數(shù)字示波器制作原理研究_數(shù)字示波器的使用

　　摘要：本文對數(shù)字示波器的優(yōu)缺點進行了簡單的分析，并從硬件電路的設計和軟件開發(fā)兩個方面闡述了基于ADuC812單片機和LCD顯示模摶的數(shù)字示波器的工作原理和制作過程。 　　關鍵詞：數(shù)字示波器；單片機；A／D轉換；LCD模塊
　　中圖分類號：TN602
　　文獻標識碼：A
　　
　　隨著電子技術的發(fā)展和變化，對電路測量的要求也變得更高，在電子制作中會發(fā)現(xiàn)對很多參數(shù)的測量已不是一塊萬用表所能勝任的了，比如單片機某I／O口的輸出波形或制作放大器測其頻率響應等等。所以，示波器自然而然地與萬用表一樣，變成了電子工程師和愛好者的必備工具。
　　
　　1　示波器的工作原理
　　
　　示波器是一種能把電壓隨時間變化的過程用圖像顯示出來的電子儀器。用它來觀察電壓(或轉換成電壓的電流)的波形，并測量電壓的幅度、頻率和相位等。因此，示波器被廣泛地應用在無線電測量中。
　　普通示波器的種類很多，但它們都包含下列基本組成部分，如圖1所示。
　　
　　物理學理論可以證明，一端通過細繩固定的重物在作擺動時，與中心垂線的距離滿足正弦波規(guī)律。沙漏實驗可以清晰地顯示這個隨時間變化的波形：用沙漏充當重物，并且在沙漏底下的桌面上平鋪一張紙，當沙漏開始擺動時，讓紙勻速移動。這樣，沙漏中流出的細沙，就在紙上留下了一個正弦波痕跡(如圖2所示)。利用這種設計思想，可以完成波形在平面上(對應于時間的流動)的展開。這種設計思想在波形記錄、顯示中被廣泛采用，比如心電圖機，就是用原地擺動的電熱針，在勻速移動的記錄紙帶上描記出心電波形。
　　
　　
　　2　模擬示波器與數(shù)字示波器
　　
　　利用心電圖機的結構，已經可以記錄電壓信號，但是，示波器在大量的應用中，并不需要通過消耗紙張來記錄波形，而僅僅是觀察波形。因此�？梢灾貜褪褂玫腃RT(Cathode Ray Tube)示波管，被應用到示波器的設計中。模擬示波器把需觀測的兩個電信號加至示波管的x、Y通道以控制電子束的偏移，從而獲得熒光屏上關于這兩個電信號關系的顯示波形。顯然，這種模擬示波器體積大、重量重、成本高、價格貴，并且不太適合用于對非周期的、單次信號的測量。
　　數(shù)字示波器首先對模擬信號進行高速采樣獲得相應的數(shù)字數(shù)據(jù)并存儲。用數(shù)字信號處理技術對采樣得到的數(shù)字信號進行相關處理與運算，從而獲得所需的各種信號參數(shù)。根據(jù)得到的信號參數(shù)繪制信號波形，并可對被測信號進行實時的、瞬態(tài)的分析，以方便使用者了解信號質量，快速準確地進行故障的診斷。測量開始時，操作者可通過操作界面選定測量類型、測量參數(shù)及測量范圍(可選自動設置，由儀器自動設置最佳范圍)；微處理器自動將測量設置解釋到采樣電路，并啟動數(shù)據(jù)采集；采集完成后，由微處理器對采樣數(shù)據(jù)按測量設置進行處理，提取所需要的測量參數(shù)，并將結果送顯示部件。
　　使用模擬示波器和數(shù)字示波器通常都能很好地觀察簡單重復性信號(如圖3)。但是，兩者都有其優(yōu)點和局限性。對于模擬示波器來說，由于CRT的余輝時間很短，因而難于顯示頻率很低的信號。由于示波管上的掃描軌跡亮度和掃描速度成反比，所以具有快速上升、下降時間的低重復速率信號就很難看到。而數(shù)字示波器的掃描軌跡亮度和掃描速度與信號重復速率無關，故可以很好地反映出來。
　　
