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06-17
摘要：提出了一种以PIC单片机为控制核心的简易数字示波器的设计。
介绍了系统总体设计的架构以及软硬件的具体实现。
输入信号经过预处理和AD转换后，传输到单片机。
通过键盘进行功能设置，波形在液晶屏上显示，实现信号实时采样、数据处理、显示控制等简单的数字示波器功能。
该系统方案规模小、性能稳定、易于实施、价格低廉，具有一定的实用价值。
关键词：PIC；微控制器；数字示波器； AD转换；采样 0 简介 数字示波器是工业控制、电子测量、信号处理和仪器仪表行业最常用的测量仪器之一。
它将捕获的模拟信号通过AD转换并存储在示波器中。
对信号进行一步处理后，即可得到被测信号的各种信号参数，如频率、幅度、前后沿时间、平均值等，有利于产品的进一步分析和设计。
1 总体设计 表征示波器的一些关键技术指标有：采样率、存储容量、触发类型、带宽、分辨率等。
采样率定义了从连续信号中提取并组成的样本数量。
每秒一个离散信号。
采样率的倒数就是采样周期，代表采样之间的时间间隔。
采样率可分为实时采样率和等效采样率。
实时采样率是指单次采样能够达到的最大采样率，等效采样率是指利用多次采样得到的信号对信号进行重构。
存储容量是指采集波形的采样点数。
记录时间、采样率和存储深度之间的关系用直接存储AD转换数据的采集存储器的存储单元数来表示。
示波器的存储容量越大，其采样数据的能力以及捕获经常偶尔发生的信号（例如毛刺）的能力就越大。
常见的触发类型包括上升沿触发和下降沿触发，即通过指定的极性和电压电平识别波形来触发。
设置合适的触发电平后，触发电路开始捕捉触发脉冲，完成数据采集。
显示波形以信号的某个上升沿或某个下降沿为触发参考点。
作用是保证每次采集的数据都是以输入信号上精确确定的点为参考点进行显示，有利于波形的重复稳定显示。
如果没有触发电路，屏幕上看到的就会很乱。
波形。
分辨率分为垂直（电压）分辨率和水平（时间）分辨率，反映了信号波形的详细特征。
AD 转换器通过将采样电压与参考电压进行比较来确定采样电压的幅度。
用于形成 AD 转换器的比较器越多，AD 转换器可以识别的电压电平就越多。
此功能称为垂直分辨率。
垂直分辨率越高，示波器上的波形中可以看到的信号细节就越多。
小的。
本系统将采集到的模拟信号经过AD转换后转换为数字量，利用单片机对数据进行处理和存储，转换成相应的X、Y坐标值和LCD的显示值????。
它可以使用微控制器和 FPGA/CPLD 来实现。
FPGA/CPLD完成采集、存储、显示、AD/DA等功能。
即FPGA/CPLD实现人机交互、信号测量分析等功能。
由于硬件限制，系统实现由PIC单片机、AD转换器、液晶模块等组成。
单片机完成基本的处理和分析，包括信号采集、存储、显示等控制和转换工作。
该方法的优点是系统规模相对较小，实现灵活，但不适合观测高速信号或复杂信号。
架构图如图1所示。
2硬件设计 硬件电路由七部分组成：输入程控放大电路、采样电路（高速AD转换电路）、FIFO存储电路、触发电路、显示控制电路、时钟发生电路和频率测控电路。
其中，程控放大电路、采样电路和显示控制电路是三个主要部分。
程控电路通过比例缩放将波形幅度显示在屏幕上，然后在其周围添加标尺标记，将波形调整到合适的采集范围。
采样电路负责采集。
其核心是AD转换器。
采样信号经过AD转换器传输到单片机，由单片机和显示控制电路进行处理。
显示控制电路负责将被测信号的波形以所需的形式显示出来。
2.1 程控电路设计 程控电路的作用是对输入信号进行衰减或放大，使输出信号电压在AD转换器的输入电压要求范围内，以达到最佳测量效果以及观察效果。
这就要求运算放大器的增益必须在规定的带宽内平坦。
选用NSC公司生产的LM运算放大器，带宽为MHz，转换速率为v/μs。
图2是部分可编程电路的原理图。
2.2 采样电路设计 AD转换电路对被测信号进行采样，转换为数字信号并存储在存储器中。
它直接决定了数字示波器可以测量的最高频率。
本电路选用8位高速AD转换器ADSE，采样频率为10kSa/s~60MSa/s。
ADSE 在每个时钟周期执行一次 DA 转换。
