基于PIC單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字示波器設(shè)計(jì)

摘要：提出了利用PIC單片機(jī)作為控制核心的簡(jiǎn)易數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)方案。介紹了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)，以及硬件和軟件的具體實(shí)現(xiàn)。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理租AD轉(zhuǎn)換后，傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/單片機(jī)">單片機(jī)，利用鍵盤做功能設(shè)置，在LCD上把波形顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣、數(shù)據(jù)處理以及顯示控制等簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)方便、價(jià)格低廉，具有一定的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：PIC；單片機(jī)；數(shù)字示波器；AD轉(zhuǎn)換；采樣

0 引言
數(shù)字示波器是工業(yè)控制、電子測(cè)量、信號(hào)處理及儀器儀表等行業(yè)最常用的測(cè)量?jī)x器之一。它將捕捉到的模擬信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換后，存儲(chǔ)到示波器中，對(duì)信號(hào)作一步的處理，可以獲得被測(cè)信號(hào)的多種信號(hào)參數(shù)，如頻率、幅值、前后沿時(shí)間、平均值等，有利于對(duì)產(chǎn)品作進(jìn)一步的分析設(shè)計(jì)。

1 總體設(shè)計(jì)
表征示波器的一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)有：采樣率、存儲(chǔ)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(hào)中提取并組成離散信號(hào)的采樣個(gè)數(shù)，采樣率的倒數(shù)是采樣周期，它表示采樣之間的時(shí)間間隔。采樣率可分為實(shí)時(shí)采樣率和等效采樣率，實(shí)時(shí)采樣率指單次采樣所能達(dá)到的最大采樣率，等效采樣率指用多次采樣得到的信號(hào)共同完成信號(hào)的重建。
存儲(chǔ)容量指獲取波形的取樣點(diǎn)的數(shù)目，用直接存放AD轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的獲取存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元數(shù)來(lái)表示記錄時(shí)間、取樣速率以及存儲(chǔ)深度三者之間的關(guān)系。示波器的存儲(chǔ)容量越大，采樣數(shù)據(jù)的能力越強(qiáng)，更善于捕獲像毛刺這類通常偶爾發(fā)生的信號(hào)。
觸發(fā)常見(jiàn)的類型有上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)，即通過(guò)指定的極性和電壓電平識(shí)別波形的觸發(fā)，設(shè)定一個(gè)適當(dāng)?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(lái)的波形是以信號(hào)的某個(gè)上升沿或某個(gè)下降沿為觸發(fā)參考點(diǎn)的。作用是保證每次采集的數(shù)據(jù)，都是從輸入信號(hào)上的一個(gè)精確確定的點(diǎn)作為參考點(diǎn)來(lái)顯示，有利于顯示波形重復(fù)且穩(wěn)定，如果沒(méi)有觸發(fā)電路，在屏幕上看到的將是雜亂無(wú)章的波形。
分辨率分為垂直(電壓)分辨率和水平(時(shí)間)分辨率，反映了信號(hào)波形的細(xì)節(jié)特性。AD轉(zhuǎn)換器通過(guò)把采樣電壓和參考電壓進(jìn)行比較來(lái)確定采樣電壓的幅度。構(gòu)成AD轉(zhuǎn)換器所用的比較器越多，AD轉(zhuǎn)換器可以識(shí)別的電壓層次也越多，這個(gè)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(hào)細(xì)節(jié)越小。
本系統(tǒng)將采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量，利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理儲(chǔ)存，轉(zhuǎn)換成LCD相應(yīng)的X、Y坐標(biāo)值和顯示數(shù)值?？梢圆捎脝纹瑱C(jī)和FPGA／CPLD的方式實(shí)現(xiàn)，由FPGA／CPLD完成采集、存儲(chǔ)、顯示及AD／DA等功能，即由FPGA／CPLD實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及信號(hào)測(cè)量分析等功能。由于 硬件的限制，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)由PIC單片機(jī)、AD轉(zhuǎn)換器、LCD模塊等組成，由單片機(jī)完成基本處理分析，包括信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、顯示等控制與變換工作。此方式的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)規(guī)模比較小，可以靈活實(shí)現(xiàn)，卻不適宜于觀察高速信號(hào)或復(fù)雜信號(hào)。體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)
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(zhuǎn)換電路)、FIFO存儲(chǔ)電路、觸發(fā)電路、顯示控制電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路和測(cè)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(guò)比例縮放顯示在屏幕上，之后在周邊加上標(biāo)尺注明，將波形調(diào)整到合適的采集范圍。采樣電路負(fù)責(zé)采集，它的核心為AD轉(zhuǎn)換器，采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換器，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，由單片機(jī)處理以及顯示控制電路。顯示控制電路負(fù)責(zé)按照要求的形式顯示被測(cè)信號(hào)的波形。