基于單片機的便攜數字存儲示波器

　　液晶顯示器在便攜式儀器中有著廣泛的應用, 使用液晶作為顯示器件具有顯示質量高, 數字式接口, 體積小, 重量輕, 功耗小等優點。本文設計的系統, 以C8051F020單片機為核心, 以TFT 彩屏液晶為顯示器件, 將輸入信號經過必要的信號調理電路以后進行采樣, 采樣后的數字信號在單片機內進行實時的數據處

　　理, 并按照一定的格式輸出到液晶屏幕。通過對液晶進行初始化, 并編寫相應的程序, 實時顯示出輸入信號的波形, 并對信號進行相關參數的測量, 實現了手持示波器的功能。

　　1 系統組成與工作原理

　　1. 1 系統組成

　　系統主要有信號調理電路, 采集處理模塊和液晶外圍電路組成。信號調理電路由繼電器、增益控制D/ A、兩級可變增益放大器AD603 和保護電路組成, 主要用于對輸入信號進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。采集處理模塊負責采集調理電路輸出的信號, 并對信號進行編碼緩存, 得到適合LCD 顯示的數字編碼信號。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的接口電路進行了設計。系統組成的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

　　1. 2 系統工作原理

　　系統時鐘控制A/ D 采集波形數據, 在單片機內部配置兩塊RAM 緩存區, 并采用循環存儲器結構。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, 形成了一個環形結構。采集開始時, 將采集數據按順序寫入其中一個存儲區, 當所有單元都存滿以后, 將該存儲區的數據送到LCD 顯示, 與此同時, 下一輪的采樣數據不斷存儲到另一個存儲區, 存滿以后2 個存儲區交換功能。如此輪換交替, 這樣接收A/ D 采集數據和數據顯示可以同時進行, 而數據顯示的速率大于A/ D 采集速率, 從而可以有效避免數據丟失。

　　系統的工作過程如下: 輸入信號經前端信號調理電路轉換到合適的電平, 在單片機的控制下通過A/ D 對信號采集處理并存儲采集數據。對LCD 初始化編程接收單片機存儲的波形數據, 將信號的波形實時顯示出來, 并測量信號的峰峰值電壓和頻率。

　　2 系統硬件設計

　　系統硬件主要實現對輸入信號的程控衰減放大, 過壓保護, 信號的采集處理以及單片機與液晶模塊接口電路等, 系統硬件總體框圖如圖2 所示。

圖2 系統硬件總體框圖

　　2. 1 信號調理電路

　　信號調理電路實現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可調的可控增益放大器AD603 組成。通過單片機, 結合8 位D/ A 轉換芯片CA3338E, 對兩片AD603 引腳端的輸入電壓進行控制。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系為:

　　當使用兩級級聯時, 則增益和控制電壓關系為:

　　單片機輸出控制信號, 使繼電器對輸入信號進行100 倍衰減。衰減后的信號經A/ D 轉換后采集到單片機中, 根據預先設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, 則單片機重新發出控制信號, 減小對輸入信號的衰減倍數, 直到衰減后的信號滿足最佳測量范圍為止。對應于每個檔位的信號,輸出一個8 位的數字信號至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, 完成信號的程控衰減放大。

　　這樣設計, 一方面可以實現自動增益控制。系統會根據程序的設定對輸入信號的幅度自動選擇放大衰減的倍數, 來得到滿足信號采集部分電路要求的最佳信號電平, 在進行信號電壓的測量時, 只需要將采集到的信號電壓與相應的程控倍數相乘, 就可以顯示出準確的電壓值。另一方面, 也可以大大擴展輸入信號的動態范圍。信號采集電路允許的最大輸入電壓為4 V 左右, 這樣, 當輸入峰峰值為400 V 信號時, 由于存在100 倍的衰減, 調理以后的輸出信號仍然不超過采集電路的范圍。