基于單片機(jī)的簡易數(shù)字存儲(chǔ)示波器設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；數(shù)字存儲(chǔ)示波器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；波形顯示；用戶交互

中圖分類號(hào)：TM935.37；TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，示波器作為電子測量領(lǐng)域中的重要工具，其使用性能也在不斷提升，傳統(tǒng)模擬示波器因其固有的局限性，如精度低、存儲(chǔ)能力有限等，已逐漸被數(shù)字存儲(chǔ)示波器所取代。數(shù)字存儲(chǔ)示波器憑借其高精度、強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力和便捷的用戶界面，成為現(xiàn)代電子工程師不可或缺的工具。然而，市場上數(shù)字存儲(chǔ)示波器價(jià)格昂貴，對于預(yù)算有限的機(jī)構(gòu)來說，購置成本較高。因此，開發(fā)一種成本低廉、功能實(shí)用的簡易數(shù)字存儲(chǔ)示波器，對于全面普及電子測量技術(shù)具有重要意義。基于此，本文旨在設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)的簡易數(shù)字存儲(chǔ)示波器，利用單片機(jī)自身特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)電信號(hào)采集和處理，有效滿足基本的波形觀測需求，其還具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析功能，以適應(yīng)不同應(yīng)用場景的需求。

1 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的架構(gòu)

數(shù)字存儲(chǔ)示波器是一種用于捕捉電信號(hào)的儀器，數(shù)字存儲(chǔ)示波器架構(gòu)如圖1 所示。AT89S52 單片機(jī)是該數(shù)字存儲(chǔ)示波器的控制核心，具有較強(qiáng)的處理能力和豐富的外設(shè)接口，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作、處理用戶輸入、控制數(shù)據(jù)流。預(yù)處理電路包括阻抗變換、程控放大、信號(hào)調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)對電流信號(hào)進(jìn)行有效處理，提高信號(hào)質(zhì)量。模擬數(shù)字（analog to digital，A/D）數(shù)據(jù)采集電路負(fù)責(zé)將模擬信號(hào)/ 相關(guān)時(shí)鐘、控制邏輯電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理。帶電可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器（electrically erasable programmable read onlymemory，EEPROM）負(fù)責(zé)存儲(chǔ)收集的數(shù)據(jù)，其具有非易失性、可反復(fù)擦寫等特點(diǎn)。在功能鍵盤作用下，用戶可以通過輸入包括各種設(shè)置、觸發(fā)條件、測量參數(shù)等內(nèi)容，從而控制數(shù)字存儲(chǔ)示波器的工作狀態(tài)。液晶顯示（liquid crystal display，LCD）電路的主要功能是顯示采集的信號(hào)波形和測量結(jié)果，其特點(diǎn)是功耗低、清晰度高。電源部分涉及穩(wěn)壓電路、濾波電路等，為整個(gè)數(shù)字存儲(chǔ)示波器提供所需的電能，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)

傳統(tǒng)模擬示波器在信號(hào)處理和存儲(chǔ)上存在局限性，而數(shù)字存儲(chǔ)示波器則可以提供較高的精度。本文設(shè)計(jì)的簡易數(shù)字存儲(chǔ)示波器采用AT89S52 單片機(jī)作為主控芯片，負(fù)責(zé)控制A/D 轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、LCD 顯示等功能。A/D 轉(zhuǎn)換器可以將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供單片機(jī)處理。AT89S52 是一款低功耗、高性能的8 位互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS）微控制器，具有8 kB 的可編程Flash 存儲(chǔ)器，負(fù)責(zé)提供輸入/ 輸出（input/output，I/O）端口和定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器，便于工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過選擇ADC0809 轉(zhuǎn)換器，采用8 位8 通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以滿足基本的信號(hào)采集需求；采用AT24C×× 系列EEPROM，其具有2 kB 的存儲(chǔ)容量，支持集成電路總線（inter-integrated circuit，I2C）通信，便于與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；選擇1602 字符型LCD顯示屏，設(shè)置字符顯示能力為16×2，以清楚顯示波形數(shù)據(jù)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，模擬信號(hào)通過輸入端進(jìn)入A/D 轉(zhuǎn)換器，A/D 轉(zhuǎn)換器在單片機(jī)控制下，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)被存儲(chǔ)在EEPROM 中。單片機(jī)從EEPROM 中讀取數(shù)據(jù)，并在LCD 顯示屏上展示模擬信號(hào)的波形。通過A/D 轉(zhuǎn)換器、EEPROM 和LCD 顯示屏的配合，實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)的數(shù)字化存儲(chǔ)和顯示，本文設(shè)計(jì)的簡易數(shù)字存儲(chǔ)示波器結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，能夠進(jìn)行基礎(chǔ)電子測量應(yīng)用[1]。

