基于PIC單片機的簡易數字示波器設計

摘要：提出了利用PIC單片機作為控制核心的簡易數字示波器的設計方案。介紹了系統總體設計的體系結構，以及硬件和軟件的具體實現。輸入信號經過預處理租AD轉換后，傳輸到單片機，利用鍵盤做功能設置，在LCD上把波形顯示出來，實現信號的實時采樣、數據處理以及顯示控制等簡易數字示波器功能。此系統方案規模小、性能穩定、實現方便、價格低廉，具有一定的實用價值。
關鍵詞：PIC；單片機；數字示波器；AD轉換；采樣

0 引言
數字示波器是工業控制、電子測量、信號處理及儀器儀表等行業最常用的測量儀器之一。它將捕捉到的模擬信號通過AD轉換后，存儲到示波器中，對信號作一步的處理，可以獲得被測信號的多種信號參數，如頻率、幅值、前后沿時間、平均值等，有利于對產品作進一步的分析設計。

1 總體設計
表征示波器的一些關鍵技術指標有：采樣率、存儲容量、觸發類型、帶寬、分辨率等。采樣率定義了每秒從連續信號中提取并組成離散信號的采樣個數，采樣率的倒數是采樣周期，它表示采樣之間的時間間隔。采樣率可分為實時采樣率和等效采樣率，實時采樣率指單次采樣所能達到的最大采樣率，等效采樣率指用多次采樣得到的信號共同完成信號的重建。
存儲容量指獲取波形的取樣點的數目，用直接存放AD轉換后數據的獲取存儲器的存儲單元數來表示記錄時間、取樣速率以及存儲深度三者之間的關系。示波器的存儲容量越大，采樣數據的能力越強，更善于捕獲像毛刺這類通常偶爾發生的信號。
觸發常見的類型有上升沿觸發和下降沿觸發，即通過指定的極性和電壓電平識別波形的觸發，設定一個適當的觸發電平以后，觸發電路開始捕捉觸發脈沖，完成數據采集。顯示出來的波形是以信號的某個上升沿或某個下降沿為觸發參考點的。作用是保證每次采集的數據，都是從輸入信號上的一個精確確定的點作為參考點來顯示，有利于顯示波形重復且穩定，如果沒有觸發電路，在屏幕上看到的將是雜亂無章的波形。
分辨率分為垂直(電壓)分辨率和水平(時間)分辨率，反映了信號波形的細節特性。AD轉換器通過把采樣電壓和參考電壓進行比較來確定采樣電壓的幅度。構成AD轉換器所用的比較器越多，AD轉換器可以識別的電壓層次也越多，這個特性稱為垂直分辨率，垂直分辨率越高，則示波器上的波形中可以看到的信號細節越小。
本系統將采集到的模擬信號經過AD轉換后變成數字量，利用單片機進行數據的處理儲存，轉換成LCD相應的X、Y坐標值和顯示數值。可以采用單片機和FPGA／CPLD的方式實現，由FPGA／CPLD完成采集、存儲、顯示及AD／DA等功能，即由FPGA／CPLD實現人機交互及信號測量分析等功能。由于 硬件的限制，系統的實現由PIC單片機、AD轉換器、LCD模塊等組成，由單片機完成基本處理分析，包括信號的采集、存儲、顯示等控制與變換工作。此方式的優點在于系統規模比較小，可以靈活實現，卻不適宜于觀察高速信號或復雜信號。體系結構圖如圖1所示。

2 硬件設計
硬件電路由七部分組成：輸入程控放大電路、采樣電路(高速AD轉換電路)、FIFO存儲電路、觸發電路、顯示控制電路、時鐘產生電路和測頻與控制電路。其中程控放大電路、采樣電路和顯示控制電路是主要的三部分。程控電路是將波形幅值通過比例縮放顯示在屏幕上，之后在周邊加上標尺注明，將波形調整到合適的采集范圍。采樣電路負責采集，它的核心為AD轉換器，采樣信號經過AD轉換器，傳輸到單片機，由單片機處理以及顯示控制電路。顯示控制電路負責按照要求的形式顯示被測信號的波形。