　　對于顯示具有較高重復速率的重復性信號的快速上升、下降沿來說，數(shù)字存儲示波器和模擬示波器的性能幾乎沒有什么區(qū)別。用兩種示波器都能很好地觀察信號波形。當要進行信號參量的測量時，數(shù)字存儲示波器的優(yōu)點在于具有自動測量各種參數(shù)的能力。而使用模擬示波器時，則必須自己設置光標、分析理解顯示的波形才能得到測量的結果。但是，如果要進行調整工作，那么一般最好使用模擬示波器，這是因為模擬示波器的實時顯示能力使它在每時每刻都能顯示出輸入的電壓，其波形更新速率(每秒鐘在屏幕上描畫掃描軌跡的次數(shù))很高，所以信號的任何變化都會立即顯示出來。與模擬示波器相反，數(shù)字示波器所顯示的是用采集的波形數(shù)據(jù)重建的波形，所以，其波形更新率遠低于模擬示波器，結果在信號發(fā)生變化和變化了的信號在屏幕上顯示出來之間就有了一定的時間延遲。這是數(shù)字示波器的主要缺點。
　　數(shù)字示波器還具有其它的優(yōu)勢：
　　(1)模擬示波器需要與帶寬相適應的CRT示波管，隨著頻率的提高，對CRT示波管的工藝要求嚴格，成本增加，存在技術瓶頸。所以，在電子市場上不好買，性能好的大多數(shù)是進口品牌，其價格昂貴且需要處理的問題也多，比如要產生陽極高壓、掃描鋸齒波還要對示波管進行電磁屏蔽等等，而且做出來體積很大，便攜就更談不上了。而數(shù)字示波器只要與帶寬相適應的高速A／D(AnMog／Digital)轉換器，其它存儲器和D／A(Digital／Analog)轉換器以及顯示器都是較低速的部件，顯示部分可用LCD(Liquid Crystal Display)顯示模塊做顯示器，在電子市場很容易買到，價格也不貴而且應用簡單，只需考慮與微處理器的接口，體積小且功耗遠小于CRT示波管。使用LCD顯示模塊做示波器做成便攜式很容易，做成示波表都沒問題!當然，LCD顯示模塊也有其不足之處，比如亮度和對比度不如CRT示波管，但綜合考慮LCD顯示模塊的優(yōu)勢還是比較明顯的。
　　(2)模擬示波器是一個完全的硬件結構，做好之后很難進行功能升級。而數(shù)字示波器不同，它的控制以及其它功能的實現(xiàn)在保證基本硬件后都是由軟件來實現(xiàn)的，添加新的功能之分方便。
　　
　　3　數(shù)字示波器的硬件系統(tǒng)
　　
　　一般來說，數(shù)字波器主要包括4部分電路，分別是：
　　(1)程控放大(衰減)電路；
　　(2)高速A／D轉換電路；
　　(3)Flash(閃存)存儲電路；
　　(4)顯示控制電路；
　　在這幾部分中，最重要的是程控放大(衰減)電路和A／D轉換電路，因為這兩個電路是數(shù)字示波器的咽喉，程控放大(衰減)電路決定了示波器的輸入帶寬和垂直分辨率，A／D轉換電路決定了示波器水平分辨率，這兩個分辨率直接決定著一個示波器性能的優(yōu)劣。這兩部分電路將被測信號轉換成后面的處理電路所需的數(shù)據(jù)信號，這部分電路都可用高性能的集成電路加少量外圍器件構成，電路設計簡單。調試也很簡單。整個示波器最難的應該是程序，也就是軟件方面。軟件承擔著數(shù)字示波器的所有數(shù)據(jù)處理和控制任務，包括A／D采樣控制、水平掃速控制、垂直靈敏度控制、顯示處理、峰峰值測量、頻率測量等任務�？梢圆捎矛F(xiàn)在市面上很常見的單片機作為微處理器，使用c語言編程來實現(xiàn)。
　　所有的電子設備都離不開硬件，首先讓我來對它的硬件結構進行一下簡述：總體電路如系統(tǒng)框圖所示(圖4)，外部信號從探頭輸入，進入程控放大(衰減)電路進行放大(衰減)，再對被放大(衰減)的信號進行電路整形后送入高速A／D轉換器對信號進行采樣，采樣所得的數(shù)據(jù)存入Flash閃存中， 需要使用時再從閃存中讀出數(shù)據(jù)進行處理，最后將波形顯示在LCD模塊上。
　　下面就各個模塊電路作以簡單介紹。
　　
　　3.1程控放大(衰減)電路與電源電路