2.2 信號(hào)調(diào)理

由于示波器觀察信號(hào)通常為正負(fù)電壓信號(hào)，而ADC0809 為單極性參考電壓，為了采集信號(hào)負(fù)電壓，需利用信號(hào)調(diào)理電路，將信號(hào)疊加在直流量上，使負(fù)電壓部分信號(hào)提高到零電平以上。因此，在實(shí)際電路調(diào)理過程中，假設(shè)輸入信號(hào)的范圍為-10～10 V，為了使信號(hào)適合ADC0809的0 ～5 V 輸入電壓范圍，需要對信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠛推?，這可通過設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)算放大器（operationalamplifier，OPA）電路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。例如，將信號(hào)放大到-2.5～2.5 V，需要使信號(hào)偏移到0～5 V。這種信號(hào)調(diào)理電路可以有效確保信號(hào)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性，提高數(shù)字存儲(chǔ)示波器性能。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體的輸入信號(hào)范圍和模擬A/D 轉(zhuǎn)換器的要求，調(diào)整放大倍數(shù)和偏移電壓，以達(dá)到最佳的信號(hào)調(diào)理效果[2]，如圖2所示。

2.3 程控放大電路

采用模擬開關(guān)CD4051 進(jìn)行信道選擇的程控放大電路設(shè)計(jì)，多擋位垂直分辨率調(diào)節(jié)的運(yùn)算放大器OPA842 可以利用精密的電位器實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大。系統(tǒng)控制核心為AT89S52 單片機(jī)，通過寄存器模塊設(shè)置通道號(hào)碼，以靈活處理信號(hào)。在這樣的設(shè)計(jì)中，CD4051 用于選擇不同的輸入信號(hào)通道，通過單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)其通道選擇引腳A、B、C；OPA842 的主要功能是對選定的輸入信號(hào)進(jìn)行放大和增益調(diào)節(jié)，使信號(hào)能夠通過外接電阻網(wǎng)絡(luò)。通過對OPA842 反饋電阻進(jìn)行精密的電位器調(diào)節(jié)、對運(yùn)算放大器進(jìn)行增益改變、對單片機(jī)控制的電位器進(jìn)行科學(xué)的調(diào)整，使增益變化范圍在數(shù)倍到數(shù)百倍之間，從而達(dá)到自由調(diào)節(jié)垂直分辨率的目的。作為控制核心的AT89S52 負(fù)責(zé)控制CD4051 的選道和精確電位器的調(diào)校。CD4051 通道選擇通過AT89S52的I/O 端口設(shè)置精密電位器的調(diào)節(jié)寄存器，并利用相應(yīng)控制程序，根據(jù)用戶輸入或自動(dòng)偵測的信號(hào)特性，動(dòng)態(tài)設(shè)置信道編號(hào)和增益值。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 A/D轉(zhuǎn)換部分

在簡易數(shù)字存儲(chǔ)示波器軟件設(shè)計(jì)中，A/D 轉(zhuǎn)換部分是核心環(huán)節(jié)，通過使用定時(shí)器觸發(fā)ADC0809 的轉(zhuǎn)換過程，定時(shí)器時(shí)間間隔設(shè)定為2 μs，計(jì)算得到采樣頻率為500 kHz，有效滿足大部分常規(guī)信號(hào)的采樣需求，增強(qiáng)信號(hào)的實(shí)時(shí)性。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，配置定時(shí)器以產(chǎn)生2 μs 的中斷來設(shè)置定時(shí)器的計(jì)數(shù)值和預(yù)分頻器，確保定時(shí)器精確每2 μs 能夠產(chǎn)生一次中斷。在中斷服務(wù)程序中，初始化ADC0809，這包括設(shè)置輸入通道、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換等。當(dāng)ADC0809 完成一次轉(zhuǎn)換后，在中斷服務(wù)程序中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并進(jìn)行必要的處理，如數(shù)據(jù)緩存、顯示和進(jìn)一步信號(hào)處理。為了確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，需要加強(qiáng)中斷服務(wù)程序的簡潔性，避免在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行耗時(shí)的操作[3]。

