圖1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

 

 

信號調(diào)理電路要完成的功能是：程控放大，疊加直流分量。程控放大的作用是：當(dāng)輸入信號的幅度很小的時候就需要對輸入信號進(jìn)行放大，使得被測信號可以在LCD上盡可能清楚的顯示出來。疊加直流分量的作用是：ATmega16自帶的A/D是單電源的，沒辦法輸入負(fù)壓而待測信號又往往有負(fù)壓。這時候就需要這樣一個電路，可以把負(fù)壓抬高到0電平以上。

 

圖2.信號調(diào)理電路原理圖

 

R1，R2分別由一個模擬開關(guān)CD4051來連接不同的電阻，不同的R1,R2通過公式：這樣就可以實現(xiàn)程控放大功能了?？烧{(diào)電阻R9用來設(shè)置信號調(diào)理電路加入的直流分量的大小。放大后的信號和直流分量最后由U3模擬加法器疊加后輸出。

 

輸入信號與輸出信號的關(guān)系：只要R4、R6、R7的阻值相同，調(diào)理電路輸入與輸出的關(guān)系簡化為：。

 

Ux為U3的輸出電壓，輸出電壓的電壓值與可調(diào)電阻R9中間抽頭的電壓一至。

 

 

這個系統(tǒng)的主控芯片選擇的是，Atmel公司的AVR系列單片機(jī)ATmega16，最高可達(dá)到16MPIS指令速度。ATmega16有16K的flash, 1K的SRAM, 512 B的EEPROM，單片機(jī)內(nèi)部自帶一個10 bits精度的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)建采樣/保持電路。ADC的時鐘是可編程的，在這個設(shè)計中為了太到最高的采樣頻率100KHz ADC的時鐘設(shè)置為2MHz。ADC的觸發(fā)源選擇為定時器/計數(shù)器0溢出，ATmega16的定時器的時鐘源也是可編程的。這樣就可以通過控制定時器/計數(shù)器0溢出中斷頻率來控制ADC的采樣頻率。

 

圖3.簡易示波器系統(tǒng)程序流程圖

 

 

在這個系統(tǒng)中設(shè)置了7個按鈕分別為：運(yùn)行與停止，放大倍數(shù)增大，放大倍數(shù)減小，采樣頻率增大，采樣頻率減小，觸發(fā)電平上移，觸發(fā)電平下移。

 

運(yùn)行與停止鍵：是通過開啟和關(guān)閉ATmega16 ADC轉(zhuǎn)換完畢中斷的方式來實現(xiàn)的。

 

放大倍數(shù)的增大與減小：是通過ATmega16控制模擬開關(guān)CD4051來實現(xiàn)放大倍數(shù)的數(shù)字化控制。CD4051為8通道的模擬開關(guān)，所以程控放大器可以有8檔。

 

采樣頻率的增大與減小：是通過控制ATmega16的定時器0的時鐘源及定時器的初始值來實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的各個采樣頻率。定時器0的中斷頻率就等于ADC的采樣頻率。

 

觸發(fā)電平的上移與下移：是通過對采樣來的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字觸發(fā)時，當(dāng)數(shù)據(jù)的二進(jìn)制值在增加的過程中某個數(shù)據(jù)的大小剛好與數(shù)字觸發(fā)的二進(jìn)制數(shù)值一樣，在此以后的波形數(shù)據(jù)才存入顯示RAM中。

 

當(dāng)這7個按鍵中的某一個被觸發(fā)，都會置位相應(yīng)的標(biāo)志位，以便刷新LCD液晶屏上相應(yīng)的顯示信息。

 

 

如何實現(xiàn)觸發(fā)呢？用硬件來完成的話又會增加系統(tǒng)硬件電路的復(fù)雜度，我就想了一個辦法，有軟件的方式來實現(xiàn)觸發(fā)的功能。實現(xiàn)的過程如下：

 

for (ik=0;ik<500;ik++){

if (k0_ram){

if (box_buff[ik] < trigger) {

kk_ram = 1 ;

}

if (kk_ram){

if ((box_buff[ik] >= trigger) & (ik < 402)){

en_ram = 1 ;

k0_ram = 0 ;

kk_ram = 0 ;

