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简单易制的手持式数字示波器

作者:dolphin时间:2016-09-21

  下面介绍的这款数字示波器是采用4节电池供电,体积与万用表相仿,虽然采样速率不高,但在用于低频信号的测量时效果很好,而且具有波形记忆功能。增加了一个高速A/D转换芯片,便可将采样速率提高到5MB,使模拟带宽达到0.5MB,可以满足制作的需求。
  
  一、性能指标
  
  1.工作电压,DC5V
  
  2.采样速率:1Oksps
  
  3.A/D分辨率:1Obit
  
  4.采样时间:0.1μs~1OOμs
  
  5.输入电压范围:±1.25V,±2.5V,±12.5V和±25V可调
  
  6.输入耦合:AC/DC可选
  
  7.输入阻抗:1MΩ
  
  8.触发方式:自动、上升沿和下降沿
  
  9.触发电平可调
  
  10.具有波形冻结键\背光灯开\关控制键
  
  二、电路原理
  
  电路见下图。

手持式数字示波器电路原理图


  
  1.采用AVRAtmega32-8单片机  
  
  采用AAtmega32-8单片机,其内部有32kB字节的Flash、1kB字节的EEPROM、2kB字节的SRAM,具有JTAG调试接口,8路10位ADC,工作于8MHz时性能高达8MIPS,只需两个  时钟周期的硬件乘法器。液晶屏为128×64点,1OO×64个点用于波形显示,28×64个点用于显示测量值的一些设定参数。
  
  2.输入电路
  
  输入电路由四运放LM324、U5等组成。U5A和U5B组成1:1输入回路,来自J5的输入信号经交、直流选择电路(继电器LS1)送至U5A的同相端缓冲,以提高输入阻抗,然后送至U5B的同相端,与2.5V的基准电压相加,使得当输入信号为-2.5V~+2.5V时,U5B的输出为0~5V,以适应单片机A/D转换模块对输入信号的电压范围的要求。U5D和U5C组成1:10输入回路,该部分电路与1:1输入回路不同之处只是在输入端对信号进行了衰减,其工作原理完全相同。
  
  上述两路经过处理后的信号(1x、1Ox)分别送到单片机的ADCO和ADC1,单片机首先根据用户设定的电压测量范围(通过按键BT3、BT4)选择对应的A/D转换通道:当测暴范围设定在±2.5V以内时,选通ADCO;当测量范围设定为±25V时选通ADC1。而±1.25V和±12.5V量程由处理则由软件实现:单片机的(23)脚控制U5A的同相端,当量程超过±2.5V时,除了选通ADC1外,单片机还将(23)脚置为低电平,强行将USB的输出拉低,以防止因ADCO的输入电压过高而影响ADC1的测量结果。
  
  3.采样及显示电路
  
  以单片机U1为核心的电路完成采样、计算和显示功能。单片机通过PB和PD口控制l28x64点阵液晶显示模块GMl26401。GMl26401内部的控制器是KSOlO8,对于其他型号的 LCD,只要其内部控制器是KSOlO8且引脚排列与 GMl26401 相同都可以直接代用。单片机A/D 转换器的参考电压5V 由两只LM385-2.5 串联提供。而输入电路所需的2.5V基准电压则从两只M385-25 串联的中间点引出。
  
  4. 电源电路  
  
  运放LM324需要 ±8V 的电源。为了能直接用 4节电池为系统供电,这里用了一片MAX232。MAX232主要用在RS232通讯上进行电平转换,用在此处有两个作用,一是作为 S232接口,可以通过其将来得的数据送到微机进行进一步处理;二是从其(2)脚 V+和(6)脚V-取出电压信号,经过一级LC滤波(电路中的 L1、L2 也可用 30Ω的电阻代替),为 LM324提 供 ±8V左右的电源电压。其中+8V电源V+还要为两只LM385 产生 5V 电压基准供电。由于LM324 和 LM385 的工作电流均低于1mA,故不会影响MAX232芯片的正常工作。
  
  5. 键盘电路
  
  
  单片机的 7 个 I/0 口 PA2~PA7PCO加上 12只按键组成3x4 的键盘各按键定义如下:
  
  BT1、BT2:改变采样速率+、-;
  
  BT3、BT4:改变测量电压量程+、-;
  
  BT5、BT6:改变触发电平+、-;?
  
  BT7:触发方式选择,可选三种方式,上升沿(RISE)、下降沿(FALL)和自动 (OFF);
  
  BT8:波形冻结;
  
  BT9:交、直流(AC/DC)耦合转换,
  
  BTIO:背光灯开/关控制;
  
  BT111、BTl2:未用。

  三、程序设计
  
  1.LCD基本控制函数
  
  关于LCD基本控制函数的编写,请查阅相关文档。需要说明的是英文显示采用3x5点阵自定义小字体,为了能在有限的空间内显示更多的参数。
  
  2.LCD初始化
  
  此程序将固定显示的文本填入LCD的相应位置,绘制网格。
  
  3.采样及显示刷新
  
  为了使显示的波形比较稳定,需要使之与输入信号同步。根据设定的触发方式,找到采样的起始点,方法见图2。每次从起始点开始,根据设定的采样速率,采集100个数据点,先擦除上次绘制的点,然后再绘制本次的采样点,并将相邻点连接起来,完成采样波形的一次显示刷新。
  
  4.计算频率
  
  采用计算过零点的间隔时间的方法计算频率。过零点是输入信号等于触发电平的点,输入信号连续的两个上升沿(或下降沿)通过零点之间的时间的倒数就是输入信号的频率(下图),时间由设定的采样速率而定。


  
  5.峰一峰值、最大值、最小值、平均值
  
  上述各值可从采样的数据中得出。
  
  四、焊接调试
  
  印制电路板如下图所示。先焊跳线,再焊其他元件,最后焊液晶屏插座。插座焊在电路板的铜线面,将插座的引脚折弯90度,直接贴在电路板的焊脚上焊。按键板上的J4也要焊在铜线面上,要用水平安装的插座,否则由于是单面板,无法焊接。在单片机的(23)脚与LM324的(3)脚间还有一根飞线。全部焊完后,接通电源,LCD应有显示,调节VR1,使对比度合适。

印制电路板


  
  五、使用方法
  
  该示波器制作好后如上图所示,其显示界面如下图所示,根据输入信号的大小,接BT3和BT4选择合适的量程。当波形显示不稳定时,按BT5和BT6调节触发电平或按BT7埠择触发方式可使波形同步。按BT8,可暂停测量,当前的波形被冻结,松开按键BT8测量继续。


  



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