基于单片机的简易数字存储示波器设计

关键词：单片机；数字存储示波器；模数转换器；波形显示；用户交互

中图分类号：TM935.37；TP311.52 文献标识码：A

0 引言

随着电子技术的飞速发展，示波器作为电子测量领域中的重要工具，其使用性能也在不断提升，传统模拟示波器因其固有的局限性，如精度低、存储能力有限等，已逐渐被数字存储示波器所取代。数字存储示波器凭借其高精度、强数据处理能力和便捷的用户界面，成为现代电子工程师不可或缺的工具。然而，市场上数字存储示波器价格昂贵，对于预算有限的机构来说，购置成本较高。因此，开发一种成本低廉、功能实用的简易数字存储示波器，对于全面普及电子测量技术具有重要意义。基于此，本文旨在设计一款基于单片机的简易数字存储示波器，利用单片机自身特点来实现电信号采集和处理，有效满足基本的波形观测需求，其还具备较强的数据存储和分析功能，以适应不同应用场景的需求。

1 数字存储示波器的架构

数字存储示波器是一种用于捕捉电信号的仪器，数字存储示波器架构如图1 所示。AT89S52 单片机是该数字存储示波器的控制核心，具有较强的处理能力和丰富的外设接口，负责协调各个模块的工作、处理用户输入、控制数据流。预处理电路包括阻抗变换、程控放大、信号调节等环节，负责对电流信号进行有效处理，提高信号质量。模拟数字（analog to digital，A/D）数据采集电路负责将模拟信号/ 相关时钟、控制逻辑电路转换为数字信号，便于单片机进行信号处理。带电可擦写可编程只读存储器（electrically erasable programmable read onlymemory，EEPROM）负责存储收集的数据，其具有非易失性、可反复擦写等特点。在功能键盘作用下，用户可以通过输入包括各种设置、触发条件、测量参数等内容，从而控制数字存储示波器的工作状态。液晶显示（liquid crystal display，LCD）电路的主要功能是显示采集的信号波形和测量结果，其特点是功耗低、清晰度高。电源部分涉及稳压电路、滤波电路等，为整个数字存储示波器提供所需的电能，以保证系统的稳定运行。

2 硬件设计

2.1 单片机

传统模拟示波器在信号处理和存储上存在局限性，而数字存储示波器则可以提供较高的精度。本文设计的简易数字存储示波器采用AT89S52 单片机作为主控芯片，负责控制A/D 转换器、数据存储、LCD 显示等功能。A/D 转换器可以将输入的模拟信号转换为数字信号，供单片机处理。AT89S52 是一款低功耗、高性能的8 位互补金属氧化物半导体（complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS）微控制器，具有8 kB 的可编程Flash 存储器，负责提供输入/ 输出（input/output，I/O）端口和定时器/ 计数器，便于工作人员进行数据处理。通过选择ADC0809 转换器，采用8 位8 通道模数转换器，可以满足基本的信号采集需求；采用AT24C×× 系列EEPROM，其具有2 kB 的存储容量，支持集成电路总线（inter-integrated circuit，I2C）通信，便于与单片机进行数据交互；选择1602 字符型LCD显示屏，设置字符显示能力为16×2，以清楚显示波形数据。在实际运行过程中，模拟信号通过输入端进入A/D 转换器，A/D 转换器在单片机控制下，将模拟信号转换为数字信号，转换后的数字信号被存储在EEPROM 中。单片机从EEPROM 中读取数据，并在LCD 显示屏上展示模拟信号的波形。通过A/D 转换器、EEPROM 和LCD 显示屏的配合，实现了模拟信号的数字化存储和显示，本文设计的简易数字存储示波器结构简单、成本低廉，能够进行基础电子测量应用[1]。

2.2 信号调理

由于示波器观察信号通常为正负电压信号，而ADC0809 为单极性参考电压，为了采集信号负电压，需利用信号调理电路，将信号叠加在直流量上，使负电压部分信号提高到零电平以上。因此，在实际电路调理过程中，假设输入信号的范围为-10～10 V，为了使信号适合ADC0809的0 ～5 V 输入电压范围，需要对信号进行适当的放大和偏移，这可通过设计一个运算放大器（operationalamplifier，OPA）电路进行实现。例如，将信号放大到-2.5～2.5 V，需要使信号偏移到0～5 V。这种信号调理电路可以有效确保信号转换的准确性，提高数字存储示波器性能。在实际应用中，根据具体的输入信号范围和模拟A/D 转换器的要求，调整放大倍数和偏移电压，以达到最佳的信号调理效果[2]，如图2所示。

