简易数字控制存储示波器设计

荣 军，周 洋，李宏民，丁跃浇

(湖南理工学院 信息与通信工程学院，湖南 岳阳 414006)

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器，是一种有效的信号检测工具。常用示波器观察信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测量电压、电流、频率和相位差等。目前市面上出售的数字示波器因为价格高、操作繁琐和性价比不高。为此，本文设计了基于单片机AT89S52为双控制核心的简易存储示波器，可以实现对波形进行测量和存储的功能，具有设计简单和操作方便的优点，最重要的是成本不到2 000元，可以满足一般的实验要求，因此对降低高校实验室运行成本，满足所有学生实验要求具有重要意义。

1 示波器系统硬件的实现

在本设计中，数字存储示波器采用模块化设计思想，主要由控制模块、信号调理模块、触发测频模块、采样存储模块和时基步进模块等组成，系统总体结构如图1所示[1]。

图1 系统总体结构框图

系统工作过程简单描叙如下：被测信号经过信号调理模块后，进入触发测频模块和采集存储模块；进入触发测频的信号被送入到双核系统，完成频率的测量；进入采集存储模块的信号，在双核系统和时基步进模块的作用下，以数字量的形式高速存储起来；采样存储完成后，进行双机通信；单片机依次从采集存储模块中取出存储的数字量，数字量经过相关处理后，通过LCD显示信号的波形和参数。

1.1 双核控制器模块设计

简易存储示波器的核心是基于单片机AT89S52的数字控制器的设计，主体设计思路采用双核控制思想，也就是系统由两块单片机、按键和接口组成。双核控制系统框图如图2所示。在图2中单片机1主要负责对信号调理模块、采样存储模块、时基步进模块和触发测频模块进行控制，将信号转化为数字量存储到双口RAM中，同时将控制参数和频率数据传送给单片机2。单片机2主要负责将双口RAM中数字量取出，在预设功能的条件下进行处理，然后将信号波形和相关参数进行显示，同时与单片机1保持通信。两单片机采用UART串口通信方式，协同工作，缓解工作压力。此外，按键用来进行功能选择，各接口用来连接外围模块电路[2-3]。

图2 双核控制系统框图

1.2 信号调理模块设计

信号调理模块的功能是产生符合A/D转换条件的信号，由程控衰减电路、阻抗变换电路、程控放大电路和电平移位电路组成。信号调理模块设计采用模拟开关芯片，对放大倍数和衰减倍数进行控制。这样不但增强了电路的抗干扰能力，而且增强了系统的控制能力。程控衰减电路(见图3)对输入信号进行衰减，防止过高的电压烧坏芯片。电容C42在衰减器中起补偿作用，以改善频率响应和避免自激。本设计选用1和1/10两种衰减率。如果取R30+R35=1 MΩ，则R30=100 kΩ，R35=900 kΩ。选用模拟开关芯片SN74LV4052对衰减倍数进行控制，SN74LV4052是双路 4 通道模拟多路复用器/多路解复用器，引脚INT、A和B可以通过单片机控制[4]。

图3 衰减电路原理图

阻抗变换电路(见图4)的作用是提高负载能力和减少负载对信号源的影响，增加抗干扰的能力，同时增强对下一级电路的驱动能力[5]。

图4 阻抗变换电路原理图

图5 程控放大电路原理图

电平变换电路(见图6)的作用是把双极性的信号变为单极性。实现电平的转换的过程如下：信号从程控放大电路出来后，进入由U31A组成的放大倍数为-1的反相放大器，以此抵消第1级反相放大带来的负号；与此同时，U31B送来的反相基线电压将作为AD转换器的输入中点电压，叠加在被测信号上。可调电阻R33用来调节反相基线电压。