　　信號由常見的X10X1示波器探頭輸入，進入放大(衰減)電路。程控放大(衰減)電路的作用是對輸入信號進行放大或衰減調整，使輸出信號電壓在A／D轉換器輸入電壓要求范圍內，達到最好的測量與觀察效果，所以程控放大器電路在規(guī)定帶寬內的增益一定要平坦。
　　由于示波器電路上包含數(shù)字和模擬兩個部分，為了避免相互干擾所以將數(shù)字部分的供電和模擬部分的供電分開，分別提供一組±5V的直流電源，并用電感與電容做成的濾波器隔離。
　　
　　3.2高速A／D轉換電路
　　數(shù)字示波器中最重要的電路是A／D轉換電路，它的作用是將被測信號采樣并轉換成數(shù)字信號存入存儲器，說它是數(shù)字示波器的咽喉一點也不為過，因為它直接決定著數(shù)字示波器所能測量的最高頻率，根據(jù)奈奎斯特定理，采樣頻率至少是被測信號最高頻率的2倍才能復現(xiàn)出被測信號。而在數(shù)字示波器中采樣頻率至少應該是被測信號頻率的5～8倍才行，否則根本觀察不到信號的波形。
　　為了提A／D采樣效率，本電路采用ADuC812單片機，芯片內集成了8路12位ADC采集系統(tǒng)、2路12位ADC、80C52MCU內核、8kB的閃速／電可擦除程序存儲器、640字節(jié)的閃速／電可擦除數(shù)據(jù)存儲器等模塊。官方資料給出的最高采樣頻率為200kHz，對于一般的測量來說綽綽有余了，而12位轉換器對于示波器來說也是夠用的，例如我們選用128*240的LCD顯示模塊，垂直分辨率為128格，所以絕對夠用。還有就是價格及電路的設計，由于ADC系統(tǒng)集成在單片機內部，大大節(jié)約了硬件成本和電路設計的工作量。
　　
　　3.3 Flash閃存與時鐘電路
　　因為A／D轉換器捕獲的信號數(shù)據(jù)量較大，單片機內部的8kB閃存不夠使用，所以本電路選用了一塊WinBond的W27C020芯片作為單片機的外存使用，容量為256kB，同時，也作為寫LCD的緩存使用。
　　為了得到基準時鐘信號，單片機還連接一塊頻率為11.0592MHz的晶振，用來計算外部波形信號的實際頻率。如果示波器需要顯示當前日期時間，還可以安裝一塊內置鋰電池的DSl2887日歷時鐘芯片，帶有128字節(jié)帶掉電保護的RAM(random access memory)，使用十分方便。
　　
　　3.4顯示控制電路
　　LCD選用金鵬OCM240128顯示模塊，分辨率128*240，藍色背光，支持觸屏。此模塊使用現(xiàn)在市面上非常流行的T9693C驅動芯片，只需要將／WR、／RD、C／D以及8個數(shù)據(jù)端口DB0～DB7與單片機的對應I／O端口連接，就可以正常使用。T9693C還為LCD的顯示提供了完善的軟件接口，編程簡便快捷。
　　
　　4　數(shù)字示波器的軟件系統(tǒng)
　　
　　硬件部分完成了，接下來談談軟件部分。軟件是一臺設備的靈魂，沒有好的軟件支持，所有的硬件都是一堆廢鐵。我們寫的匯編語言源程序要變?yōu)閱纹瑱C可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C器碼，隨著單片機開發(fā)技術的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，基于80C52內核的ADuC812單片機可以使用Keil軟件直接使用c語言來進行開發(fā)。
　　總的來說，在數(shù)字示波器的軟件開發(fā)過程中，有兩大要點：
　　(1)A／D轉換后數(shù)據(jù)的處理；
　　(2)LCD顯示控制。
