基于單片機的簡易數字存儲示波器設計

關鍵詞：單片機；數字存儲示波器；模數轉換器；波形顯示；用戶交互

中圖分類號：TM935.37；TP311.52 文獻標識碼：A

0 引言

隨著電子技術的飛速發展，示波器作為電子測量領域中的重要工具，其使用性能也在不斷提升，傳統模擬示波器因其固有的局限性，如精度低、存儲能力有限等，已逐漸被數字存儲示波器所取代。數字存儲示波器憑借其高精度、強數據處理能力和便捷的用戶界面，成為現代電子工程師不可或缺的工具。然而，市場上數字存儲示波器價格昂貴，對于預算有限的機構來說，購置成本較高。因此，開發一種成本低廉、功能實用的簡易數字存儲示波器，對于全面普及電子測量技術具有重要意義。基于此，本文旨在設計一款基于單片機的簡易數字存儲示波器，利用單片機自身特點來實現電信號采集和處理，有效滿足基本的波形觀測需求，其還具備較強的數據存儲和分析功能，以適應不同應用場景的需求。

1 數字存儲示波器的架構

數字存儲示波器是一種用于捕捉電信號的儀器，數字存儲示波器架構如圖1 所示。AT89S52 單片機是該數字存儲示波器的控制核心，具有較強的處理能力和豐富的外設接口，負責協調各個模塊的工作、處理用戶輸入、控制數據流。預處理電路包括阻抗變換、程控放大、信號調節等環節，負責對電流信號進行有效處理，提高信號質量。模擬數字（analog to digital，A/D）數據采集電路負責將模擬信號/ 相關時鐘、控制邏輯電路轉換為數字信號，便于單片機進行信號處理。帶電可擦寫可編程只讀存儲器（electrically erasable programmable read onlymemory，EEPROM）負責存儲收集的數據，其具有非易失性、可反復擦寫等特點。在功能鍵盤作用下，用戶可以通過輸入包括各種設置、觸發條件、測量參數等內容，從而控制數字存儲示波器的工作狀態。液晶顯示（liquid crystal display，LCD）電路的主要功能是顯示采集的信號波形和測量結果，其特點是功耗低、清晰度高。電源部分涉及穩壓電路、濾波電路等，為整個數字存儲示波器提供所需的電能，以保證系統的穩定運行。

2 硬件設計

2.1 單片機

傳統模擬示波器在信號處理和存儲上存在局限性，而數字存儲示波器則可以提供較高的精度。本文設計的簡易數字存儲示波器采用AT89S52 單片機作為主控芯片，負責控制A/D 轉換器、數據存儲、LCD 顯示等功能。A/D 轉換器可以將輸入的模擬信號轉換為數字信號，供單片機處理。AT89S52 是一款低功耗、高性能的8 位互補金屬氧化物半導體（complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS）微控制器，具有8 kB 的可編程Flash 存儲器，負責提供輸入/ 輸出（input/output，I/O）端口和定時器/ 計數器，便于工作人員進行數據處理。通過選擇ADC0809 轉換器，采用8 位8 通道模數轉換器，可以滿足基本的信號采集需求；采用AT24C×× 系列EEPROM，其具有2 kB 的存儲容量，支持集成電路總線（inter-integrated circuit，I2C）通信，便于與單片機進行數據交互；選擇1602 字符型LCD顯示屏，設置字符顯示能力為16×2，以清楚顯示波形數據。在實際運行過程中，模擬信號通過輸入端進入A/D 轉換器，A/D 轉換器在單片機控制下，將模擬信號轉換為數字信號，轉換后的數字信號被存儲在EEPROM 中。單片機從EEPROM 中讀取數據，并在LCD 顯示屏上展示模擬信號的波形。通過A/D 轉換器、EEPROM 和LCD 顯示屏的配合，實現了模擬信號的數字化存儲和顯示，本文設計的簡易數字存儲示波器結構簡單、成本低廉，能夠進行基礎電子測量應用[1]。

2.2 信號調理

由于示波器觀察信號通常為正負電壓信號，而ADC0809 為單極性參考電壓，為了采集信號負電壓，需利用信號調理電路，將信號疊加在直流量上，使負電壓部分信號提高到零電平以上。因此，在實際電路調理過程中，假設輸入信號的范圍為-10～10 V，為了使信號適合ADC0809的0 ～5 V 輸入電壓范圍，需要對信號進行適當的放大和偏移，這可通過設計一個運算放大器（operationalamplifier，OPA）電路進行實現。例如，將信號放大到-2.5～2.5 V，需要使信號偏移到0～5 V。這種信號調理電路可以有效確保信號轉換的準確性，提高數字存儲示波器性能。在實際應用中，根據具體的輸入信號范圍和模擬A/D 轉換器的要求，調整放大倍數和偏移電壓，以達到最佳的信號調理效果[2]，如圖2所示。

