基於S12的簡易數字示波器的設計方案

　　1.引言

　　本文的設計方案中的數字示波器是對傳統高速電子束示波器的改進，它能對被測周期信號或單次非周期信號進行一次採集與儲存，便於分析波形。

　　目前對於數字示波器已經有比較豐富的研究，但有時在開發設計中只需要中低端數字示波器即可達標。針對此本文給出了一種簡易數字示波器的製作設計方案，儘可能採用數字電路，結構簡單測量結果可靠且具高解析度和低誤差的特點。

　　2.系統設計方案

　　本設計方案以S12單片機為主控晶片，通過程控放大電路將信號衰減放大後經TLC5510採樣送入FIFO晶片進行緩衝存儲和整形電路，然後S12從FIFO讀取數據，進行處理後將波形和峰峰值在LCD上進行顯示，另一方面從整形電路輸入S12測頻，並將頻率顯示在液晶屏上。

　　2.1 硬體設計

　　硬體設計包括程控放大、高速AD轉換與FIFO存儲、時鐘電路和電源，整形電路與單片機處理四個電路模塊，各模塊間聯繫如下：

　　

　　2.1.1 程控放大模塊

　　程控放大的作用是對輸入信號進行衰減或放大調整，使輸出信號電壓在AD轉換器輸入電壓要求範圍內。設計採用LM6172運放組成多級運放實現信號的縮放，通過ULN2003驅動電磁繼電器，由單片機決定衰減係數。最後加上基線電壓（AD轉換器輸入中點）以調整信號幅度在AD轉換器採樣範圍內，送到AD晶片進行轉換和整形電路，分別進行AD轉換和將處理信號轉化成方波信號以便MCU測頻。

　　

　　2.1.2 高速AD轉換與FIFO存儲模塊

　　AD轉換器將被測信號採樣並轉換成數位訊號存入存儲器，決定數字示波器所能測量的最高頻率，根據乃奎斯特定理，採樣頻率至少是被測信號最高頻率的2倍才能再現出被測信號。而在數字示波器中採樣頻率至少應該是被測信號頻率的5~8倍才能還原信號的波形。為了滿足對高頻信號的採集，選用了8位TLC5510AD轉換晶片。

　　FIFO（先進先出存儲器）作為AD轉換與單片機之間的高速數據緩衝，具有3個標誌引腳FF（滿標誌）、HF（半滿標誌）和EF（空標誌）。MCU根據這三個標誌，當滿時讀取數據進行處理，並禁止AD採樣時鐘，半滿時繼續採樣，空時則等待讀取數據。由於AD轉換較快，可在AD與FIFO間加入74VHC574鎖存器數據經鎖存緩衝後送入FIFO.

　　

　　2.1.3 時鐘電路和電源模塊

　　時鐘電路為AD轉換器提供採樣時鐘信號，對於1MHz以內的信號，本設計以20MHz晶振為基準，採用計數器組成的分頻電路得到一系列不同的採樣周期，分別為20MHz、10MHz、5MHz、1MHz、500KHz、100KHz、10KHz、1KHz和500Hz共9種，分別對應著不同的水平掃速。由單片機通過數據選擇器74F151選擇不同的採樣時鐘用於AD轉換採樣信號。

　　

　　為達到簡單方便的目的，本設計各模塊均採用±5V電源供電，電源模塊是將220V交流電通過變壓器後經整流、濾波和穩壓轉換成±5V直流穩壓電，其中程控放大要用到運放，所以要用到±5V雙電源，其它模塊+5V穩壓源能達到要求。