采样率就是时钟频率。
通过控制采样时钟可以轻松控制采样率。
此外，ADSE的输入电压幅值可以编程和控制。
RSEL 引脚是控制引脚。
引脚，设置为高电平时，ADSE的输入电压范围为1.5~3.5V，即2Vpp；设置为低电平时，输入电压范围为2~3V，即1Vpp。
经程控放大电路调整后的信号分为两路，其中一路进入AD转换电路进行采样。
采样数据由74LVC锁存器缓冲，然后发送到FIFO存储器。
在AD转换器和PIC单片机之间添加FIFO的作用是充当高速数据缓冲区。
由于AD转换器的最大工作频率为60MHz，远高于单片机的工作频率，因此FIFO和AD转换器可以同步工作。
存储AD转换器的转换输出数据。
当 FIFO 存储器满时，该引脚被拉高，通知单片机读取数据。
此时，单片机禁用AD转换器和FIFO存储器的时钟使能信号，并将FIFO的控制权交给单片机。
2.3 显示控制电路设计 显示的核心是LCD将点放置在不同的坐标位置，许多点连接在一起形成图形。
前面提到，由于PIC单片机读取数据的速度跟不上高速采样率，所以在接收中存在缓存部分。
这里使用了 FIFO 存储器。
FIFO的特点是速度快、双端口、输入输出分离，并有空和满标志。
它可以从一端读取??数据，而不需要使AD转换器和PIC共用一个I/O端口，这对于数据处理来说非常方便。
PIC单片机显示采集到的数据的过程是首先判断FIFO是否已满，确认采集到足够的数据用于显示，然后清除屏幕上现有的图像，然后判断数据是否在规定范围内。
屏幕上显示的范围。
，如果超出范围，则合理组合两组数据，得到屏幕显示的数据，并通过调用显示函数进行显示。
后续的数据只需读出一组，并与前面的数据进行计算处理后显示出来，即可绘制出连续的波形。
显示器采用键盘按键控制，键盘电路采用6个信号接口控制24个按键，大大节省了单片机控制所用的I/O端口。
键盘的24个键分为3组，每组对应一个s，即3/8解码器。
当按下某个键时，其中一个键被设置为低电平。
s 有三个端口。
D0、D1、D2，这三个端口可以指示按下的是哪个键。
如果Y1检测电平拉低，则D0、D1、D2对应是。
图3是键盘控制电路图。
3 软件设计 软件部分由AD转换子程序、显示子程序、读写子程序、按键处理子程序组成。
图4是完整的采样过程的流程图。
上电初始化后，主程序等待信号采集并查询AD转换是否完成。
AD转换完成后，数据被写入FIFO存储器。
当 FIFO 存储器满时，FIFO 满标志触发微控制器读取数据。
程序将采样数据读入单片机，根据之前按钮状态设置的功能寄存器内容对数据进行处理，并在LCD上显示所需的波形。
AD转换程序在一定的采样时间内对输入的模拟信号进行采样。
定时器周期性地产生中断。
当采样中断到来时，AD转换开始。
AD转换完成后，数据存储在指定区域。
通过控制定时器的时间，可以控制不同的采样率，从而实现不同频段数据的采集。
由于AD转换时间的限制，无法采集高频信号波形。
为此，使用等效采样模式。
等效采样是指对多个信号周期进行连续采样以再现信号波形。
采样系统可以以扩展的方式再现。
频率大大超过奈奎斯特极限频率的信号波形。
显示子程序将转换后的数字信号显示在LCD上的相应点上。
横轴显示电阻时间，纵轴显示电压值。
首先计算出某个数字量在横轴上要显示的位置，然后根据数字量的大小计算出在纵轴上的位置，从而在显示器上显示出该数字量对应的点。
采集到的点按顺序显示出来后，屏幕上看到的就是信号的波形。
读写子程序的作用是存储你想要存储的信号波形，以便以后查看波形详细信息。
按键处理子程序的功能主要是根据不同的输入选择不同的功能。
使用行和列扫描来扫描按键。
当按下扫描的键时，执行相应的功能。
4 结论 本系统设计简单明了，充分利用单片机内部资源，实现了普通示波器的信号测量、频率测量、可调触发电平、可变垂直等普通示波器的基本功能和扫描文件等，同时还扩展了关键波形存储、单次触发等功能，可用于仪器中实时显示动态波形，具有良好的用户体验。
如果选择性能更好的模拟开关、运算放大器以及更合理的电阻，可以提高信号调理电路的放大精度，增大测量幅度范围。
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