摘要：介紹一種雙通道簡易數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)方案，以at89s52單片機(jī)作為控制核心，輸入信號在經(jīng)過預(yù)處理電路處理后，通過高速a／d轉(zhuǎn)換器adc0809，實(shí)現(xiàn)信號的實(shí)時(shí)采樣、數(shù)據(jù)處理、存儲并在液晶上顯示，并用鍵盤做功能設(shè)置。該設(shè)計(jì)創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)了波形的存儲／回放、雙通道信號實(shí)時(shí)對比分析、程控放大提高靈敏度等方面。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定，具有測量頻率高、波形清晰、可靠性高、成本低等特點(diǎn)，有很高的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：數(shù)字示波器；at89s52；預(yù)處理電路；adc0809；實(shí)時(shí)采樣
0 引言
數(shù)字示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。與傳統(tǒng)模擬示波器相比，數(shù)字存儲示波器不僅具有可存儲波形、體積小、功耗低，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有強(qiáng)大的信號實(shí)時(shí)處理分析功能，在電子電信類實(shí)驗(yàn)室中使用越來越廣泛。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展和電路結(jié)構(gòu)的變化，對電路測量的要求也變得更高。對廣大理工科學(xué)生和從事電子等相關(guān)行業(yè)的普通工作者在電子制作、產(chǎn)品維修等中，很多電路參數(shù)需要測量分析，經(jīng)常需要使用數(shù)字示波器。但目前我國使用的高性能數(shù)字示波器普遍價(jià)格昂貴，所以研究簡易數(shù)字示波器具有重要意義。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
該設(shè)計(jì)以at89s52單片機(jī)為控制核心，由預(yù)處理電路（包括阻抗變換、程控放大、信號調(diào)理電路）、a／d數(shù)據(jù)采集電路、e2prom存儲電路、功能鍵盤、lcd顯示電路以及電源等部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1．2 工作原理
數(shù)字示波器有二個(gè)輸入通道。預(yù)處理電路由阻抗變換、程控放大、信號調(diào)理電路組成。輸入信號先經(jīng)阻抗變換電路后進(jìn)入程控放大電路，根據(jù)需要對信號進(jìn)行放大（衰減）處理，然后信號再進(jìn)入信號調(diào)理電路進(jìn)行電平調(diào)整成為符合a／d轉(zhuǎn)換要求的0～5 v電壓。之后輸出的模擬信號經(jīng)過高速a／d轉(zhuǎn)換器ad0809實(shí)時(shí)采樣變成數(shù)字信號，經(jīng)過at89s52單片機(jī)后儲存在半導(dǎo)體存儲器e2prom中。單片機(jī)從存儲器中讀出信號進(jìn)行運(yùn)算處理，將波形顯示在lcd液晶屏上。所有功能可由鍵盤操作完成。
2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 單片機(jī)
at89s52是一個(gè)低功耗，高性能cmos8位單片機(jī)，具有8 192個(gè)在系統(tǒng)可編程flash存儲器。采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)及80c51引腳結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)采用at89s52單片機(jī)作為主控芯片。單片機(jī)首先通過控制a／d轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，之后將數(shù)字信號存儲在e2prom存儲器中，zui后在lcd液晶上顯示出模擬信號的波形。
2．2 程控放大電路
程控放大電路的作用是對大信號進(jìn)行衰減，對小信號進(jìn)行放大，保證輸入到a／d轉(zhuǎn)換器的信號幅度在要求的輸入電壓范圍內(nèi)，以達(dá)到的測量與觀察效果。采用模擬開關(guān)cd4051，運(yùn)算放大器為opa842，配合精密電位器實(shí)現(xiàn)多擋垂直分辨率。在at89s52單片機(jī)中使用寄存器模塊設(shè)置通道號，通過寫入通道號控制模擬開關(guān)選通不同的反饋電阻，從而實(shí)現(xiàn)不同的放大倍數(shù)，具體的電路如圖2所示。
2．3 信號調(diào)理
由于示波器觀察信號大多是正負(fù)電壓信號，而a／d轉(zhuǎn)換器ad0809是單極性參考電壓。為了采樣到信號的負(fù)電壓，就需要給該信號疊加直流量，將負(fù)電壓部分信號抬高至零電平以上，因此采用信號調(diào)理電路，將信號調(diào)理在滿足a130809的0～5 v范圍內(nèi)。r1，r2，r3，u1即為程控放大電路的簡化模塊，電路如圖3所示。
