基于单片机的便携数字存储示波器

　　在电子技术领域中, 通常需要借助于一些辅助的仪器来观察电路中信号的相互关系, 这些仪器的种类很多, 比如万用表、信号源、示波器、频谱仪等。其中, 示波器可以观察到信号的全貌, 它可以在显示屏幕上直接观察到被测信号的波形, 并测量信号的幅度、频率、周期等基本参量。除此之外, 其他的非电量也可以转化为电量, 使用示波器进行观测。因此, 示波器得到了广泛的应用。随着电子设备复杂程度的增加, 对于示波器这样的测量仪器也提出了更多的要求, 除了成本的限制以外, 在体积、性能以及使用的灵活性方面也有了新的要求。目前常用的示波器一般都是体积比较大, 成本高,这就使它的应用受到了一些限制, 在这种情况下, 开发低成本便携的手持示波器, 将会大大提高其应用空间,为电子技术开发人员提供更多的便利。

液晶显示器在便携式仪器中有着广泛的应用, 使用液晶作为显示器件具有显示质量高, 数字式接口, 体积小, 重量轻, 功耗小等优点。本文设计的系统, 以C8051F020单片机为核心, 以TFT 彩屏液晶为显示器件, 将输入信号经过必要的信号调理电路以后进行采样, 采样后的数字信号在单片机内进行实时的数据处

理, 并按照一定的格式输出到液晶屏幕。通过对液晶进行初始化, 并编写相应的程序, 实时显示出输入信号的波形, 并对信号进行相关参数的测量, 实现了手持示波器的功能。

1 系统组成与工作原理

1. 1 系统组成

系统主要有信号调理电路, 采集处理模块和液晶外围电路组成。信号调理电路由继电器、增益控制D/ A、两级可变增益放大器AD603 和保护电路组成, 主要用于对输入信号进行程控的衰减与放大, 使得信号在最佳的测量和显示量程范围内。采集处理模块负责采集调理电路输出的信号, 并对信号进行编码缓存, 得到适合LCD 显示的数字编码信号。液晶外围电路为液晶显示电路提供合适的工作电压, 并且对液晶模块与单片机的接口电路进行了设计。系统组成的总体框图如图1所示。

图1 系统组成框图

1. 2 系统工作原理

系统时钟控制A/ D 采集波形数据, 在单片机内部配置两块RAM 缓存区, 并采用循环存储器结构。也就是说, 存储器的各存储单元按串行方式依次寻址, 且首尾相连, 形成了一个环形结构。采集开始时, 将采集数据按顺序写入其中一个存储区, 当所有单元都存满以后, 将该存储区的数据送到LCD 显示, 与此同时, 下一轮的采样数据不断存储到另一个存储区, 存满以后2 个存储区交换功能。如此轮换交替, 这样接收A/ D 采集数据和数据显示可以同时进行, 而数据显示的速率大于A/ D 采集速率, 从而可以有效避免数据丢失。

系统的工作过程如下: 输入信号经前端信号调理电路转换到合适的电平, 在单片机的控制下通过A/ D 对信号采集处理并存储采集数据。对LCD 初始化编程接收单片机存储的波形数据, 将信号的波形实时显示出来, 并测量信号的峰峰值电压和频率。

2 系统硬件设计

系统硬件主要实现对输入信号的程控衰减放大, 过压保护, 信号的采集处理以及单片机与液晶模块接口电路等, 系统硬件总体框图如图2 所示。

图2 系统硬件总体框图

2. 1 信号调理电路

信号调理电路实现了对输入信号的程控衰减放大,它由增益变化范围线性连续可调的可控增益放大器AD603 组成。通过单片机, 结合8 位D/ A 转换芯片CA3338E, 对两片AD603 引脚端的输入电压进行控制。该芯片输入控制电压Vc 的范围为- 0. 5~ + 0. 5 V,一级增益和控制电压的关系为:

当使用两级级联时, 则增益和控制电压关系为:

单片机输出控制信号, 使继电器对输入信号进行100 倍衰减。衰减后的信号经A/ D 转换后采集到单片机中, 根据预先设置的档位判断信号所属的范围。如果

信号幅度过低, 不在这些范围之内, 则单片机重新发出控制信号, 减小对输入信号的衰减倍数, 直到衰减后的信号满足最佳测量范围为止。对应于每个档位的信号,输出一个8 位的数字信号至CA3338E 芯片, 并将其输出的模拟信号加到AD603 的输入端, 得到不同的放大倍数, 完成信号的程控衰减放大。

这样设计, 一方面可以实现自动增益控制。系统会根据程序的设定对输入信号的幅度自动选择放大衰减的倍数, 来得到满足信号采集部分电路要求的最佳信号电平, 在进行信号电压的测量时, 只需要将采集到的信号电压与相应的程控倍数相乘, 就可以显示出准确的电压值。另一方面, 也可以大大扩展输入信号的动态范围。信号采集电路允许的最大输入电压为4 V 左右, 这样, 当输入峰峰值为400 V 信号时, 由于存在100 倍的衰减, 调理以后的输出信号仍然不超过采集电路的范围。

2. 2 过压保护电路

在A/ D 的输入通