【導讀】隨著電子技術的發展和電路結構的變化，對電路測量的要求也變得更高，在電子制作中會發現對很多參數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和萬用表一樣變成了電子工程師和愛好者的必備工具。然而示波器動輒幾千上萬甚至數萬元的價格不是每個人都能接受的，如果你是一名電子愛好者或者和我一樣是一名電子專業的大學生，何不發揮自己的聰明才智自己制作一臺夠用的示波器，不僅省錢，更可以享受DIY帶來的獨特樂趣！
下面就示波器的基本原理簡要介紹一下，再就數字示波器與模擬示波器做一個簡要的比較。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1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。
工程師電子制作故事：數字示波器DIY設計
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。
利用心電圖機的結構，雖可以記錄電壓信號，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，可以重復使用的CRT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。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。
數字示波器首先對模擬信號進行高速采樣獲得相應的數字數據并存儲。用數字信號處理技術對采樣得到的數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。根據得到的信號參數繪制信號波形，并可對被測信號進行實時的、瞬態的分析，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，并啟動數據采集；采集完成后，由微處理器對采樣數據按測量設置進行處理，提取所需要的測量參數，并將結果送顯示部件。
使用模擬示波器和數字示波器通常都能很好地觀察簡單重復性信號。但是兩者都有其優點和局限性，如圖2所示。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，數字存儲示波器和模擬示波器的性能幾乎沒有什么區別，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，數字存儲示波器的優點在于具有自動測量各種參數的能力。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）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，數字示波器所顯示的是用采集的波形數據重建的波形，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，這是數字示波器的重大缺點。
自制示波器，做模擬示波器還是數字示波器？當然要做就做數字的
但是綜合起來數字示波器還是有很大優勢的。
自制示波器，做模擬示波器還是數字示波器？當然要做就做數字的！因為做數字示波器更簡單，請往下看：
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。而數字示波器只需要與帶寬相適應的高速A/D轉換器，其他存儲器和D/A轉換器以及顯示器都是較低速的部件，顯示器可用LCD顯示模塊，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，做成便攜的很容易，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，而數字示波器不同，在保證基本硬件后它的控制以及其他功能的實現都是由軟件來實現的。這樣升級就變得非常容易，你甚至可以把它當成一塊開發板用來練習編程！做一個能當開發板用的示波器，你還猶豫嗎？
基于以上兩種原因，制作數字示波器當然是不二之選！
本文介紹的就是我制作的一臺便攜式數字示波器（如圖3所示）。
由于采用320×240分辨率的顯示器，所以顯示波形非常細致。圖4～圖11為該示波器測量不同頻率信號時的實拍照片。
5Hz的信號用一般的模擬示波器測量，只能看到一個亮點在屏幕上游動，根本看不出完整的波形，而我做的這個示波器可以顯示出完整的波形，在測量低頻率信號時這是一個很大的優勢。
該示波器由6部分電路構成，分別是：
1. 輸入程控放大（衰減）電路2. 高速AD轉換電路3. FIFO存儲電路4. 顯示控制電路5. 時鐘產生電路6. 測頻與控制電路在這幾部分中，最重要的是程控放大電路和AD轉換電路，因為這兩個電路是這個數字示波器的咽喉，程控放大電路決定了示波器的輸入帶寬和垂直分辨率，AD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示波器性能的優劣。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據信號，慶幸的是這幾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。整個示波器我覺得最難的應該是程序，也就是軟件方面。
軟件承擔著該示波器的所有數據處理和控制任務，包括AD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。為了提高性能，這個示波器使用了兩片單片機，分別用于顯示和控制，所以程序的設計還要考慮兩個單片機之間的通信問題，這些在文章的各章節都會有詳細的描述和解釋。
通過這個示波器的制作，你將會了解很多東西，比如如何用運算放大器設計組合放大電路、高速AD轉換器的應用、FIFO存儲器的應用、AVR單片機SPI總線接口協議以及高分辨率點陣液晶顯示器的驅動等內容，這些內容對于別的電子設計也是非常有用的。
推薦閱讀：
