教你用最簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的多功能手持儀，提供完整軟硬件解決方案，不服來(lái)戰(zhàn)

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

愛特梅爾半導(dǎo)體是世界上高級(jí)半導(dǎo)體產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和行銷的領(lǐng)先者，產(chǎn)品包括了微處理器、可編程邏輯器件、非易失性存儲(chǔ)器、安全芯片、混合信號(hào)及RF射頻集成電路。ATMEL主要應(yīng)用于高增長(zhǎng)的電子設(shè)備市場(chǎng)，如通訊、計(jì)算、消費(fèi)類產(chǎn)品、安全產(chǎn)品、汽車電子和工業(yè)應(yīng)用。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和電路結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新變化，對(duì)電路測(cè)量的要求也變得更高，在電子制作中會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)很多參數(shù)的測(cè)量已經(jīng)不是一塊萬(wàn)用表能勝任的了，比如單片機(jī) 某I/O口的輸出波形或制作放大器測(cè)其頻率響應(yīng)等等，所以示波器自然而然的和萬(wàn)用表一樣變成了電子工程和愛好者的必備工具，但是，示波器又很昂貴，所以我 們就想發(fā)揮我們的聰明才智和所學(xué)的知識(shí)制作一臺(tái)使用的示波器，并且盡量使功能多樣，并且想著節(jié)能環(huán)保，將以往按鍵形式的改為觸屏的，還附加其他的功能。

二、需求分析

2.1 功能要求

1）雙通道示波器： 顯示輸入信號(hào)的波形、頻率、幅值。

2）萬(wàn)用表：可測(cè)量參數(shù)：

DCV：直流電壓；

ACV：交流電壓、

DCA：直流電流、

R：電阻、

UF：二極管的正向?qū)妷骸?/p>

hFE：三極管放大倍數(shù)。

3）信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生方波、鋸齒波、正弦波、三角波等信號(hào)波形；信號(hào)的頻率和幅度可調(diào)。

2.2 性能要求

• 示波器：

• 通道數(shù)：2

• 帶寬：60MHz

• 垂直靈敏度：不小于10mV-5V/div

• 最大輸入電壓：50Vpp

• 輸入阻抗：1MΩ

• 水平時(shí)基范圍：不小于500ns-50ms/div

• 顯示：彩色液晶

• 耦合方式：AC/DC

2）數(shù)字萬(wàn)用表：

• 直流電壓量程：200mV ；2V；20V；200V ----精度：±0.5%

• 交流電壓量程：
  200mV -----精度：±1.2%
  2V；20V；200V----精度：±1.0%

• 直流電流量程：
  2mA；20 mA ------精度：±0.5%
  200 mA ------精度：±1.5%
  10A ------精度：±2.0%

• 交流電流量程：

2mA；20 mA ------精度：±1.0%

200 mA ------精度：±2.0%

10A ------精度：±3.0%

• 電阻量程：

200Ω；2KΩ；20KΩ；200KΩ；2MΩ；------精度：±0.5%

3）函數(shù)信號(hào)發(fā)生器：

• 頻率范圍：1Hz～50MHz

• 頻率精確度：±0.5 Hz

• 信號(hào)諧波失真（50Ω匹配負(fù)載，1Vp-p輸出時(shí)）：

• 小于20kHz：-60dBc
• 20kHz～1MHz：-50dBc
• 1MHz～10MHz：-40dBc
• 10MHz～50MHz：-30dBc

• 輸出幅度范圍：2mV～2Vrms（開路），或1 mV～1 Vrms（50Ω負(fù)載）

• 輸出阻抗： 50Ω

• 穩(wěn)幅特性（頻幅平坦度）：10Hz～10MHz±0.5dB 1Hz～50MHz±1dB

三、方案設(shè)計(jì)

3.1示波器

3.1.1系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

數(shù)字示波器首先對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行高速采樣獲得相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并存儲(chǔ)。用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)采樣得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理與運(yùn)算，從而獲得所需的各種信號(hào)參 數(shù)。根據(jù)得到的信號(hào)參數(shù)繪制信號(hào)波形，并可對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的、瞬態(tài)的分析，以方便使用者了解信號(hào)質(zhì)量，快速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障的診斷。測(cè)量開始時(shí)，操作者 可通過(guò)操作界面選定測(cè)量類型、測(cè)量參數(shù)及測(cè)量范圍；微處理器自動(dòng)將測(cè)量設(shè)置解釋到采樣電路，并啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集；采集完成后，由微處理器對(duì)采樣數(shù)據(jù)按測(cè)量設(shè)置 進(jìn)行處理，提取所需要的測(cè)量參數(shù)，并將結(jié)果送顯示部件。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1.2 電路設(shè)計(jì)

