1.引言

本文的設(shè)計(jì)方案中的數(shù)字示波器是對(duì)傳統(tǒng)高速電子束示波器的改進(jìn)，它能對(duì)被測(cè)周期信號(hào)或單次非周期信號(hào)進(jìn)行一次采集與儲(chǔ)存，便于分析波形。

目前對(duì)于數(shù)字示波器已經(jīng)有比較豐富的研究，但有時(shí)在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中只需要中低端數(shù)字示波器即可達(dá)標(biāo)。針對(duì)此本文給出了一種簡(jiǎn)易數(shù)字示波器的制作設(shè)計(jì)方案，盡可能采用數(shù)字電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單測(cè)量結(jié)果可靠且具高分辨率和低誤差的特點(diǎn)。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)方案以S12單片機(jī)為主控芯片，通過(guò)程控放大電路將信號(hào)衰減放大后經(jīng)TLC5510采樣送入FIFO芯片進(jìn)行緩沖存儲(chǔ)和整形電路，然后S12從FIFO讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后將波形和峰峰值在LCD上進(jìn)行顯示，另一方面從整形電路輸入S12測(cè)頻，并將頻率顯示在液晶屏上。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括程控放大、高速AD轉(zhuǎn)換與FIFO存儲(chǔ)、時(shí)鐘電路和電源，整形電路與單片機(jī)處理四個(gè)電路模塊，各模塊間聯(lián)系如下：

2.1.1 程控放大模塊

程控放大的作用是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減或放大調(diào)整，使輸出信號(hào)電壓在AD轉(zhuǎn)換器輸入電壓要求范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)采用LM6172運(yùn)放組成多級(jí)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)信號(hào)的縮放，通過(guò)ULN2003驅(qū)動(dòng)電磁繼電器，由單片機(jī)決定衰減系數(shù)。最后加上基線(xiàn)電壓(AD轉(zhuǎn)換器輸入中點(diǎn))以調(diào)整信號(hào)幅度在AD轉(zhuǎn)換器采樣范圍內(nèi)，送到AD芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換和整形電路，分別進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換和將處理信號(hào)轉(zhuǎn)化成方波信號(hào)以便MCU測(cè)頻。

2.1.2 高速AD轉(zhuǎn)換與FIFO存儲(chǔ)模塊

AD轉(zhuǎn)換器將被測(cè)信號(hào)采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)存入存儲(chǔ)器，決定數(shù)字示波器所能測(cè)量的最高頻率，根據(jù)乃奎斯特定理，采樣頻率至少是被測(cè)信號(hào)最高頻率的2倍才能再現(xiàn)出被測(cè)信號(hào)。而在數(shù)字示波器中采樣頻率至少應(yīng)該是被測(cè)信號(hào)頻率的5~8倍才能還原信號(hào)的波形。為了滿(mǎn)足對(duì)高頻信號(hào)的采集，選用了8位TLC5510AD轉(zhuǎn)換芯片。

FIFO(先進(jìn)先出存儲(chǔ)器)作為AD轉(zhuǎn)換與單片機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)緩沖，具有3個(gè)標(biāo)志引腳FF(滿(mǎn)標(biāo)志)、HF(半滿(mǎn)標(biāo)志)和EF(空標(biāo)志)。MCU根據(jù)這三個(gè)標(biāo)志，當(dāng)滿(mǎn)時(shí)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并禁止AD采樣時(shí)鐘，半滿(mǎn)時(shí)繼續(xù)采樣，空時(shí)則等待讀取數(shù)據(jù)。由于AD轉(zhuǎn)換較快，可在AD與FIFO間加入74VHC574鎖存器數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存緩沖后送入FIFO.