图6 电平变换电路原理图

1.3 采样存储模块设计

采样存储模块的功能是将信号以数字量的形式进行存储，由采样保持电路、A/D转换电路和双口RAM存储电路组成。该模块由单片机控制，实现数据的采集和存储。其中模拟开关TS12A4515和运算放大器OPA2652被用来实现采样保持功能，它们与A/D转换芯片MAX118一起工作，量化模拟信号，然后在计数器74HC4040的作用下，将量化的数据存入双口RAM。采样保持电路如图7所示，主要由阻抗变换、模拟开关和电容组成。信号经过阻抗变化电路后，进入可控模拟开关，对电容充电，之后模拟开关关闭。充电后的电容保持一定的电压，作为后一级阻抗变换的输入电压，并将最终进入A/D转换器。采样保持电路的作用是保持A/D转换器的输入电压不变。由于在进行模数转换时，系统需要一定的时间，因此为了保证转换的精确度，送给ADC的模拟量不能发生变化[8]。

1.4 时基模块设计

时基模块的功能是输出采样脉冲，由时基产生电路和步进延时电路组成。采用模拟开关，对输出脉冲的种类进行选择，时基模块框图如图8所示。

在图9所示的时基产生电路原理图中，SN74HC4060是带振荡器的高速 14 级二进制计数器。通过选择RT1，RT2和CT1的值，可以设置振荡频率，在本设计中，74HC4060相当于一个有源晶振。在单片机的控制下，使用多通道模拟选择开关，可以选择合适的时钟信号[9]。

图8 时基模块框图

图9 时基产生电路原理图

1.5 触发测频模块设计

触发测频模块由触发电路、整形电路和可编程分频器组成。输入信号通过处触发电路后，输出脉冲波形，此波形再经过施密特触发器整形后，进入可编程分频器，经过分频后的信号进入单片机，在单片机控制和处理的作用下，实现对信号的测频功能。其中触发电路的作用是将原始信号变成方波，便于处理器对信号的测量；整形电路的作用是去掉不好的毛刺和一些干扰信号，让信号波形更接近本设计所要求的波形；分频电路的作用是将方波信号进行分频，便于单片机对高频信号的测量。分频电路原理图如图10所示，在图10中的分频电路采用专门的可编程分频器芯片HD74HC294。该芯片4.5 V电源供电时，最大输入频率为21 MHz，伴随供电电源电压增加，最大输入频率增加，但是电压不能超过6 V，否则芯片烧坏；随着电源电压减少，最大输入频率也减少，但是不能够低于2 V，否则芯片不能工作[10]。

图10 分频电路原理图

2 程序设计

系统软件主程序由频率测量程序、数据采集程序和液晶显示程序等子程序组成。其中系统主程序的控制核心是由2片AT89S52的控制程序组成，其中单片机1的程序有幅度调节、测频和数据存储等子程序，单片机2的程序主要有数据读取、数据处理和波形显示等子程序[11]，主流程图如11所示。

3 实验结果及分析

3.1 系统调试

系统调试分为软件调试、硬件调试和联合调试3个过程。其中软件调试的过程分为以下几个步骤：第1步，建立源程序，依据流程图和相关算法，将系统程序用C语言编写；第2步，在计算机上使用Keil软件对系统程序进行编译，修改语法错误,然后对系统程序进行仿真；第3步，使用Keil软件动态在线调试功能。借助动态在线调试手段，如单步运行、设置断点等，并不断修改和完善，直到程序的运行结果和程序设计的结果相吻合为止。硬件调试首先对单个模块进行调试，在单个模块都没错误后再进行联合调试，完成最后的联调测试。

图11 主流程流程图

图12为本文设计的简易存储示波器实物图。

图12 简易存储示波器实物图

3.2 测试

联合调试成功后，对图12所示系统对标准信号进行了实际测试。选用HP33120A型函数信号发生器产生正弦波、三角波和方波，本文设计的数字示波器显示的正弦波形如图13所示(为省篇幅，三角波和方波实测波形未在本文中列出)。从实验结果可以看出，显示的波形没有明显失真，很好地重现了原信号，实现了简易示波器的功能，能够满足一般实验对波形的测量要求。

图13 正弦波实测波形

4 结论

本文设计了一个基于AT89S52单片机的简易数字控制存储示波器。本系统设计包括硬件电路设计和软件程序编写两个方面。设计步骤为：系统方案论证设计、模块化硬件设计、软件程序设计、硬件调试、系统调试以及系统联合调试。从本系统的实验结果可知，该简易示波器实现了简易示波器设计的功能，可以在高校电工电子实验室广泛推广，对降低实验室运行成本有积极的意义。

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