摘??要： 以STC12C5412AD單片機(jī)作為核心器件，完成了語音示波器的設(shè)計(jì)方案,。該方案實(shí)現(xiàn)了包括電壓、周期的識(shí)別、切換和測量過程自動(dòng)化,，引入語音電路,，實(shí)現(xiàn)信號(hào)測量結(jié)果語音報(bào)數(shù)。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī),；示波器,；語音報(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)頻繁的測量儀器之一,。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,、周期值都必須通過人眼觀測和人工計(jì)算才能得到,，測量結(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,，測量過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,；引人ISD2560語音電路，測量結(jié)果不需人工換算,，可語音報(bào)數(shù),。
1 語音示波器硬件電路設(shè)計(jì)
語音示波器硬件電路框圖如圖1所示。主要由衰減電路,、語音電路,、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)行測量[1]。
1.2 語音報(bào)數(shù)電路
為了實(shí)現(xiàn)直接讀數(shù),，減小測量誤差,，利用單片機(jī)所具有的計(jì)算功能，結(jié)合語音處理技術(shù),，通過語音電路,，將測量結(jié)果直接讀出。語音電路以ISD2560語音芯片為核心器件,，接入少量外圍元件就可組成語音電路[2],，其電路如圖3所示。
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語音報(bào)數(shù)電路ISD2560易于與微機(jī)接口,，能進(jìn)行分段尋址,。分析所有可能的測量結(jié)果，設(shè)計(jì)出語音元素（電壓,、周期,、頻率）和對(duì)應(yīng)的地址（010H、020H,、030H）分配等,，通過圖3所示電路,，分別錄制語音元素，這些信息存儲(chǔ)于ISD2560非易失性存儲(chǔ)單元NMC中,。測量數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)軟件處理后,，單片機(jī)發(fā)出語音地址和放音控制指令，并同存儲(chǔ)在語音芯片內(nèi)部的語音地址進(jìn)行比較,，當(dāng)兩者相匹配時(shí)，最后通過語音電路及揚(yáng)聲器報(bào)出測量結(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)果送至語音電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅值測量直接讀數(shù),。單片機(jī)定時(shí)器T1輸入端所接收信號(hào)為TTL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,。最后送至語音電路,，報(bào)出所測信號(hào)的周期或頻率。
在單片機(jī)的控制下完成信號(hào)幅值,、周期測量后,，通過標(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)測量結(jié)果的記錄,、分析及處理。通過接口也可將數(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)幅值測量模塊、周期測量模塊,、語音報(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)測量過程自動(dòng)化及測量結(jié)果語音報(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)幅值測量模塊
被測信號(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)幅值測量,。
2.2 信號(hào)周期測量模塊
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)周期測量,。
2.3 自動(dòng)檢測算法
系統(tǒng)上電后,，由MCU將測量檔位確定在最大衰減檔位。此時(shí)信號(hào)電壓經(jīng)過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”,，說明此時(shí)沒有達(dá)到合適的測量檔位,，P1.1端口則出現(xiàn)高電平“1”，單片機(jī)檢測到高電平,，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)檢測到低電平,，電路就鎖定在該測量檔位,，此時(shí)讀取電壓值，并進(jìn)行測量處理[4],。
2.4 語音報(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,；測量結(jié)果作為數(shù)據(jù)地址,，通過單片機(jī)P2口P2.3～P2.7接至語音電路ISD2560接口A4～A8端。語音電路接收到測量數(shù)據(jù)地址,，在語音地址中通過尋址,，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)行測量，幅值測量精度為±0.5%,，頻率測量精度優(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,，測量過程自動(dòng)化,；不需“人工”計(jì)算，測量結(jié)果直接“顯示”,。測試結(jié)果表明,，該電路具有測量穩(wěn)定、快速,、精度較高的特點(diǎn),；同時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)在檢測技術(shù)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景,。
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