2．4 數(shù)據(jù)存儲電路
e2prom是數(shù)據(jù)存儲電路的關(guān)鍵器件，本文選用atmel公司新近推出的具有i2c總線容量達(dá)512 kb（64 k×8 b）的at24c512。該芯片的主要特性如下：存儲容量為65 536 b；與100 khz，400 khz，1 mhzi2c總線兼容；100 000次編程／擦寫周期；單電源、讀／寫電壓為1．8～5．5 v；esd保護(hù)電壓大于4 kv；寫保護(hù)功能，當(dāng)wp為高電平時(shí)，進(jìn)入寫保護(hù)狀態(tài)；cmos低功耗技術(shù)，zui大寫入電流為3 ma；128 b頁寫入緩存器；自動(dòng)定時(shí)的寫周期。sda線和scl分別與單片機(jī)的p2．4和p2．5口相連。數(shù)據(jù)存儲電路如圖4所示。
2．5 其他硬件電路
a／d轉(zhuǎn)換模塊：a／d轉(zhuǎn)換器選用adc0809，adc0809是cmos單片型逐次逼近式a／d轉(zhuǎn)換器，可處理8路模擬量的輸入，且有三態(tài)輸出能力，即可與各種微處理器相連，也可單獨(dú)工作。輸入／輸出與ttl兼容，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100μs。
鍵盤控制模塊：該系統(tǒng)選用5個(gè)獨(dú)立鍵盤做功能鍵，作用分別為運(yùn)行與停止，波形的放大，波形的減小，波形的上移，波形的下移。
lcd液晶顯示電路：該設(shè)計(jì)采用mgl（s）-240128t液晶顯示器。單片機(jī)p1口與lcd的數(shù)據(jù)口連接，用于數(shù)字信號的讀取，p3．6，p3．7作為液晶顯示模塊的讀／寫控制信號端口，p2．5作為lcd的片選端口。
3 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)部分主要包括主程序模塊、a／d轉(zhuǎn)換模塊、lcd顯示模塊、按鍵處理模塊，其流程圖如圖5所示。
3．1 a／d轉(zhuǎn)換部分
當(dāng)定時(shí)器產(chǎn)生中斷時(shí)，adc0809將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。adc0809的轉(zhuǎn)換速率zui大可達(dá)640 khz，程序設(shè)定了定時(shí)器時(shí)間間隔為2μs，所以采樣頻率達(dá)到了500 khz。
3．2 鍵盤掃描部分
設(shè)定了1個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)波形的運(yùn)行與停止，4個(gè)獨(dú)立按鍵用于改變波形的尺寸。amp和time兩個(gè)參數(shù)分別用于調(diào)整幅值和時(shí)間軸的大小，當(dāng)mcu檢測到按鍵被按下時(shí)，兩個(gè)參數(shù)的值相應(yīng)地發(fā)生改變，從而改變了波形的大小。
3．3 lcd顯示部分
a／d產(chǎn)生的*個(gè)數(shù)據(jù)，其對應(yīng)的點(diǎn)排在*列，這樣就確定了該點(diǎn)的橫軸位置，縱軸的位置由數(shù)字信號大小按比例換算而來。由于采樣頻率一定，所以每2個(gè)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔相同，下一個(gè)點(diǎn)排第二列，以此類推。
3．4 數(shù)字存儲部分
數(shù)字存儲芯片選擇了atmel公司推出的at24c512，其作用是存儲不同時(shí)刻的信號大小，克服了模擬示波器只能顯示當(dāng)前波形的缺點(diǎn)。由于該芯片采用i2c總線傳輸數(shù)據(jù)，所以需要單片機(jī)的i／o口用來模擬該總線。
4 結(jié)語
本文設(shè)計(jì)的以at89s52單片機(jī)為控制核心的數(shù)字示波器，在軟硬件有機(jī)結(jié)合下，可以達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。測試表明該數(shù)字示波器具有較高的實(shí)時(shí)采樣率，可以將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過硬件電路、軟件程序轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的波形很好的顯示在液晶顯示屏上。該數(shù)字示波器能夠?qū)崿F(xiàn)波形的采集、調(diào)理、存儲、顯示等功能，通過鍵盤對波形進(jìn)行相應(yīng)的功能設(shè)置，具有體積小、操作簡單、方便、設(shè)備廉價(jià)等特點(diǎn)。在后續(xù)的改進(jìn)中，可以利用分頻合成技術(shù)進(jìn)行采樣頻率合成，提高其采樣頻率，同時(shí)該數(shù)字示波器還具有一定的擴(kuò)展能力，具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。