　　為了降低電路的復雜性，沒有設計硬件觸發(fā)電路，而是用軟件實現(xiàn)同步觸發(fā)。軟件觸發(fā)的好處是觸發(fā)條件更易調整，只需調整比較語句中的參數(shù)即可。例如，顯示一屏的數(shù)據(jù)為240個，但每次讀進單片機的數(shù)據(jù)為500個，多余260個數(shù)據(jù)就是作為不滿足觸發(fā)條件的舍棄余量，為了以防萬一，當從500個數(shù)據(jù)中以經讀出超過260個數(shù)據(jù)但還沒有符合觸發(fā)條件的數(shù)據(jù)時，將跳出觸發(fā)比較循環(huán)，重新從閃存中讀出500個數(shù)據(jù)，直到有滿足條件的數(shù)據(jù)出現(xiàn)。保證可以用軟件觸發(fā)的條件是要有足夠大的存儲空間，選用256kB的外存也是考慮到了這個問題。在一個捕獲周期內所有A／D轉換后得到的采樣數(shù)據(jù)全部保存在閃存芯片中，等待經過運算處理后發(fā)送到LCD顯示模塊。
　　金鵬0CM240128是一個通用LCD顯示模塊，內置T6963系列驅動芯片來顯示文字或圖形。模塊不僅可以顯示單一的文本、圖形，而且可以實現(xiàn)雙圖層的(“或”、“異或”、“同或”、“與”四種邏輯關系)合成顯示。在數(shù)字示波器中可以將格線與波形放在不同的層上顯示，顯示關系為“或”，畫方格線的程序可以參考相關技術文檔，這里著重解釋一下如何將采樣數(shù)據(jù)轉換成波形顯示數(shù)據(jù)。
　　對顯示數(shù)據(jù)的操作最小單位為字節(jié)，一個字節(jié)包含8個二進制位，T6963C芯片可以通過接受1位、2位或3位指令代碼來對LCD屏幕進行操作，我們可以編寫一個函數(shù)來實現(xiàn)將某個指定坐標的像素點點亮的功能，這里坐標的取值范圍為(0，0)～(239，127)。將A／D轉換所得的數(shù)據(jù)經過處理后作為給LCD顯示模塊寫數(shù)據(jù)的依據(jù)，因為液晶屏每行有240個像素，所以定義一個容量為240字節(jié)的數(shù)組p[240]，數(shù)組下標代表水平坐標，數(shù)組元素的值代表垂直坐標。p[]在初始時數(shù)據(jù)全為64(Ox40H)，即在LCD中間顯示一條橫線。因為每個數(shù)據(jù)顯示一個亮點，所以在每一列上都會對應的顯示一個亮點，表示波形的狀態(tài)。為了有較好顯示效果，將顯示相鄰的點用線連接起來，在處理第一個點時預讀出第二個點的垂直坐標，與第一個點的垂直坐標進行比較，如果比第一個點的垂直坐標小則從第一個點向第二個點拉線，如果比第一個點的垂直坐標大則從第二個點向第一個點拉線。
　　當一組240個數(shù)據(jù)都顯示完成后，單片機已經從A／D轉換器捕獲了下一組信號，在適當?shù)难舆t時間后刷新整個屏幕，畫出下一個捕獲周期得到的波形。這樣就可顯示出連續(xù)的波形變化了。
　　
　　5　總結
　　
　　到這里，關于一臺數(shù)字示波器的制作已經完畢，這個數(shù)字示波器的性能其實還有很大的提高空間，例如，把本電路中所有集成電路全部用小型的貼片封裝，時鐘產生電路的那些通用數(shù)字芯片用一片CPLD(Complex Programmable Logic Device)代替，那么這個示波器所有的電路都能做到像LCD顯示器那么大的一塊雙面板上，整個電路裝進一個合適的殼子中用電池供電就成了一塊示波表。通過更換更大更高分辨率的LCD模塊，可以提高示波器的實時響應速率，縮短外部信號變化到顯示出波形之間的延遲時間。還可以加入更多實用功能，比如可以加上一個繼電器來控制LCD顯示器的背光亮度，通過擴展外部存儲空間或換用更大容量的Flash閃存來實現(xiàn)波形回放等。當然，在更換硬件設備的同時也需要對軟件程序進行必要的升級。
　　
　　(本文責任編輯　韓建中)

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