【導(dǎo)讀】本文解析如何實現(xiàn)一個簡易的示波器，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，清晰。充分利用了AVR單片機(jī)內(nèi)部資源使系統(tǒng)電路得以簡單化，通過測試該系統(tǒng)在測量頻率方向的誤差很小，可以用來比較準(zhǔn)確的測量測試信號的頻率。
1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
圖1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1.1、信號調(diào)理電路
信號調(diào)理電路要完成的功能是：程控放大，疊加直流分量。程控放大的作用是：當(dāng)輸入信號的幅度很小的時候就需要對輸入信號進(jìn)行放大，使得被測信號可以在LCD上盡可能清楚的顯示出來。疊加直流分量的作用是：ATmega16自帶的A/D是單電源的，沒辦法輸入負(fù)壓而待測信號又往往有負(fù)壓。這時候就需要這樣一個電路，可以把負(fù)壓抬高到0電平以上。
圖2.信號調(diào)理電路原理圖
R1，R2分別由一個模擬開關(guān)CD4051來連接不同的電阻，不同的R1,R2通過公式：這樣就可以實現(xiàn)程控放大功能了。可調(diào)電阻R9用來設(shè)置信號調(diào)理電路加入的直流分量的大小。放大后的信號和直流分量最后由U3模擬加法器疊加后輸出。
輸入信號與輸出信號的關(guān)系：只要R4、R6、R7的阻值相同，調(diào)理電路輸入與輸出的關(guān)系簡化為：。
Ux為U3的輸出電壓，輸出電壓的電壓值與可調(diào)電阻R9中間抽頭的電壓一至。
1.2、主控芯片軟件設(shè)計
這個系統(tǒng)的主控芯片選擇的是，Atmel公司的AVR系列單片機(jī)ATmega16，最高可達(dá)到16MPIS指令速度。ATmega16有16K的flash, 1K的SRAM, 512 B的EEPROM，單片機(jī)內(nèi)部自帶一個10 bits精度的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)建采樣/保持電路。ADC的時鐘是可編程的，在這個設(shè)計中為了太到最高的采樣頻率100KHz ADC的時鐘設(shè)置為2MHz。ADC的觸發(fā)源選擇為定時器/計數(shù)器0溢出，ATmega16的定時器的時鐘源也是可編程的。這樣就可以通過控制定時器/計數(shù)器0溢出中斷頻率來控制ADC的采樣頻率。
圖3.簡易示波器系統(tǒng)程序流程圖
1.2.1、鍵盤功能
在這個系統(tǒng)中設(shè)置了7個按鈕分別為：運行與停止，放大倍數(shù)增大，放大倍數(shù)減小，采樣頻率增大，采樣頻率減小，觸發(fā)電平上移，觸發(fā)電平下移。
運行與停止鍵：是通過開啟和關(guān)閉ATmega16 ADC轉(zhuǎn)換完畢中斷的方式來實現(xiàn)的。
放大倍數(shù)的增大與減小：是通過ATmega16控制模擬開關(guān)CD4051來實現(xiàn)放大倍數(shù)的數(shù)字化控制。CD4051為8通道的模擬開關(guān)，所以程控放大器可以有8檔。
采樣頻率的增大與減小：是通過控制ATmega16的定時器0的時鐘源及定時器的初始值來實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的各個采樣頻率。定時器0的中斷頻率就等于ADC的采樣頻率。
觸發(fā)電平的上移與下移：是通過對采樣來的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字觸發(fā)時，當(dāng)數(shù)據(jù)的二進(jìn)制值在增加的過程中某個數(shù)據(jù)的大小剛好與數(shù)字觸發(fā)的二進(jìn)制數(shù)值一樣，在此以后的波形數(shù)據(jù)才存入顯示RAM中。
當(dāng)這7個按鍵中的某一個被觸發(fā)，都會置位相應(yīng)的標(biāo)志位，以便刷新LCD液晶屏上相應(yīng)的顯示信息。
1.2.3、數(shù)字觸發(fā)功能
如何實現(xiàn)觸發(fā)呢？用硬件來完成的話又會增加系統(tǒng)硬件電路的復(fù)雜度，我就想了一個辦法，有軟件的方式來實現(xiàn)觸發(fā)的功能。實現(xiàn)的過程如下：
for (ik=0;ik<500;ik++){
if (k0_ram){
if (box_buff[ik] < trigger) {
kk_ram = 1 ;
}
if (kk_ram){
