量結(jié)果有一定的誤差,。對(duì)此，本文采用STC12C5412AD單片機(jī)為控制核心,，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電壓幅值,、周期值的自動(dòng)識(shí)別與切換，測(cè)量過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,；引人ISD2560語(yǔ)音電路,，測(cè)量結(jié)果不需人工換算，可語(yǔ)音報(bào)數(shù),。
1 語(yǔ)音示波器硬件電路設(shè)計(jì)
語(yǔ)音示波器硬件電路框圖如圖1所示,。主要由衰減電路、語(yǔ)音電路,、單片機(jī)控制電路等組成,。
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1.1示波器衰減電路
示波器衰減電路由兩級(jí)幅值衰減電路、源極跟隨放大電路和幅值選擇電路組成,，其原理電路如圖2所示,。
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電路默認(rèn)將模擬轉(zhuǎn)換器CD4052置于最高檔衰減。輸入信號(hào)電壓Vi,，經(jīng)最高檔衰減后的電壓Vo送到有效值變換電路,，變換所得的直流電壓送到比較電路（比較芯片采用LM311）。首先判斷其電壓是否高于設(shè)定的參考電壓,，如果高于參考電壓,，LM311輸出高電平“1”，送到單片機(jī)P1.1口,，單片機(jī)發(fā)出切換指令,，通過(guò)P1.5～P1.7口去控制CD4052的片選A、B端,，切換到次大衰減檔,；再判斷是否滿足測(cè)量要求，如果不滿足就將繼續(xù)切換,，直到信號(hào)的幅值低于參考電壓,。此時(shí)，LM311輸出一低電平“0”,，送至單片機(jī)P1.1口,，單片機(jī)發(fā)出停止切換指令,，CD4052的A、B端不變（即不再切換）,，電路就在該檔位進(jìn)行測(cè)量[1]。
1.2 語(yǔ)音報(bào)數(shù)電路
為了實(shí)現(xiàn)直接讀數(shù),，減小測(cè)量誤差,，利用單片機(jī)所具有的計(jì)算功能，結(jié)合語(yǔ)音處理技術(shù),，通過(guò)語(yǔ)音電路,，將測(cè)量結(jié)果直接讀出。語(yǔ)音電路以ISD2560語(yǔ)音芯片為核心器件,，接入少量外圍元件就可組成語(yǔ)音電路[2],，其電路如圖3所示。
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語(yǔ)音報(bào)數(shù)電路ISD2560易于與微機(jī)接口,，能進(jìn)行分段尋址,。分析所有可能的測(cè)量結(jié)果，設(shè)計(jì)出語(yǔ)音元素（電壓,、周期,、頻率）和對(duì)應(yīng)的地址（010H、020H,、030H）分配等,，通過(guò)圖3所示電路，分別錄制語(yǔ)音元素,，這些信息存儲(chǔ)于ISD2560非易失性存儲(chǔ)單元NMC中,。測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)軟件處理后，單片機(jī)發(fā)出語(yǔ)音地址和放音控制指令,，并同存儲(chǔ)在語(yǔ)音芯片內(nèi)部的語(yǔ)音地址進(jìn)行比較,，當(dāng)兩者相匹配時(shí)，最后通過(guò)語(yǔ)音電路及揚(yáng)聲器報(bào)出測(cè)量結(jié)果,。
1.3 單片機(jī)控制電路及工作原理
單片機(jī)控制電路如圖4所示,，包括單片機(jī)、信號(hào)處理電路,、整形電路及電源等,。
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單片機(jī)選用STC12C5412AD，單片機(jī)控制電路[3]通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)幅度的控制,，滿足有效值變換器AD736最大輸入電壓為200mV的要求,。經(jīng)有效值變換電路得到與其有效值對(duì)應(yīng)的直流信號(hào)，在單片機(jī)的控制下,，該信號(hào)通過(guò)10位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送單片機(jī)內(nèi)部電路,。經(jīng)軟件處理后的結(jié)果送至語(yǔ)音電路,，實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅值測(cè)量直接讀數(shù)。單片機(jī)定時(shí)器T1輸入端所接收信號(hào)為T(mén)TL電平,，所以輸入信號(hào)必須經(jīng)六反相器(斯密特觸發(fā)器)74HC14整形,、累加器74HC196十分頻后送單片機(jī)處理。最后送至語(yǔ)音電路,，報(bào)出所測(cè)信號(hào)的周期或頻率,。
在單片機(jī)的控制下完成信號(hào)幅值、周期測(cè)量后,，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串行總線通信接口RS232,，進(jìn)行PC機(jī)與單片機(jī)之間的通信，實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的記錄,、分析及處理,。通過(guò)接口也可將數(shù)據(jù)直接送到各種打印機(jī)和繪圖儀。電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX232,。AD736,、LM311采用±15V和+5V供電，其余IC選用+5V的電源,。
2 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件部分主要包括信號(hào)幅值測(cè)量模塊,、周期測(cè)量模塊、語(yǔ)音報(bào)數(shù)的實(shí)現(xiàn)模塊,。由于系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部自動(dòng)操作完成各模塊的功能,，因此，將主模塊和其他功能模塊相結(jié)合,，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化及測(cè)量結(jié)果語(yǔ)音報(bào)數(shù)的控制,。主程序流程圖如圖5所示。