2.1.3 時(shí)鐘電路和電源模塊

時(shí)鐘電路為AD轉(zhuǎn)換器提供采樣時(shí)鐘信號(hào)，對(duì)于1MHz以?xún)?nèi)的信號(hào)，本設(shè)計(jì)以20MHz晶振為基準(zhǔn)，采用計(jì)數(shù)器組成的分頻電路得到一系列不同的采樣周期，分別為20MHz、10MHz、5MHz、1MHz、500KHz、100KHz、10KHz、1KHz和500Hz共9種，分別對(duì)應(yīng)著不同的水平掃速。由單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)選擇器74F151選擇不同的采樣時(shí)鐘用于AD轉(zhuǎn)換采樣信號(hào)。

為達(dá)到簡(jiǎn)單方便的目的，本設(shè)計(jì)各模塊均采用±5V電源供電，電源模塊是將220V交流電通過(guò)變壓器后經(jīng)整流、濾波和穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換成±5V直流穩(wěn)壓電，其中程控放大要用到運(yùn)放，所以要用到±5V雙電源，其它模塊+5V穩(wěn)壓源能達(dá)到要求。

2.1.4 整形電路與單片機(jī)處理模塊

整形電路將經(jīng)程控縮放后的信號(hào)通過(guò)運(yùn)放LM6172構(gòu)成的比較器變成方波信號(hào)，然后送入MCU的計(jì)數(shù)器以測(cè)得信號(hào)的頻率。

單片機(jī)選用飛思卡爾公司的MC9S12DG128B,具有16路AD轉(zhuǎn)換，是數(shù)字示波器的主控器件。

首先要通過(guò)按鍵控制程控放大衰減系數(shù)和確定AD轉(zhuǎn)換器的采樣頻率，然后用計(jì)數(shù)器模塊測(cè)量經(jīng)整形信號(hào)的頻率，另一方面通過(guò)查看FIFO的標(biāo)志位來(lái)禁止、讀取或等待數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過(guò)LCD(選用12864顯示屏)顯示，包括峰峰值和頻率。MCU與個(gè)模塊之間的控制聯(lián)系在圖1中已給出。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用飛思卡爾公司的S12系列單片機(jī)，并通過(guò)PLL將總線(xiàn)時(shí)鐘超頻在64M,能輕松完成信號(hào)的采集，處理和顯示等功能。

2.2.1 波形處理模塊

程序開(kāi)始完成各模塊初始化后單片機(jī)首先讀取FIFO全滿(mǎn)信號(hào)，若判斷全滿(mǎn)信號(hào)為高電平則開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)檢測(cè)。讀取的數(shù)據(jù)通過(guò)處理，則送LCD顯示。由于LCD顯示命令耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，于是在單片機(jī)內(nèi)存中模擬了一塊顯示區(qū)域，當(dāng)數(shù)據(jù)畫(huà)滿(mǎn)整個(gè)顯示內(nèi)存，便將整個(gè)數(shù)據(jù)送液晶顯示，大大提高了顯示效率。

2.2.2 測(cè)頻模塊

測(cè)頻模塊我們使用了S12單片機(jī)自帶的PAI功能。當(dāng)脈沖信號(hào)輸入到相應(yīng)的引腳時(shí)，脈沖累加器每檢測(cè)到一個(gè)有效邊沿，則會(huì)使相應(yīng)的脈沖累加計(jì)數(shù)寄存器PACNn加1.按照一定的時(shí)間間隔讀取PACNn的值就可以知道單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，進(jìn)而可以計(jì)算出脈沖的周期。

3.結(jié)語(yǔ)

本文所提出的基于S12的簡(jiǎn)易便攜式數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)方案，該方案中設(shè)計(jì)制作的數(shù)字示波器主要是克服了同類(lèi)研究開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的制作和操作復(fù)雜，精確度不高的的不足。盡管如此，本設(shè)計(jì)本著簡(jiǎn)易便攜的目的，旨在制作出簡(jiǎn)便精確的數(shù)字示波器，盡量使用數(shù)字電路，集成度高，工作過(guò)程受環(huán)境影響小，測(cè)量數(shù)據(jù)可視化。

測(cè)試結(jié)果表明，在1MHz的測(cè)量范圍內(nèi)系統(tǒng)測(cè)量頻率誤差小于0.1%,信號(hào)幅值測(cè)量誤差小于1%.系統(tǒng)精確度較高，能滿(mǎn)足一般的研究開(kāi)發(fā)要求，并且能夠在LCD上很好的復(fù)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)。可作為嵌入式設(shè)備，在工業(yè)自動(dòng)化和科研開(kāi)發(fā)測(cè)量領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。