低頻手持示波表設(shè)計(jì)

摘 要:手持示波表是近年出現(xiàn)的一種新型的檢測儀表，是在數(shù)字存儲(chǔ)示波器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種體積小巧，便于攜帶的手持式“示波器”。手持示波表的出現(xiàn)給現(xiàn)場故障診斷提供一個(gè)實(shí)用的工具，可滿足機(jī)動(dòng)現(xiàn)場維護(hù)、后勤保障、工業(yè)生產(chǎn)以及教育系統(tǒng)等領(lǐng)域移動(dòng)測試的需求。與臺(tái)式的數(shù)字示波器相比，手持示波表具有輕巧、便攜等特性，可以滿足現(xiàn)場苛刻環(huán)境下的測量。

關(guān)鍵詞:手持示波表AVR單片機(jī)液晶模數(shù)轉(zhuǎn)換器

中圖分類號(hào):TM93文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)07(C)-0018-02

1 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用AVR ATmega16單片機(jī)做為主控機(jī)，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理、顯示控制等模塊。根據(jù)被測信號(hào)的不同，通過調(diào)整撥碼開關(guān)來改變系統(tǒng)的時(shí)基和衰減度。衰減電路采用電阻分壓的衰減方式，把被測信號(hào)衰減成±2.5V之間變化的電信號(hào)。衰減后的信號(hào)通過與DC 2.5V疊加，通過LM324組成一個(gè)加法器，整合成0～5V變化的信號(hào)。整合后的信號(hào)直接連接到單片機(jī)的PA0即單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道0(ADC0)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。最后用單片機(jī)把采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并通過SPI接口控制諾基亞3310液晶模塊顯示波形。其中，信號(hào)整合電路、諾基亞3310液晶顯示模塊和AVR ATmega16單片機(jī)是系統(tǒng)的主要組成部分。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1。

2 AVR ATmega16在系統(tǒng)中的應(yīng)用

本設(shè)計(jì)采用AVR ATmega16單片機(jī)做為主控機(jī)，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理、顯示控制等模塊。在本設(shè)計(jì)中單片機(jī)主要用到ADC、外部中斷、基本的I/O口、同步串行接口SPI(Serial Peripheral Interface)等功能模塊。

如圖1所示，該系統(tǒng)為單片機(jī)的基本系統(tǒng)，其中包括ISP編程接口協(xié)議、復(fù)位電路、外部中斷電路、SPI接口等。在整個(gè)系統(tǒng)中用到了ATmega16的外部中斷、A/D轉(zhuǎn)換和SPI串行接口等功能模塊。

2．1 外部中斷

外部中斷是由INT0和INT1引腳觸發(fā)的。需要注意的是，如果設(shè)置允許外部中斷產(chǎn)生，即使址INT0和INT1引腳設(shè)置為輸出方式，外部中斷也全觸發(fā)，這一特性提供了使用軟件產(chǎn)生中斷的途徑。外部中斷可選擇采用上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)以及低電平觸發(fā)。具體方式是由MCU控制寄存器MCUCR以及MCU控制和狀態(tài)寄存器MCUCSR決定。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)

ATmega16有一個(gè)10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以0V(GND)為基準(zhǔn)。器件還支持16路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入(ADC1、ADC0與ADC3、ADC2)有可編程增益級(jí)，在A/D轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供0dB(1x)、20dB(10x)或46dB(200x)的放大級(jí)。

3 軟件系統(tǒng)程序流程圖

如圖2所示，系統(tǒng)在程序開始運(yùn)行后，首先對(duì)單片機(jī)的各端口、模數(shù)轉(zhuǎn)換、SPI串行接口等功能模塊進(jìn)行初始化，然后通過一些判斷后用單片機(jī)內(nèi)部的ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在所要采樣的數(shù)據(jù)都完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后數(shù)據(jù)處理完成后用單片機(jī)的SPI串行接口對(duì)諾基亞3310液晶模塊傳輸數(shù)據(jù)控制液晶模塊顯示波形。完成顯示控制后，進(jìn)行下一輪的數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理、顯示控制就這樣一直工作下去直到關(guān)掉電源。

如圖2所示，數(shù)據(jù)采樣環(huán)節(jié)在工始時(shí)，先進(jìn)行初始化單片機(jī)內(nèi)部的ADC進(jìn)行初始化(ADC的通首、ADC時(shí)鐘分頻、數(shù)據(jù)對(duì)齊方式等進(jìn)行設(shè)定)。第一次先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并對(duì)A/D的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，看是不是設(shè)定的觸發(fā)電壓。若不是則進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)換，直到這個(gè)數(shù)據(jù)為設(shè)定值，并對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，然后判斷存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是否到達(dá)要求。若沒有達(dá)到要求就進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)的采樣，除了第一個(gè)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)要判斷是否為設(shè)定值，其它數(shù)據(jù)都不用判斷。當(dāng)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)采樣環(huán)節(jié)就結(jié)束，單片機(jī)進(jìn)行其他的工作。

4 系統(tǒng)硬件調(diào)試

本設(shè)計(jì)以ATmega16單片機(jī)為主控機(jī)，它具有技術(shù)成熟、性能可靠、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。系統(tǒng)硬件電路主要包括衰減電路、整合電路、主控制器電路及顯示電路等部分組成。在硬件調(diào)試中主要分為兩部分進(jìn)行調(diào)試與測試。

5 衰減電路與整合電路的調(diào)試

在本設(shè)計(jì)中，衰減電路與整合電路的主要是先用Multisim7進(jìn)行仿真，在仿真通過后再進(jìn)行電路的焊接和調(diào)試，其中整合電路就是一個(gè)同相加法器。衰減電路與整合電路的仿真電路如圖3所示。在被測信號(hào)的峰峰值為5V的交流信號(hào)時(shí)，電路的仿真結(jié)果(輸出波形)。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用ATmega16單片機(jī)做為主控機(jī)，LCD采用諾基亞3310液晶模塊。原理是被測信號(hào)通過衰減后，和一個(gè)DC 2.5V電壓與LM324組成一個(gè)整合電路。最后整合電路的輸出信號(hào)電壓范圍是在0～5V之間。然后用單片機(jī)的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)整合電路的輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到單片機(jī)的寄存器中。A/D轉(zhuǎn)換完成后，對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后用單片機(jī)的SPI接口傳輸波形數(shù)據(jù)，控制諾基亞3310液晶模塊顯示波形。目前市面上的手持示波表價(jià)格都偏高，當(dāng)然功能也強(qiáng)大，但對(duì)于一些實(shí)驗(yàn)或低頻的場合就顯得“奢侈”了。所以，本設(shè)計(jì)方案的選擇主要是從制作成本等方面考慮，也因此犧牲了一些性能和精度，但因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)主要是針對(duì)實(shí)驗(yàn)或一些低頻測量的場合，所以上述方案完全可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。

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