3.2 鍵盤掃描部分

在簡易數(shù)字存儲(chǔ)示波器軟件設(shè)計(jì)中，鍵盤掃描部分直接影響用戶對波形操作的便捷性，其具體設(shè)計(jì)如下：①按鍵功能設(shè)計(jì)。通過設(shè)定按鍵，以控制波形的運(yùn)行與停止，當(dāng)用戶按下按鍵時(shí)，波形會(huì)在運(yùn)行狀態(tài)和停止?fàn)顟B(tài)之間切換。此外，還設(shè)定4 個(gè)按鍵來改變波形的尺寸，這些按鍵分別用于調(diào)整波形的幅值和時(shí)間軸。②參數(shù)調(diào)整機(jī)制設(shè)計(jì)。通過特定的按鍵，用戶可以增加波形的幅值，改變波長大小。同樣，通過另外的按鍵，用戶科學(xué)調(diào)整時(shí)間軸大小，每次按鍵操作，調(diào)整時(shí)間軸參數(shù)。當(dāng)微控制單元（microcontroller unit，MCU）檢測到按鍵被按下時(shí)，會(huì)立即響應(yīng)并更新相應(yīng)的參數(shù)值，這些參數(shù)的改變會(huì)實(shí)時(shí)反映在波形顯示上，從而實(shí)現(xiàn)波形尺寸的動(dòng)態(tài)調(diào)整。在軟件層面，鍵盤掃描部分設(shè)置按鍵的輸入模式、配置中斷或輪詢機(jī)制，定期檢測按鍵狀態(tài)，結(jié)合按鍵狀態(tài)更新波形參數(shù)，再將更新后的波形參數(shù)應(yīng)用到顯示模塊，以實(shí)時(shí)更新波形[4]。

3.3 LCD顯示部分

當(dāng)A/D 轉(zhuǎn)換器開始工作并產(chǎn)生第一個(gè)數(shù)字信號(hào)時(shí)，該信號(hào)對應(yīng)的點(diǎn)被排在LCD 顯示的第一列，確定該點(diǎn)的橫軸位置，即時(shí)間軸上的起始點(diǎn)。橫軸位置的確定主要取決于采樣頻率，因?yàn)椴蓸宇l率是固定的，所以每個(gè)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔是相同的。縱軸位置的確定則依賴于數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)通過比例換算過程，映射到LCD 顯示的垂直范圍上，將信號(hào)幅度準(zhǔn)確地反映在顯示屏幕上，從而使用戶能夠直接觀察信號(hào)的波動(dòng)情況[5]。隨著A/D 轉(zhuǎn)換器的繼續(xù)工作，產(chǎn)生的下一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)會(huì)被排在第二列，再下一個(gè)點(diǎn)排在第三列，這種排列方式保證信號(hào)的連續(xù)性和時(shí)間順序，使用戶能夠得到信號(hào)隨時(shí)間變化的趨勢。但值得注意的是，在軟件實(shí)現(xiàn)上，每個(gè)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔一致，將信號(hào)幅度映射到LCD的垂直范圍，需實(shí)時(shí)更新LCD 顯示，以直接反映最新的信號(hào)變化[6]。

4結(jié)語

綜上，本文深入探討了簡易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過對現(xiàn)有技術(shù)的分析和用戶需求的調(diào)研，設(shè)計(jì)一套操作簡便的軟件系統(tǒng)，旨在為用戶提供可靠的測試工具。未來，將繼續(xù)關(guān)注電子技術(shù)的發(fā)展和用戶的需求，不斷推進(jìn)軟件的更新和升級，以適應(yīng)更加廣泛的應(yīng)用場景。