程控放大部分：

程控放大器的作用是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減或放大調(diào)整，使輸出信號(hào)電壓在 AD轉(zhuǎn)換器輸入電壓要求范圍內(nèi)，達(dá)到最好的測(cè)量與觀察效果，所以程控放大器電路在規(guī)定帶寬內(nèi)的增益一定要平坦，故對(duì)運(yùn)算放大器的要求比較高。

開關(guān)用繼電器控制，H代表吸合，L代表未吸合。

電壓靈敏度與 S1~S4 的關(guān)系表：

放大倍數(shù) 靈敏度 S1 S2 S3 S4

0.1 2V H L L L

0.2 1V H L H L

0.4 0.5V L H L L

1 0.2V L L L L

2 0.1V L L H L

4 50mV L H L H

10 20mV L L L H

20 10mV L L H H

高速A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：

由程控放大電路調(diào)整后的信號(hào)分成兩路，有一路進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行采樣，采樣所得的數(shù)據(jù)由 74LVC574 鎖存緩沖后送入存儲(chǔ)器。

時(shí)鐘電路：

時(shí)鐘產(chǎn)生電路為 AD轉(zhuǎn)換器提供一系列的采樣時(shí)鐘信號(hào)，分別為 600Hz、 6kHz、 60kHz、600kHz、3MHz、6MHz、30MHz 和 60MHz，共 8種，分別對(duì)應(yīng)著不同的水平水平掃速。

基準(zhǔn)時(shí)鐘為60MHz，通過(guò)多路選擇器和分屏器實(shí)現(xiàn)。

主控MCU：

由一片AVR單片機(jī)作為主控芯片，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理并控制程控放大器和時(shí)鐘產(chǎn)生器，并將數(shù)據(jù)送屏幕顯示。

3.1.3 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

采樣速率： 600Sa/s， 6kSa/s， 60kSa/s， 600kSa/s， 3MSa/s， 6MSa/s， 30MSa/s， 60MSa/s

水平水平掃速：500ns、1μs、5μs、10μs、50μs、500μs、5ms、50ms

垂 直電壓靈敏度： 10mV/div, 20mV/div, 50mV/div, 0.1V/div, 0.2V/div, 0.5V/div, 1V/div, 2V/div,5V/div

3.1.4系統(tǒng)軟件流程

3.2函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

3.2.1函數(shù)信號(hào)發(fā)生器簡(jiǎn)介

函數(shù)發(fā)生器又稱波形發(fā)生器。它能產(chǎn)生某些特定的周期性時(shí)間函數(shù)波形（主要是正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等）信號(hào)。頻率范圍可從幾毫赫甚至幾微赫的超低頻直到幾十兆赫。除供通信、儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試用外，還廣泛用于其他非電測(cè)量領(lǐng)域。圖2為產(chǎn)生上述波形的方法之一，將積分電路與某種帶有回滯特性的閾值開關(guān)電路（如施米特觸 發(fā)器）相連成環(huán)路，積分器能將方波積分成三角波。施米特電路又能使三角波上升到某一閾值或下降到另一閾值時(shí)發(fā)生躍變而形成方波，頻率除能隨積分器中的RC 值的變化而改變外，還能用外加電壓控制兩個(gè)閾值而改變。將三角波另行加到由很多不同偏置二極管組成的整形網(wǎng)絡(luò)，形成許多不同斜度的折線段，便可形成正弦 波。另一種構(gòu)成方式是用頻率合成器產(chǎn)生正弦波，再對(duì)它多次放大、削波而形成方波，再將方波積分成三角波和正、負(fù)斜率的鋸齒波等。對(duì)這些函數(shù)發(fā)生器的頻率都 可電控、程控、鎖定和掃頻，儀器除工作于連續(xù)波狀態(tài)外，還能按鍵控、門控或觸發(fā)等方式工作。 　　