if ((box_buff[ik] >= trigger) & (ik < 402)){
en_ram = 1 ;
k0_ram = 0 ;
kk_ram = 0 ;
}}}
if (en_ram){
boxing[adc_data]=box_buff[ik] ;
adc_data++ ;
if (adc_data > 96){
adc_data = 0x00 ;
en_ram = 0 ;
}}}
trigger的大小可以通過觸發(fā)電平上移與觸發(fā)電平下移按鍵來設(shè)置它的大小。
1.2.3、還原波形
GDM12864A是一個具有128點x 64點的點陣LCD。根據(jù)所選的LCD的特點，Y軸上只有64個點，所以能顯示的數(shù)據(jù)范圍為0到63而采樣得到的數(shù)據(jù)為8位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)為0到255。為了能在這個LCD上顯示只取8位數(shù)據(jù)的高6位。那么如何把這高6位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成在LCD上的Y軸座標(biāo)和數(shù)據(jù)值呢？我想了這樣一個計算的方法：
LCD的縱向分為8個地址從上到下依次為0~7，每個地址段有8個數(shù)據(jù)點。在某個數(shù)據(jù)段中如果想依次讓這些位從上到下點亮就需要依次向這個地址段送數(shù)據(jù)0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80，送入0x00后這個地址段的8個數(shù)據(jù)點將不被點亮。實現(xiàn)的具體過程如圖4所示。
dat = dat>>2
y = 7
dat >= 8 ?
dat = dat – 8; y--;
y == 1 ?
dat > 7 ?
dat = 7 ;
dat = 0x80 >> dat
write_add(y,x) ;
write_data(dat) ;
否
否
否
圖4.數(shù)據(jù)還原成波形上點的程序流程圖
1.2.4、ADC采樣頻率控制
ADC的采樣頻率在上文已有提及，ADC中斷的計算公式為：,通過ATmega16的特殊功能寄存器TCCR0的低3位CS02,CS01,CS00的設(shè)置就可以改變的頻率，再把TCNT0設(shè)置成不同的數(shù)值就可以得到這個系統(tǒng)所需要的各個采樣頻率值了。表1中的數(shù)據(jù)是通過上面的公式計算出來的數(shù)據(jù)再經(jīng)實際的系統(tǒng)調(diào)試并修正后的數(shù)據(jù)。
表1.采樣頻率的設(shè)置
系統(tǒng)性能指標(biāo)及誤差
2.1、系統(tǒng)性能指標(biāo)
系統(tǒng)主要性能指標(biāo)見表2所示。
表2.系統(tǒng)主要性能指標(biāo)
2.2、系統(tǒng)誤差
系統(tǒng)的誤差主要出在信號調(diào)理電路，因為模擬開關(guān)有一定的內(nèi)阻約為80Ω對調(diào)理電路的放大倍數(shù)會造成一定的影響。通過1.1中的計算公式計算出來的電阻值在實際中不存在，通過幾個電阻串聯(lián)來實現(xiàn)也還是會有一定的誤差。平衡電阻R3是固定的在R1，R2發(fā)生變化的時候，平衡電阻可能就不能平衡也會給運算放大器引入一定的誤差。
2.3、可以改進(jìn)的地方
系統(tǒng)可以進(jìn)一步改進(jìn)的地方在于信號調(diào)理電路，可以通過選擇性能更好的模擬開關(guān)和運算放大器，更合理的選擇電阻這樣就可以提高信號調(diào)理電路的放大的準(zhǔn)確度。使整個系統(tǒng)的性能得以進(jìn)一步改善。
2.4、系統(tǒng)實際工作情況
LCD顯示的信息分別有，波形圖像，在波形的上面是橫軸的標(biāo)尺，在屏幕的右邊為系統(tǒng)的運行狀態(tài)（Run / Stop）,Time為整個波形框的時間長度，Volt-為電壓檔，在波形框與信息框之間有個小點為信號的觸發(fā)電平。信號的頻率=波形框中信號的周期數(shù)/Time。
結(jié)論
用這種方法可以實現(xiàn)一個簡易的示波器，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，清晰。充分利用了AVR單片機(jī)內(nèi)部資源使系統(tǒng)電路得以簡單化，就連系統(tǒng)的工作時鐘也是AVR內(nèi)部自帶的。通過測試該系統(tǒng)在測量頻率方向的誤差很小，可以用來比較準(zhǔn)確的測量測試信號的頻率。
