數(shù)字示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器,。與傳統(tǒng)模擬示波器相比,，數(shù)字存儲示波器不僅具有可存儲波形、體積小,、功耗低,，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有強(qiáng)大的信號實(shí)時(shí)處理分析功能,，在電子電信類實(shí)驗(yàn)室中使用越來越廣泛,。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展和電路結(jié)構(gòu)的變化，對電路測量的要求也變得更高,。對廣大理工科學(xué)生和從事電子等相關(guān)行業(yè)的普通工作者在電子制作,、產(chǎn)品維修等中，很多電路參數(shù)需要測量分析,，經(jīng)常需要使用數(shù)字示波器,。但目前我國使用的高性能數(shù)字示波器普遍價(jià)格昂貴，所以研究簡易數(shù)字示波器具有重要意義,。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
該設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)為控制核心,，由預(yù)處理電路(包括阻抗變換、程控放大,、信號調(diào)理電路),、A／D數(shù)據(jù)采集電路、E2PROM存儲電路,、功能鍵盤,、LCD顯示電路以及電源等部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,?！ ?/p>
1．2 工作原理
數(shù)字示波器有二個(gè)輸入通道。預(yù)處理電路由阻抗變換,、程控放大,、信號調(diào)理電路組成。輸入信號先經(jīng)阻抗變換電路后進(jìn)入程控放大電路,，根據(jù)需要對信號進(jìn)行放大(衰減)處理,，然后信號再進(jìn)入信號調(diào)理電路進(jìn)行電平調(diào)整成為符合A／D轉(zhuǎn)換要求的0～5 V電壓。之后輸出的模擬信號經(jīng)過高速A／D轉(zhuǎn)換器AD0809實(shí)時(shí)采樣變成數(shù)字信號,，經(jīng)過AT89S52單片機(jī)后儲存在半導(dǎo)體存儲器E2PROM中,。單片機(jī)從存儲器中讀出信號
進(jìn)行運(yùn)算處理，將波形顯示在LCD液晶屏上。所有功能可由鍵盤操作完成,。
2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 單片機(jī)
AT89S52是一個(gè)低功耗,，高性能CMOS8位單片機(jī)，具有8 192個(gè)在系統(tǒng)可編程FLASH存儲器,。采用Atmel公司的高密度,、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu),。
系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為主控芯片。單片機(jī)首先通過控制A／D轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,，之后將數(shù)字信號存儲在E2PROM存儲器中,，最后在LCD液晶上顯示出模擬信號的波形。
2．2 程控放大電路
程控放大電路的作用是對大信號進(jìn)行衰減,，對小信號進(jìn)行放大,，保證輸入到A／D轉(zhuǎn)換器的信號幅度在要求的輸入電壓范圍內(nèi)，以達(dá)到最好的測量與觀察效果,。采用模擬開關(guān)CD4051,，運(yùn)算放大器為OPA842，配合精密電位器實(shí)現(xiàn)多擋垂直分辨率,。在AT89S52單片機(jī)中使用寄存器模塊設(shè)置通道號,，通過寫入通道號控制模擬開關(guān)選通不同的反饋電阻，從而實(shí)現(xiàn)不同的放大倍數(shù),，具體的電路如圖2所示,。
2．3 信號調(diào)理
由于示波器觀察信號大多是正負(fù)電壓信號，而A／D轉(zhuǎn)換器AD0809是單極性參考電壓,。為了采樣到信號的負(fù)電壓,，就需要給該信號疊加直流量，將負(fù)電壓部分信號抬高至零電平以上,，因此采用信號調(diào)理電路,，將信號調(diào)理在滿足A130809的0～5 V范圍內(nèi)。R1,，R2,，R3，U1即為程控放大電路的簡化模塊,，電路如圖3所示,。
2．4 數(shù)據(jù)存儲電路