3.2.2方案設(shè)計(jì)與選擇

方案一：采用單片函數(shù)發(fā)生器（如8038），8038可同時(shí)產(chǎn)生正弦波、方波等，而且方法簡(jiǎn)單易行，用D/A轉(zhuǎn)換器的輸出來(lái)改變調(diào)制電壓，也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控調(diào)整頻率，但產(chǎn)生信號(hào)的頻率穩(wěn)定度不高。

方案二：采用鎖相式頻率合成器，利用鎖相環(huán)，將壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率鎖定在所需頻率上，該方案性能良好，但難以達(dá)到輸出頻率覆蓋系數(shù)的要求，且電路復(fù)雜。

方案三：采用單片機(jī)編程的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方法可以通過(guò)編程的方法來(lái)控制信號(hào)波形的頻率和幅度，而且在硬件電路不變的情況下，通過(guò)改變程序來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的變換。此外，由于通過(guò)編程方法產(chǎn)生的是數(shù)字信號(hào)，所以信號(hào)的精度可以做的很高。

鑒于方案一的信號(hào)頻率不夠穩(wěn)定和方案二的電路復(fù)雜，頻率覆蓋系數(shù)難以達(dá)標(biāo)等缺點(diǎn)，所以決定采用方案三的設(shè)計(jì)方法。它不僅采用軟硬件結(jié)合，軟件控制硬件的方法 來(lái)實(shí)現(xiàn)，使得信號(hào)頻率的穩(wěn)定性和精度的準(zhǔn)確性得以保證，而且它使用的幾種元器件都是常用的元器件，容易得到，且價(jià)格便宜，使得硬件的開銷達(dá)到最省。

3.2.3設(shè)計(jì)原理

我們做的信號(hào)發(fā)生器只需用到外部中斷和PWM脈寬調(diào)制波兩項(xiàng)技術(shù)便可以實(shí)現(xiàn)，Atmel多數(shù)單片機(jī)都支持這兩項(xiàng)技術(shù)，由于主控芯片還未定，故該信號(hào)發(fā)生器暫時(shí)假定采用的控制芯片為Atmega16。

數(shù)字信號(hào)可以通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，因此可通過(guò)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的方法來(lái)獲得所需要的波形。Atmega16單片機(jī)本身就是一個(gè)完整 的微型計(jì)算機(jī)，具有組成微型計(jì)算機(jī)的各部分部件：中央處理器CPU、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、I/O接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及串行通 訊接口等，，只要將Atmega16再配置鍵盤及其接口、顯示器及其接口、數(shù)模轉(zhuǎn)換及波形輸出、指示燈及其接口等四部分，即可構(gòu)成所需的波形發(fā)生器，其信 號(hào)發(fā)生器構(gòu)成原理框圖如圖3.1所示：

信號(hào)發(fā)生器原理框圖

Atmega16是整個(gè)波形發(fā)生器的核心部分，通過(guò)程序的編寫和執(zhí)行，產(chǎn)生各種各樣的信號(hào)，并從鍵盤接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種功能的轉(zhuǎn)換和信號(hào)幅度的調(diào)節(jié)。當(dāng)數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)接口電路到達(dá)轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)也就是所需要的輸出波形。

3.2.4設(shè)計(jì)思想

1、利用單片機(jī)產(chǎn)生方波、鋸齒波、正弦波、三角波和鋸齒波等信號(hào)波形，信號(hào)的頻率和幅度可變。

2、將一個(gè)周期的信號(hào)分離成256個(gè)點(diǎn)（按X軸等分），每?jī)牲c(diǎn)之間的時(shí)間間隔為T，用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生，其表示式為：T=T/256。

3、正弦波的模擬信號(hào)是D/A轉(zhuǎn)換器的模擬量輸出，其計(jì)算公式為：

Y=（A/2sint）+A/2 (其中A=VREF)

那么對(duì)應(yīng)著存放在計(jì)算機(jī)里的這一點(diǎn)的數(shù)據(jù)為：

4、一個(gè)周期被分離成256個(gè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的四種波形的256個(gè)數(shù)據(jù)存放在以TAB1--TAB4為起始地址的存儲(chǔ)器中。

