基于S12的简易数字示波器的设计

基于S12的简易数字示波器的设计

施亚平¹，陆灿楠¹，胡碧霞¹

（江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214000）

摘  要：设计了一台简易便携式数字示波器，能对任意小于1MHz的波形进行频率和峰峰值的测量，且能够对被测周期信号或单次非周期信号进行单次采集与储存，连续显示。该设计以S12为主控单片机，制作出的示波器不仅可以测量低频的直流信号，也可以测量高频的交流信号。

关键词：简易便携；数字示波器；信号测量；设计制作

中图分类号：TN   文献标识码：B

 Design of simple digital oscilloscopebased on S12

SHI ya-ping¹，LU can-nan¹，HU bi-xia¹

（IOT college of JiangnanUniversity,Wuxi 214000,China）

Abstract:The text introduces adesign scheme of simple portable digital oscilloscope, the designedoscilloscope capable of an arbitrary waveform of less than 1MHz frequency andpeak-peak measurement, and able to be measured periodic signal or a singlenon-periodic signal of a single acquisition and storage to display.continuously. The S12 is designed to host microcontroller to produce a low-frequencyoscilloscope can measure not only the DC signal, you can also measure highfrequency AC signal.

Key word:simple portable;digitaloscilloscope;signal measure;design scheme

1 引言

数字示波器的设计是对传统高速电子束示波器的改进，它能对被测周期信号或单次非周期信号进行一次采集与储存，便于分析波形。目前对于数字示波器已经有比较丰富的研究，但有时在开发设计中只需要中低端数字示波器即可达标。针对此本文给出了一种简易数字示波器的制作设计方案，尽可能采用数字电路，结构简单测量结果可靠且具高分辨率和低误差的特点。

2 系统设计方案

本设计以S12单片机为主控芯片，通过程控放大电路将信号衰减放大后经TLC5510采样送入FIFO芯片进行缓冲存储和整形电路，然后S12从FIFO读取数据，进行处理后将波形和峰峰值在LCD上进行显示，另一方面从整形电路输入S12测频，并将频率显示在液晶屏上。

2.1 硬件设计

硬件设计包括程控放大、高速AD转换与FIFO存储、时钟电路和电源，整形电路与单片机处理四个电路模块，各模块间联系如下：

    

     

  图1 数字示波器硬件模块连接图

2.1.1 程控放大模块

程控放大的作用是对输入信号进行衰减或放大调整，使输出信号电压在AD转换器输入电压要求范围内。设计采用LM6172运放组成多级运放实现信号的缩放，通过ULN2003驱动电磁继电器，由单片机决定衰减系数。最后加上基线电压（AD转换器输入中点）以调整信号幅度在AD转换器采样范围内，送到AD芯片进行转换和整形电路，分别进行AD转换和将处理信号转化成方波信号以便MCU测频。

                                                                             

图2 程控放大接口模块

2.1.2 高速AD转换与FIFO存储模块

AD转换器将被测信号采样并转换成数字信号存入存储器，决定数字示波器所能测量的最高频率，根据乃奎斯特定理，采样频率至少是被测信号最高频率的2倍才能再现出被测信号。而在数字示波器中采样频率至少应该是被测信号频率的5~8倍才能还原信号的波形。为了满足对高频信号的采集，选用了8位TLC5510AD转换芯片。

FIFO（先进先出存储器）作为AD转换与单片机之间的高速数据缓冲，具有3个标志引脚FF（满标志）、HF（半满标志）和EF（空标志）。MCU根据这三个标志，当满时读取数据进行处理，并禁止AD采样时钟，半满时继续采样，空时则等待读取数据。由于AD转换较快，可在AD与FIFO间加入74VHC574锁存器数据经锁存缓冲后送入FIFO。

                                                                                                

   图3 AD转换与FIFO接口模块

2.1.3 时钟电路和电源模块

时钟电路为AD转换器提供采样时钟信号，对于1MHz以内的信号，本设计以20MHz晶振为基准，采用计数器组成的分频电路得到一系列不同的采样周期，分别为20MHz、10MHz、5MHz、1MHz、500KHz、100KHz、10KHz、1KHz和500Hz共9种，分别对应着不同的水平扫速。由单片机通过数据选择器74F151选择不同的采样时钟用于AD转换采样信号。

                                                                                                            

  图4 时钟电路设计原理图

为达到简单方便的目的，本设计各模块均采用±5V电源供电，电源模块是将220V交流电通过变压器后经整流、滤波和稳压转换成±5V直流稳压电，其中程控放大要用到运放，所以要用到±5V双电源，其它模块+5V稳压源能达到要求。

                                                                                                                

   图5 电源电路设计框图

2.1.4 整形电路与单片机处理模块

整形电路将经程控缩放后的信号通过运放LM6172构成的比较器变成方波信号,然后送入MCU的计数器以测得信号的频率。

 

图6 整形电路示意图

单片机选用飞思卡尔公司的MC9S12DG128B，具有16路AD转换，是数字示波器的主控器件。首先要通过按键控制程控放大衰减系数和确定AD转换器的采样频率，然后用计数器模块测量经整形信号的频率，另一方面通过查看FIFO的标志位来禁止、读取或等待数据，将数据进行处理后通过LCD（选用12864显示屏）显示，包括峰峰值和频率。MCU与个模块之间的控制联系在图1中已给出。

2.2 软件设计

软件设计采用飞思卡尔公司的S12系列单片机，并通过PLL将总线时钟超频在64M，能轻松完成信号的采集，处理和显示等功能。

2.2.1 波形处理模块

程序开始完成各模块初始化后单片机首先读取FIFO全满信号，若判断全满信号为高电平则开始读取数据，否则继续检测。读取的数据通过处理，则送LCD显示。由于LCD显示命令耗时过长，于是在单片机内存中模拟了一块显示区域，当数据画满整个显示内存，便将整个数据送液晶显示，大大提高了显示效率。

          

 图7 波形处理模块程序框图

2.2.2 测频模块

测频模块我们使用了S12单片机自带的PAI功能。当脉冲信号输入到相应的引脚时，脉冲累加器每检测到一个有效边沿，则会使相应的脉冲累加计数寄存器PACNn加1。按照一定的时间间隔读取PACNn的值就可以知道单位时间内的脉冲数，进而可以计算出脉冲的周期。

 

 图8 测频模块程序框图

3 结 语

设计制作的数字示波器测试结果表明，在1MHz的测量范围内系统测量频率误差小于0.1%，信号幅值测量误差小于1%。系统精确度较高，能满足一般的研究开发要求，并且能够在LCD上很好的复现被测信号。

本设计主要是克服了同类研究开发产品的制作和操作复杂，精确度不高的的不足。尽量使用数字电路，集成度高，工作过程受环境影响小，测量数据可视化，并能再现信号波形。不足之处是测量信号的频率范围和幅度受限，存储数据有延迟导致信号显示略有延迟。尽管如此，本设计本着简易便携的目的，旨在制作出简便精确的数字示波器，可作为嵌入式设备，在工业自动化和科研开发测量领域中有着广泛的应用前景。

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