2.3 程控放大電路

采用模擬開關CD4051 進行信道選擇的程控放大電路設計，多擋位垂直分辨率調節的運算放大器OPA842 可以利用精密的電位器實現信號放大。系統控制核心為AT89S52 單片機，通過寄存器模塊設置通道號碼，以靈活處理信號。在這樣的設計中，CD4051 用于選擇不同的輸入信號通道，通過單片機控制實現其通道選擇引腳A、B、C；OPA842 的主要功能是對選定的輸入信號進行放大和增益調節，使信號能夠通過外接電阻網絡。通過對OPA842 反饋電阻進行精密的電位器調節、對運算放大器進行增益改變、對單片機控制的電位器進行科學的調整，使增益變化范圍在數倍到數百倍之間，從而達到自由調節垂直分辨率的目的。作為控制核心的AT89S52 負責控制CD4051 的選道和精確電位器的調校。CD4051 通道選擇通過AT89S52的I/O 端口設置精密電位器的調節寄存器，并利用相應控制程序，根據用戶輸入或自動偵測的信號特性，動態設置信道編號和增益值。

3 軟件設計

3.1 A/D轉換部分

在簡易數字存儲示波器軟件設計中，A/D 轉換部分是核心環節，通過使用定時器觸發ADC0809 的轉換過程，定時器時間間隔設定為2 μs，計算得到采樣頻率為500 kHz，有效滿足大部分常規信號的采樣需求，增強信號的實時性。在程序設計時，配置定時器以產生2 μs 的中斷來設置定時器的計數值和預分頻器，確保定時器精確每2 μs 能夠產生一次中斷。在中斷服務程序中，初始化ADC0809，這包括設置輸入通道、啟動轉換等。當ADC0809 完成一次轉換后，在中斷服務程序中讀取轉換結果并進行必要的處理，如數據緩存、顯示和進一步信號處理。為了確保系統的實時性，需要加強中斷服務程序的簡潔性，避免在中斷服務程序中執行耗時的操作[3]。

3.2 鍵盤掃描部分

在簡易數字存儲示波器軟件設計中，鍵盤掃描部分直接影響用戶對波形操作的便捷性，其具體設計如下：①按鍵功能設計。通過設定按鍵，以控制波形的運行與停止，當用戶按下按鍵時，波形會在運行狀態和停止狀態之間切換。此外，還設定4 個按鍵來改變波形的尺寸，這些按鍵分別用于調整波形的幅值和時間軸。②參數調整機制設計。通過特定的按鍵，用戶可以增加波形的幅值，改變波長大小。同樣，通過另外的按鍵，用戶科學調整時間軸大小，每次按鍵操作，調整時間軸參數。當微控制單元（microcontroller unit，MCU）檢測到按鍵被按下時，會立即響應并更新相應的參數值，這些參數的改變會實時反映在波形顯示上，從而實現波形尺寸的動態調整。在軟件層面，鍵盤掃描部分設置按鍵的輸入模式、配置中斷或輪詢機制，定期檢測按鍵狀態，結合按鍵狀態更新波形參數，再將更新后的波形參數應用到顯示模塊，以實時更新波形[4]。

3.3 LCD顯示部分

當A/D 轉換器開始工作并產生第一個數字信號時，該信號對應的點被排在LCD 顯示的第一列，確定該點的橫軸位置，即時間軸上的起始點。橫軸位置的確定主要取決于采樣頻率，因為采樣頻率是固定的，所以每個點之間的時間間隔是相同的。縱軸位置的確定則依賴于數字信號，數字信號通過比例換算過程，映射到LCD 顯示的垂直范圍上，將信號幅度準確地反映在顯示屏幕上，從而使用戶能夠直接觀察信號的波動情況[5]。隨著A/D 轉換器的繼續工作，產生的下一個數據點會被排在第二列，再下一個點排在第三列，這種排列方式保證信號的連續性和時間順序，使用戶能夠得到信號隨時間變化的趨勢。但值得注意的是，在軟件實現上，每個點之間的時間間隔一致，將信號幅度映射到LCD的垂直范圍，需實時更新LCD 顯示，以直接反映最新的信號變化[6]。

4結語

綜上，本文深入探討了簡易數字存儲示波器的設計與實現。通過對現有技術的分析和用戶需求的調研，設計一套操作簡便的軟件系統，旨在為用戶提供可靠的測試工具。未來，將繼續關注電子技術的發展和用戶的需求，不斷推進軟件的更新和升級，以適應更加廣泛的應用場景。