3.2.5設(shè)計(jì)功能

根據(jù)系統(tǒng)操作界面的菜單提示選擇信號(hào)發(fā)生器輸出的波形。分別有正弦波、方波、三角波。

在系統(tǒng)操作界面可以調(diào)節(jié)輸出波形的頻率和幅值。頻率范圍：10~1000Hz，輸出波形幅度為：0～5V。

3.2.6硬件設(shè)計(jì)

硬件原理框圖

3.2.7軟件設(shè)計(jì)

本文中子程序的調(diào)用是通過(guò)操作界面菜單選項(xiàng)的選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)，在取得按鍵相應(yīng)的鍵值后，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器和相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，再直接查詢程序中預(yù)先設(shè)置的數(shù)據(jù)值，通過(guò)轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)的電壓，從而形成所需的各種波形。主程序的流程圖如下圖所示

主程序的流程圖

在程序開始運(yùn)行之后，首先是對(duì)8155進(jìn)行初始化，之后判斷信號(hào)頻率值，如符合所需的頻率，則重置時(shí)間常數(shù)，并通過(guò)顯示器顯示出來(lái)，不符則返回。在中斷結(jié) 束后，還要來(lái)判斷波形是否符合，如符合，則顯示其頻率，不符則返回，重新判斷。下圖為各波形子程序的流程圖。如圖所示，在中斷服務(wù)子程序開始后，通過(guò)判斷 來(lái)確定各種波形的輸出，當(dāng)判斷選擇的不是方波后，則轉(zhuǎn)向?qū)φ也ǖ呐袛?，如此反?fù)。如果選擇的是方波，則用查表的方法求出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，形成所需波形信號(hào)。

程序運(yùn)行流程圖

3.3數(shù)字萬(wàn)用表

3.3.1數(shù)字萬(wàn)用表簡(jiǎn)介

特點(diǎn)： 分辨力強(qiáng)、準(zhǔn)確度高（±0.5%～ ± 0.03%） 測(cè)試功能完善、測(cè)量速率快、顯示直觀、耗電省、過(guò)載能力強(qiáng)、便于攜帶。

測(cè)量參數(shù)：DCV：直流電壓、ACV：交流電壓、DCA：直流電流、R：電阻、UF：二極管的正向?qū)妷?、hFE：三極管放大倍數(shù)

3.3.2原理圖

3.3.3功能電路

1、功能量程的選擇：通過(guò)操作界面選擇萬(wàn)用表模式，并選擇相應(yīng)的檔位和量程。

參數(shù)轉(zhuǎn)換電路：

ICL7106：三位半LCD/LED顯示A/D轉(zhuǎn)換器.

AD轉(zhuǎn)換原理

從上式可知：被測(cè)電壓只與基準(zhǔn)電壓及計(jì)數(shù)值有關(guān)，而這兩者的準(zhǔn)確度都可以做得較高，所以數(shù)字萬(wàn)用表的測(cè)量準(zhǔn)確度較高

測(cè)量 DCV、 ACV、 DCA、 hFE時(shí)UREF=100mV，測(cè)量二極管正向壓降時(shí)UREF=1V

測(cè)量R時(shí)，UREF不一定為100mV

5LCD顯示 在液晶屏幕上顯示出所測(cè)參數(shù)的物理量

6、直流電流轉(zhuǎn)換電路（I→〈200mV電壓）

以200mA檔為例

U_IN = 1Ω ×100mA= = 100mV

7、直流電壓轉(zhuǎn)換電路

8、交流電壓轉(zhuǎn)換電路（以200V檔為例）

9、電阻轉(zhuǎn)換電路(以20k擋為例)

若RX= RREF則N2=1000，把小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)在百位即可

10、二極管正負(fù)極測(cè)量電路

11、 三極管放大倍數(shù)測(cè)量

Ic=βIb ——> 200mV直流電壓——> A/D轉(zhuǎn)換

3.4 LCD觸摸屏

3.4.1 LCD觸摸屏參數(shù)

5. 顯示屏幕尺寸 2.8inch

5. 屏幕點(diǎn)陣 240 * 320

5. 屏幕色彩 65K色

5. 接口標(biāo)準(zhǔn) intel80(D0-D15,ADDR0,nWR,nRD,nCS,)接口，支持MCU51（74F373擴(kuò)展），ARM

