基于S12的简易数字示波器的设计方案

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。

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。

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。

3.结语

本文所提出的基于S12的简易便携式数字示波器的设计方案，该方案中设计制作的数字示波器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，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。

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。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。