E2PROM是數(shù)據(jù)存儲電路的關(guān)鍵器件,，本文選用Atmel公司新近推出的具有I2C總線容量達(dá)512 Kb(64 K×8 b)的AT24C512,。該芯片的主要特性如下：存儲容量為65 536 B；與100 kHz，400 kHz,，1 MHzI2C總線兼容,；100 000次編程／擦寫周期；單電源,、讀／寫電壓為1．8～5．5 V,；ESD保護(hù)電壓大于4 kV；寫保護(hù)功能,，當(dāng)WP為高電平時(shí),，進(jìn)入寫保護(hù)狀態(tài)；CMOS低功耗技術(shù),，最大寫入電流為3 mA,；128 B頁寫入緩存器；自動定時(shí)的寫周期,。SDA線和SCL分別與單片機(jī)的P2．4和P2．5口相連,。數(shù)據(jù)存儲電路如圖4所示。
2．5 其他硬件電路
A／D轉(zhuǎn)換模塊：A／D轉(zhuǎn)換器選用ADC0809,，ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器,，可處理8路模擬量的輸入，且有三態(tài)輸出能力,，即可與各種微處理器相連,，也可單獨(dú)工作。輸入／輸出與TTL兼容,，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100μs,。
鍵盤控制模塊：該系統(tǒng)選用5個(gè)獨(dú)立鍵盤做功能鍵，作用分別為運(yùn)行與停止,，波形的放大,，波形的減小，波形的上移,，波形的下移,。
LCD液晶顯示電路：該設(shè)計(jì)采用MGL(S)-240128T液晶顯示器。單片機(jī)P1口與LCD的數(shù)據(jù)口連接,，用于數(shù)字信號的讀取,，P3．6，P3．7作為液晶顯示模塊的讀／寫控制信號端口,，P2．5作為LCD的片選端口,。
3 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)部分主要包括主程序模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊,、LCD顯示模塊,、按鍵處理模塊，其流程圖如圖5所示。
3．1 A／D轉(zhuǎn)換部分
當(dāng)定時(shí)器產(chǎn)生中斷時(shí),，ADC0809將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,。ADC0809的轉(zhuǎn)換速率最大可達(dá)640 kHz，程序設(shè)定了定時(shí)器時(shí)間間隔為2μs,，所以采樣頻率達(dá)到了500 kHz,。
3．2 鍵盤掃描部分
設(shè)定了1個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)波形的運(yùn)行與停止，4個(gè)獨(dú)立按鍵用于改變波形的尺寸,。amp和time兩個(gè)參數(shù)分別用于調(diào)整幅值和時(shí)間軸的大小,，當(dāng)MCU檢測到按鍵被按下時(shí)，兩個(gè)參數(shù)的值相應(yīng)地發(fā)生改變,，從而改變了波形的大小,。
3．3 LCD顯示部分
A／D產(chǎn)生的第一個(gè)數(shù)據(jù)，其對應(yīng)的點(diǎn)排在第一列,，這樣就確定了該點(diǎn)的橫軸位置，縱軸的位置由數(shù)字信號大小按比例換算而來,。由于采樣頻率一定,，所以每2個(gè)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔相同，下一個(gè)點(diǎn)排第二列,，以此類推,。
3．4 數(shù)字存儲部分
數(shù)字存儲芯片選擇了Atmel公司推出的AT24C512，其作用是存儲不同時(shí)刻的信號大小,，克服了模擬示波器只能顯示當(dāng)前波形的缺點(diǎn),。由于該芯片采用I2C總線傳輸數(shù)據(jù)，所以需要單片機(jī)的I／O口用來模擬該總線,。
4 結(jié)語
本文設(shè)計(jì)的以AT89S52單片機(jī)為控制核心的數(shù)字示波器,，在軟硬件有機(jī)結(jié)合下，可以達(dá)到所要求的性能指標(biāo),，運(yùn)行穩(wěn)定可靠,。測試表明該數(shù)字示波器具有較高的實(shí)時(shí)采樣率，可以將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過硬件電路,、軟件程序轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的波形很好的顯示在液晶顯示屏上,。該數(shù)字示波器能夠?qū)崿F(xiàn)波形的采集、調(diào)理,、存儲,、顯示等功能，通過鍵盤對波形進(jìn)行相應(yīng)的功能設(shè)置,，具有體積小,、操作簡單、方便、設(shè)備廉價(jià)等特點(diǎn),。在后續(xù)的改進(jìn)中,，可以利用分頻合成技術(shù)進(jìn)行采樣頻率合成，提高其采樣頻率,，同時(shí)該數(shù)字示波器還具有一定的擴(kuò)展能力,，具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。