6. 驅(qū)動(dòng)IC：HX8347

5. 工作電壓2.5~3.6,背光電流80mA

5. 可以支持2.8inch可視面積，3.0inch手寫觸摸膜

5. 屏幕尺寸 50(W) * 69.2(H) * 4.0(T) 帶觸摸膜

3.4.2 觸摸屏實(shí)現(xiàn)功能

我們采用的液晶屏主要用于顯示功能，其次，該液晶屏還帶觸摸功能，還可以作為輸入，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

3.4.3 硬件實(shí)現(xiàn)

由于該液晶屏已經(jīng)自帶轉(zhuǎn)接線，只要從AVR主控芯片把引腳擴(kuò)展出來(lái)，另外再為液晶屏搭個(gè)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)液晶屏，便可以對(duì)液晶屏進(jìn)行控制了。（具體硬件電路需等官方提供了開發(fā)套件之后方好確定下來(lái)）

3.4.4 軟件部分

液晶屏主要是用來(lái)顯示示波器的輸出，同時(shí)作為輸入對(duì)示波器進(jìn)行各項(xiàng)功能的選擇，故我們把顯示屏軟體部分分成了兩個(gè)部分：一是輸出的顯示，二是輸入的檢測(cè)。

輸出的顯示：根據(jù)示波器所處的模式，顯示相應(yīng)的輸出，如果示波器處于波形檢測(cè)模式，則在輸出屏幕上顯示檢測(cè)到的波形；如果示波器處于萬(wàn)用表工作模式下，則輸出屏幕上顯示測(cè)到的電壓，電流，電阻等物理量的數(shù)值。

輸入檢測(cè)：由于該液晶屏帶觸摸功能，故可以把輸入按鍵放到液晶屏上，實(shí)現(xiàn)觸摸按鍵功能。

下圖是多功能示波器的初步界面設(shè)計(jì)方案：（以下設(shè)計(jì)僅為初步設(shè)想，最終界面需根據(jù)具體功能進(jìn)一步改善）

（多功能示波器界面圖）

3.5太陽(yáng)能充電器

為了綠色環(huán)保，我們將使用太陽(yáng)能來(lái)提供所需的能源。

6V200MA 太陽(yáng)能電池板

儀器使用2節(jié)5號(hào)充電電池供電。

充電器功能：

1、給充電電池充電；

2、給手機(jī)充電；

3、充電完成自動(dòng)斷電，避免過(guò)沖。

充電器輸出電壓：5V或1.2V

充電器輸出電流：350mA

3.6 SD外部存儲(chǔ)

3.6.1 外部存儲(chǔ)簡(jiǎn)介

由 于示波器是一種精密的測(cè)量?jī)x器，數(shù)據(jù)量比較大，很多時(shí)候用戶不僅需要實(shí)時(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)，事后還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，這就要求要有一個(gè)較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空 間，由于單片機(jī)自帶的ROM一般不會(huì)太大，而且很不方便與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因而我們決定采用外部SD卡對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

3.6.2 SD外部存儲(chǔ)原理

SD 有兩種操作模式：SD 卡模式，SPI 模式。SD 卡模式不介紹。一般用SPI 模式操作。我們這里采用SPI模式對(duì)SD卡進(jìn)行存取數(shù)據(jù)。

在SPI模式下，用單片機(jī)的4個(gè)控制I/O口分別模擬MOSI、MISO、CS、CLK即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存取，電路簡(jiǎn)單，如下圖所示：

SD卡原理圖

3.6.3 SD卡驅(qū)動(dòng)

通用驅(qū)動(dòng)為：

（1）初始化SPI接口，使用低速模式

（2）延時(shí)至少74clock

（3）發(fā)送CMD0，需要返回0x01，進(jìn)入Idle 狀態(tài)

（4）循環(huán)發(fā)送CMD55+ACMD41，直到返回0x00，進(jìn)入Ready 狀態(tài)

（5）設(shè)置讀寫block 大小為512byte

（6）把SPI 設(shè)置為高速模式

3.6.4 軟件程序

下面為SD卡存取數(shù)據(jù)需要用到的主要幾個(gè)函數(shù)

void SPI_Init(void){…}

void SPI_Send_Byte(byte Data){…}

void SPI_Receive_Byte(byte Data){…}