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2.1 信號(hào)幅值測(cè)量模塊
被測(cè)信號(hào)幅值是任意的,，考慮到示波器輸入信號(hào)幅值可能達(dá)到最大值,，因此初始測(cè)量時(shí)，電路處于最大檔衰減,，即衰減1 000倍,。衰減后的信號(hào)經(jīng)有效值電路AD736變換為直流信號(hào)送至比較器LM311。通過(guò)比較后由單片機(jī)控制其衰減倍數(shù),，直到比較器輸出為低電平“0”送至單片機(jī)P1.1口,，最后單片機(jī)發(fā)出停止切換指令，并進(jìn)入測(cè)量階段,。此時(shí),，單片機(jī)發(fā)出控制指令，控制內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)10位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換,。調(diào)用幅值處理程序,，完成信號(hào)幅值測(cè)量。
2.2 信號(hào)周期測(cè)量模塊
輸入信號(hào)經(jīng)反相器74HC14整形后變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào),，送到單片機(jī)定時(shí)器T1并進(jìn)行計(jì)數(shù),。當(dāng)信號(hào)頻率為10Hz～99Hz時(shí)，單片機(jī)P2口接至示波器掃描電路,，P2.0～P2.2輸出000,，并進(jìn)行掃描速度切換；同理,，信號(hào)頻率分別為100Hz～999Hz、1kHz～9.999kHz,、10kHz～99.999kHz,、100kHz～999.999kHz、1MHz～9.99999MHz,，單片機(jī)P2口P2.0～P2.2分別輸出001,、010、011,、100,、101，最后送至掃描電路分別進(jìn)行掃描速率切換,調(diào)用周期處理程序,，完成信號(hào)周期測(cè)量,。
2.3 自動(dòng)檢測(cè)算法
系統(tǒng)上電后，由MCU將測(cè)量檔位確定在最大衰減檔位,。此時(shí)信號(hào)電壓經(jīng)過(guò)衰減電路衰減后送有效值轉(zhuǎn)換電路,，并將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成有效值信號(hào)。有效值信號(hào)分為兩路,，一路至單片機(jī)P1.0端口,；另一路至比較電路。比較電路將有效值和參考電壓Vref相比較,，如果輸出高電平“1”,，說(shuō)明此時(shí)沒(méi)有達(dá)到合適的測(cè)量檔位，P1.1端口則出現(xiàn)高電平“1”,，單片機(jī)檢測(cè)到高電平,，電路將繼續(xù)進(jìn)行降低檔量程切換。檔位從高到低,，每切換一個(gè)檔位就把轉(zhuǎn)換后的有效值和參考電壓進(jìn)行比較,，直到出現(xiàn)低電平“0”為止。單片機(jī)檢測(cè)到低電平，電路就鎖定在該測(cè)量檔位,，此時(shí)讀取電壓值,，并進(jìn)行測(cè)量處理[4]。
2.4 語(yǔ)音報(bào)數(shù)的實(shí)現(xiàn)
電路所采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)分析處理后,，首先實(shí)現(xiàn)電壓幅值和頻率的自動(dòng)識(shí)別及切換,；再利用單片機(jī)的計(jì)算功能，對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較,，即按照預(yù)先所設(shè)計(jì)的指標(biāo),，對(duì)數(shù)據(jù)單獨(dú)進(jìn)行處理；測(cè)量結(jié)果作為數(shù)據(jù)地址,，通過(guò)單片機(jī)P2口P2.3～P2.7接至語(yǔ)音電路ISD2560接口A4～A8端,。語(yǔ)音電路接收到測(cè)量數(shù)據(jù)地址，在語(yǔ)音地址中通過(guò)尋址,，最后報(bào)出相應(yīng)地址數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的電壓幅值和周期值,。
3 實(shí)際應(yīng)用及分析
用幅值衰減電路取代模擬示波器衰減電路（原電路復(fù)雜，成本高）,，保持示波器60dB放大倍數(shù)不變,；將單片機(jī)與示波器掃描電路相連，實(shí)現(xiàn)掃描電路切換控制,，示波器CRT讀出,，滿足屏上顯示2～3個(gè)周期波形觀測(cè)的要求。在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器提供頻率分別為10Hz,、100Hz,、1kHz、10kHz,、100kHz,、1MHz、10MHz時(shí),，幅值分別為10mV,、50mV、100mV,、500mV,、1V、5V,、10V正弦信號(hào),。用該示波器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，幅值測(cè)量精度為±0.5%,，頻率測(cè)量精度優(yōu)于±0.02%,，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
????本文所論述的語(yǔ)音示波器，利用單片機(jī)軟,、硬件資源,，實(shí)現(xiàn)了示波器靈敏度、掃描速度自動(dòng)選擇與切換,；信號(hào)電壓幅值,、周期值自動(dòng)識(shí)別與切換，測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化,；不需“人工”計(jì)算,，測(cè)量結(jié)果直接“顯示”。測(cè)試結(jié)果表明,，該電路具有測(cè)量穩(wěn)定,、快速、精度較高的特點(diǎn),；同時(shí),，該項(xiàng)技術(shù)在檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。
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