基于PIC單片機的簡易數(shù)字示波器設計

摘要：提出了利用PIC單片機作為控制核心的簡易數(shù)字示波器的設計方案。介紹了系統(tǒng)總體設計的體系結構，以及硬件和軟件的具體實現(xiàn)。輸入信號經(jīng)過預處理租AD轉換后，傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/單片機">單片機，利用鍵盤做功能設置，在LCD上把波形顯示出來，實現(xiàn)信號的實時采樣、數(shù)據(jù)處理以及顯示控制等簡易數(shù)字示波器功能。此系統(tǒng)方案規(guī)模小、性能穩(wěn)定、實現(xiàn)方便、價格低廉，具有一定的實用價值。
關鍵詞：PIC；單片機；數(shù)字示波器；AD轉換；采樣

0 引言
數(shù)字示波器是工業(yè)控制、電子測量、信號處理及儀器儀表等行業(yè)最常用的測量儀器之一。它將捕捉到的模擬信號通過AD轉換后，存儲到示波器中，對信號作一步的處理，可以獲得被測信號的多種信號參數(shù)，如頻率、幅值、前后沿時間、平均值等，有利于對產(chǎn)品作進一步的分析設計。

1 總體設計
表征示波器的一些關鍵技術指標有：采樣率、存儲容量、觸發(fā)類型、帶寬、分辨率等。采樣率定義了每秒從連續(xù)信號中提取并組成離散信號的采樣個數(shù)，采樣率的倒數(shù)是采樣周期，它表示采樣之間的時間間隔。采樣率可分為實時采樣率和等效采樣率，實時采樣率指單次采樣所能達到的最大采樣率，等效采樣率指用多次采樣得到的信號共同完成信號的重建。
存儲容量指獲取波形的取樣點的數(shù)目，用直接存放AD轉換后數(shù)據(jù)的獲取存儲器的存儲單元數(shù)來表示記錄時間、取樣速率以及存儲深度三者之間的關系。示波器的存儲容量越大，采樣數(shù)據(jù)的能力越強，更善于捕獲像毛刺這類通常偶爾發(fā)生的信號。
觸發(fā)常見的類型有上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)，即通過指定的極性和電壓電平識別波形的觸發(fā)，設定一個適當?shù)挠|發(fā)電平以后，觸發(fā)電路開始捕捉觸發(fā)脈沖，完成數(shù)據(jù)采集。顯示出來的波形是以信號的某個上升沿或某個下降沿為觸發(fā)參考點的。作用是保證每次采集的數(shù)據(jù)，都是從輸入信號上的一個精確確定的點作為參考點來顯示，有利于顯示波形重復且穩(wěn)定，如果沒有觸發(fā)電路，在屏幕上看到的將是雜亂無章的波形。
分辨率分為垂直(電壓)分辨率和水平(時間)分辨率，反映了信號波形的細節(jié)特性。AD轉換器通過把采樣電壓和參考電壓進行比較來確定采樣電壓的幅度。構成AD轉換器所用的比較器越多，AD轉換器可以識別的電壓層次也越多，這個特性稱為垂直分辨率，垂直分辨率越高，則示波器上的波形中可以看到的信號細節(jié)越小。
本系統(tǒng)將采集到的模擬信號經(jīng)過AD轉換后變成數(shù)字量，利用單片機進行數(shù)據(jù)的處理儲存，轉換成LCD相應的X、Y坐標值和顯示數(shù)值?？梢圆捎脝纹瑱C和FPGA／CPLD的方式實現(xiàn)，由FPGA／CPLD完成采集、存儲、顯示及AD／DA等功能，即由FPGA／CPLD實現(xiàn)人機交互及信號測量分析等功能。由于 硬件的限制，系統(tǒng)的實現(xiàn)由PIC單片機、AD轉換器、LCD模塊等組成，由單片機完成基本處理分析，包括信號的采集、存儲、顯示等控制與變換工作。此方式的優(yōu)點在于系統(tǒng)規(guī)模比較小，可以靈活實現(xiàn)，卻不適宜于觀察高速信號或復雜信號。體系結構圖如圖1所示。

2 硬件設計
硬件電路由七部分組成：輸入程控放大電路、采樣電路(高速AD轉換電路)、FIFO存儲電路、觸發(fā)電路、顯示控制電路、時鐘產(chǎn)生電路和測頻與控制電路。其中程控放大電路、采樣電路和顯示控制電路是主要的三部分。程控電路是將波形幅值通過比例縮放顯示在屏幕上，之后在周邊加上標尺注明，將波形調整到合適的采集范圍。采樣電路負責采集，它的核心為AD轉換器，采樣信號經(jīng)過AD轉換器，傳輸?shù)絾纹瑱C，由單片機處理以及顯示控制電路。顯示控制電路負責按照要求的形式顯示被測信號的波形。