}}}

if (en_ram){

boxing[adc_data]=box_buff[ik] ;

adc_data++ ;

if (adc_data > 96){

adc_data = 0x00 ;

en_ram = 0 ;

}}}

trigger的大小可以通過觸發(fā)電平上移與觸發(fā)電平下移按鍵來設(shè)置它的大小。

 

 

GDM12864A是一個具有128點(diǎn)x 64點(diǎn)的點(diǎn)陣LCD。根據(jù)所選的LCD的特點(diǎn)，Y軸上只有64個點(diǎn)，所以能顯示的數(shù)據(jù)范圍為0到63而采樣得到的數(shù)據(jù)為8位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)為0到255。為了能在這個LCD上顯示只取8位數(shù)據(jù)的高6位。那么如何把這高6位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成在LCD上的Y軸座標(biāo)和數(shù)據(jù)值呢？我想了這樣一個計算的方法：

 

LCD的縱向分為8個地址從上到下依次為0~7，每個地址段有8個數(shù)據(jù)點(diǎn)。在某個數(shù)據(jù)段中如果想依次讓這些位從上到下點(diǎn)亮就需要依次向這個地址段送數(shù)據(jù)0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80，送入0x00后這個地址段的8個數(shù)據(jù)點(diǎn)將不被點(diǎn)亮。實現(xiàn)的具體過程如圖4所示。

dat = dat>>2

y = 7

dat >= 8 ?

dat = dat – 8; y--;

y == 1 ?

dat > 7 ?

dat = 7 ;

dat = 0x80 >> dat

write_add(y,x) ;

write_data(dat) ;

否

否

否

 

圖4.數(shù)據(jù)還原成波形上點(diǎn)的程序流程圖

 

 

ADC的采樣頻率在上文已有提及，ADC中斷的計算公式為：,通過ATmega16的特殊功能寄存器TCCR0的低3位CS02,CS01,CS00的設(shè)置就可以改變的頻率，再把TCNT0設(shè)置成不同的數(shù)值就可以得到這個系統(tǒng)所需要的各個采樣頻率值了。表1中的數(shù)據(jù)是通過上面的公式計算出來的數(shù)據(jù)再經(jīng)實際的系統(tǒng)調(diào)試并修正后的數(shù)據(jù)。

 

表1.采樣頻率的設(shè)置

 

 

系統(tǒng)主要性能指標(biāo)見表2所示。

 

表2.系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

 

 

系統(tǒng)的誤差主要出在信號調(diào)理電路，因為模擬開關(guān)有一定的內(nèi)阻約為80Ω對調(diào)理電路的放大倍數(shù)會造成一定的影響。通過1.1中的計算公式計算出來的電阻值在實際中不存在，通過幾個電阻串聯(lián)來實現(xiàn)也還是會有一定的誤差。平衡電阻R3是固定的在R1，R2發(fā)生變化的時候，平衡電阻可能就不能平衡也會給運(yùn)算放大器引入一定的誤差。

 

 

系統(tǒng)可以進(jìn)一步改進(jìn)的地方在于信號調(diào)理電路，可以通過選擇性能更好的模擬開關(guān)和運(yùn)算放大器，更合理的選擇電阻這樣就可以提高信號調(diào)理電路的放大的準(zhǔn)確度。使整個系統(tǒng)的性能得以進(jìn)一步改善。

 

 

LCD顯示的信息分別有，波形圖像，在波形的上面是橫軸的標(biāo)尺，在屏幕的右邊為系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)（Run / Stop）,Time為整個波形框的時間長度，Volt-為電壓檔，在波形框與信息框之間有個小點(diǎn)為信號的觸發(fā)電平。信號的頻率=波形框中信號的周期數(shù)/Time。

 

 

用這種方法可以實現(xiàn)一個簡易的示波器，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，清晰。充分利用了AVR單片機(jī)內(nèi)部資源使系統(tǒng)電路得以簡單化，就連系統(tǒng)的工作時鐘也是AVR內(nèi)部自帶的。通過測試該系統(tǒng)在測量頻率方向的誤差很小，可以用來比較準(zhǔn)確的測量測試信號的頻率。