2.3 程控放大电路

采用模拟开关CD4051 进行信道选择的程控放大电路设计，多挡位垂直分辨率调节的运算放大器OPA842 可以利用精密的电位器实现信号放大。系统控制核心为AT89S52 单片机，通过寄存器模块设置通道号码，以灵活处理信号。在这样的设计中，CD4051 用于选择不同的输入信号通道，通过单片机控制实现其通道选择引脚A、B、C；OPA842 的主要功能是对选定的输入信号进行放大和增益调节，使信号能够通过外接电阻网络。通过对OPA842 反馈电阻进行精密的电位器调节、对运算放大器进行增益改变、对单片机控制的电位器进行科学的调整，使增益变化范围在数倍到数百倍之间，从而达到自由调节垂直分辨率的目的。作为控制核心的AT89S52 负责控制CD4051 的选道和精确电位器的调校。CD4051 通道选择通过AT89S52的I/O 端口设置精密电位器的调节寄存器，并利用相应控制程序，根据用户输入或自动侦测的信号特性，动态设置信道编号和增益值。

3 软件设计

3.1 A/D转换部分

在简易数字存储示波器软件设计中，A/D 转换部分是核心环节，通过使用定时器触发ADC0809 的转换过程，定时器时间间隔设定为2 μs，计算得到采样频率为500 kHz，有效满足大部分常规信号的采样需求，增强信号的实时性。在程序设计时，配置定时器以产生2 μs 的中断来设置定时器的计数值和预分频器，确保定时器精确每2 μs 能够产生一次中断。在中断服务程序中，初始化ADC0809，这包括设置输入通道、启动转换等。当ADC0809 完成一次转换后，在中断服务程序中读取转换结果并进行必要的处理，如数据缓存、显示和进一步信号处理。为了确保系统的实时性，需要加强中断服务程序的简洁性，避免在中断服务程序中执行耗时的操作[3]。

3.2 键盘扫描部分

在简易数字存储示波器软件设计中，键盘扫描部分直接影响用户对波形操作的便捷性，其具体设计如下：①按键功能设计。通过设定按键，以控制波形的运行与停止，当用户按下按键时，波形会在运行状态和停止状态之间切换。此外，还设定4 个按键来改变波形的尺寸，这些按键分别用于调整波形的幅值和时间轴。②参数调整机制设计。通过特定的按键，用户可以增加波形的幅值，改变波长大小。同样，通过另外的按键，用户科学调整时间轴大小，每次按键操作，调整时间轴参数。当微控制单元（microcontroller unit，MCU）检测到按键被按下时，会立即响应并更新相应的参数值，这些参数的改变会实时反映在波形显示上，从而实现波形尺寸的动态调整。在软件层面，键盘扫描部分设置按键的输入模式、配置中断或轮询机制，定期检测按键状态，结合按键状态更新波形参数，再将更新后的波形参数应用到显示模块，以实时更新波形[4]。

3.3 LCD显示部分

当A/D 转换器开始工作并产生第一个数字信号时，该信号对应的点被排在LCD 显示的第一列，确定该点的横轴位置，即时间轴上的起始点。横轴位置的确定主要取决于采样频率，因为采样频率是固定的，所以每个点之间的时间间隔是相同的。纵轴位置的确定则依赖于数字信号，数字信号通过比例换算过程，映射到LCD 显示的垂直范围上，将信号幅度准确地反映在显示屏幕上，从而使用户能够直接观察信号的波动情况[5]。随着A/D 转换器的继续工作，产生的下一个数据点会被排在第二列，再下一个点排在第三列，这种排列方式保证信号的连续性和时间顺序，使用户能够得到信号随时间变化的趋势。但值得注意的是，在软件实现上，每个点之间的时间间隔一致，将信号幅度映射到LCD的垂直范围，需实时更新LCD 显示，以直接反映最新的信号变化[6]。

4结语

综上，本文深入探讨了简易数字存储示波器的设计与实现。通过对现有技术的分析和用户需求的调研，设计一套操作简便的软件系统，旨在为用户提供可靠的测试工具。未来，将继续关注电子技术的发展和用户的需求，不断推进软件的更新和升级，以适应更加广泛的应用场景。