基于S12的简易数字示波器的设计方案 示波器, 分辨率, 测量, 电子, 开发

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关键字：S12   数字示波器  
1.引言
本文的设计方案中的数字示波器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

本设计方案以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：




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。




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.




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。




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。




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。




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。