1.引言

本文的設計方案中的數字示波器是對傳統高速電子束示波器的改進，它能對被測周期信號或單次非周期信號進行一次采集與儲存，便于分析波形。

目前對于數字示波器已經有比較豐富的研究，但有時在開發(fā)設計中只需要中低端數字示波器即可達標。針對此本文給出了一種簡易數字示波器的制作設計方案，盡可能采用數字電路，結構簡單測量結果可靠且具高分辨率和低誤差的特點。

2.系統設計方案

本設計方案以S12單片機為主控芯片，通過程控放大電路將信號衰減放大后經TLC5510采樣送入FIFO芯片進行緩沖存儲和整形電路，然后S12從FIFO讀取數據，進行處理后將波形和峰峰值在LCD上進行顯示，另一方面從整形電路輸入S12測頻，并將頻率顯示在液晶屏上。

2.1 硬件設計

硬件設計包括程控放大、高速AD轉換與FIFO存儲、時鐘電路和電源，整形電路與單片機處理四個電路模塊，各模塊間聯系如下：

2.1.1 程控放大模塊

程控放大的作用是對輸入信號進行衰減或放大調整，使輸出信號電壓在AD轉換器輸入電壓要求范圍內。設計采用LM6172運放組成多級運放實現信號的縮放，通過ULN2003驅動電磁繼電器，由單片機決定衰減系數。最后加上基線電壓(AD轉換器輸入中點)以調整信號幅度在AD轉換器采樣范圍內，送到AD芯片進行轉換和整形電路，分別進行AD轉換和將處理信號轉化成方波信號以便MCU測頻。

2.1.2 高速AD轉換與FIFO存儲模塊

AD轉換器將被測信號采樣并轉換成數字信號存入存儲器，決定數字示波器所能測量的最高頻率，根據乃奎斯特定理，采樣頻率至少是被測信號最高頻率的2倍才能再現出被測信號。而在數字示波器中采樣頻率至少應該是被測信號頻率的5~8倍才能還原信號的波形。為了滿足對高頻信號的采集，選用了8位TLC5510AD轉換芯片。

FIFO(先進先出存儲器)作為AD轉換與單片機之間的高速數據緩沖，具有3個標志引腳FF(滿標志)、HF(半滿標志)和EF(空標志)。MCU根據這三個標志，當滿時讀取數據進行處理，并禁止AD采樣時鐘，半滿時繼續(xù)采樣，空時則等待讀取數據。由于AD轉換較快，可在AD與FIFO間加入74VHC574鎖存器數據經鎖存緩沖后送入FIFO.

2.1.3 時鐘電路和電源模塊

時鐘電路為AD轉換器提供采樣時鐘信號，對于1MHz以內的信號，本設計以20MHz晶振為基準，采用計數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，分別對應著不同的水平掃速。由單片機通過數據選擇器74F151選擇不同的采樣時鐘用于AD轉換采樣信號。

為達到簡單方便的目的，本設計各模塊均采用±5V電源供電，電源模塊是將220V交流電通過變壓器后經整流、濾波和穩(wěn)壓轉換成±5V直流穩(wěn)壓電，其中程控放大要用到運放，所以要用到±5V雙電源，其它模塊+5V穩(wěn)壓源能達到要求。

2.1.4 整形電路與單片機處理模塊

整形電路將經程控縮放后的信號通過運放LM6172構成的比較器變成方波信號，然后送入MCU的計數器以測得信號的頻率。

單片機選用飛思卡爾公司的MC9S12DG128B,具有16路AD轉換，是數字示波器的主控器件。

首先要通過按鍵控制程控放大衰減系數和確定AD轉換器的采樣頻率，然后用計數器模塊測量經整形信號的頻率，另一方面通過查看FIFO的標志位來禁止、讀取或等待數據，將數據進行處理后通過LCD(選用12864顯示屏)顯示，包括峰峰值和頻率。MCU與個模塊之間的控制聯系在圖1中已給出。

2.2 軟件設計

軟件設計采用飛思卡爾公司的S12系列單片機，并通過PLL將總線時鐘超頻在64M,能輕松完成信號的采集，處理和顯示等功能。

2.2.1 波形處理模塊

程序開始完成各模塊初始化后單片機首先讀取FIFO全滿信號，若判斷全滿信號為高電平則開始讀取數據，否則繼續(xù)檢測。讀取的數據通過處理，則送LCD顯示。由于LCD顯示命令耗時過長，于是在單片機內存中模擬了一塊顯示區(qū)域，當數據畫滿整個顯示內存，便將整個數據送液晶顯示，大大提高了顯示效率。

2.2.2 測頻模塊

測頻模塊我們使用了S12單片機自帶的PAI功能。當脈沖信號輸入到相應的引腳時，脈沖累加器每檢測到一個有效邊沿，則會使相應的脈沖累加計數寄存器PACNn加1.按照一定的時間間隔讀取PACNn的值就可以知道單位時間內的脈沖數，進而可以計算出脈沖的周期。

3.結語

本文所提出的基于S12的簡易便攜式數字示波器的設計方案，該方案中設計制作的數字示波器主要是克服了同類研究開發(fā)產品的制作和操作復雜，精確度不高的的不足。盡管如此，本設計本著簡易便攜的目的，旨在制作出簡便精確的數字示波器，盡量使用數字電路，集成度高，工作過程受環(huán)境影響小，測量數據可視化。

測試結果表明，在1MHz的測量范圍內系統測量頻率誤差小于0.1%,信號幅值測量誤差小于1%.系統精確度較高，能滿足一般的研究開發(fā)要求，并且能夠在LCD上很好的復現被測信號?？勺鳛榍度胧皆O備，在工業(yè)自動化和科研開發(fā)測量領域中有著廣泛的應用前景。