基于單片機(jī)的便攜數(shù)字存儲示波器

　　液晶顯示器在便攜式儀器中有著廣泛的應(yīng)用, 使用液晶作為顯示器件具有顯示質(zhì)量高, 數(shù)字式接口, 體積小, 重量輕, 功耗小等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng), 以C8051F020單片機(jī)為核心, 以TFT 彩屏液晶為顯示器件, 將輸入信號經(jīng)過必要的信號調(diào)理電路以后進(jìn)行采樣, 采樣后的數(shù)字信號在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處

　　理, 并按照一定的格式輸出到液晶屏幕。通過對液晶進(jìn)行初始化, 并編寫相應(yīng)的程序, 實(shí)時(shí)顯示出輸入信號的波形, 并對信號進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測量, 實(shí)現(xiàn)了手持示波器的功能。

　　1 系統(tǒng)組成與工作原理

　　1. 1 系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)主要有信號調(diào)理電路, 采集處理模塊和液晶外圍電路組成。信號調(diào)理電路由繼電器、增益控制D/ A、兩級可變增益放大器AD603 和保護(hù)電路組成, 主要用于對輸入信號進(jìn)行程控的衰減與放大, 使得信號在最佳的測量和顯示量程范圍內(nèi)。采集處理模塊負(fù)責(zé)采集調(diào)理電路輸出的信號, 并對信號進(jìn)行編碼緩存, 得到適合LCD 顯示的數(shù)字編碼信號。液晶外圍電路為液晶顯示電路提供合適的工作電壓, 并且對液晶模塊與單片機(jī)的接口電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。系統(tǒng)組成的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

　　1. 2 系統(tǒng)工作原理

　　系統(tǒng)時(shí)鐘控制A/ D 采集波形數(shù)據(jù), 在單片機(jī)內(nèi)部配置兩塊RAM 緩存區(qū), 并采用循環(huán)存儲器結(jié)構(gòu)。也就是說, 存儲器的各存儲單元按串行方式依次尋址, 且首尾相連, 形成了一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)。采集開始時(shí), 將采集數(shù)據(jù)按順序?qū)懭肫渲幸粋€(gè)存儲區(qū), 當(dāng)所有單元都存滿以后, 將該存儲區(qū)的數(shù)據(jù)送到LCD 顯示, 與此同時(shí), 下一輪的采樣數(shù)據(jù)不斷存儲到另一個(gè)存儲區(qū), 存滿以后2 個(gè)存儲區(qū)交換功能。如此輪換交替, 這樣接收A/ D 采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)顯示可以同時(shí)進(jìn)行, 而數(shù)據(jù)顯示的速率大于A/ D 采集速率, 從而可以有效避免數(shù)據(jù)丟失。

　　系統(tǒng)的工作過程如下: 輸入信號經(jīng)前端信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換到合適的電平, 在單片機(jī)的控制下通過A/ D 對信號采集處理并存儲采集數(shù)據(jù)。對LCD 初始化編程接收單片機(jī)存儲的波形數(shù)據(jù), 將信號的波形實(shí)時(shí)顯示出來, 并測量信號的峰峰值電壓和頻率。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件主要實(shí)現(xiàn)對輸入信號的程控衰減放大, 過壓保護(hù), 信號的采集處理以及單片機(jī)與液晶模塊接口電路等, 系統(tǒng)硬件總體框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件總體框圖

　　2. 1 信號調(diào)理電路

　　信號調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)了對輸入信號的程控衰減放大,它由增益變化范圍線性連續(xù)可調(diào)的可控增益放大器AD603 組成。通過單片機(jī), 結(jié)合8 位D/ A 轉(zhuǎn)換芯片CA3338E, 對兩片AD603 引腳端的輸入電壓進(jìn)行控制。該芯片輸入控制電壓Vc 的范圍為- 0. 5~ + 0. 5 V,一級增益和控制電壓的關(guān)系為:

　　當(dāng)使用兩級級聯(lián)時(shí), 則增益和控制電壓關(guān)系為:

　　單片機(jī)輸出控制信號, 使繼電器對輸入信號進(jìn)行100 倍衰減。衰減后的信號經(jīng)A/ D 轉(zhuǎn)換后采集到單片機(jī)中, 根據(jù)預(yù)先設(shè)置的檔位判斷信號所屬的范圍。如果

　　信號幅度過低, 不在這些范圍之內(nèi), 則單片機(jī)重新發(fā)出控制信號, 減小對輸入信號的衰減倍數(shù), 直到衰減后的信號滿足最佳測量范圍為止。對應(yīng)于每個(gè)檔位的信號,輸出一個(gè)8 位的數(shù)字信號至CA3338E 芯片, 并將其輸出的模擬信號加到AD603 的輸入端, 得到不同的放大倍數(shù), 完成信號的程控衰減放大。

　　這樣設(shè)計(jì), 一方面可以實(shí)現(xiàn)自動增益控制。系統(tǒng)會根據(jù)程序的設(shè)定對輸入信號的幅度自動選擇放大衰減的倍數(shù), 來得到滿足信號采集部分電路要求的最佳信號電平, 在進(jìn)行信號電壓的測量時(shí), 只需要將采集到的信號電壓與相應(yīng)的程控倍數(shù)相乘, 就可以顯示出準(zhǔn)確的電壓值。另一方面, 也可以大大擴(kuò)展輸入信號的動態(tài)范圍。信號采集電路允許的最大輸入電壓為4 V 左右, 這樣, 當(dāng)輸入峰峰值為400 V 信號時(shí), 由于存在100 倍的衰減, 調(diào)理以后的輸出信號仍然不超過采集電路的范圍。