基于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采集與儲存，便于分析波形。

　　目前對于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制作設計方案，盡可能采用數字電路，結構簡單測量結果可靠且具高分辨率和低誤差的特點。

　　2.系統設計方案

　　本設計方案以S12單片機為主控芯片，通過程控放大電路將信號衰減放大后經TLC5510采樣送入 FIFO芯片進行緩沖存儲和整形電路，然后S12從FIFO讀取數據，進行處理后將波形和峰峰值在LCD上進行顯示，另一方面從整形電路輸入S12測頻，并將頻率顯示在液晶屏上。

　　2.1 硬件設計

　　硬件設計包括程控放大、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，各模塊間聯系如下：

　　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范圍內。設計采用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，由單片機決定衰減系數。最后加上基線電壓（AD轉換器輸入中點）以調整信號幅度在AD轉換器采樣范圍內，送到AD芯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轉換器將被測信號采樣并轉換成數字信號存入存儲器，決定數字示波器所能測量的最高頻率，根據乃奎斯特定理，采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。而在數字示波器中采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采集，選用了8位TLC5510AD轉換芯片。

　　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沖，具有3個標志引腳FF（滿標志）、HF（半滿標志）和EF（空標志）。MCU根據這三個標志，當滿時讀取數據進行處理，并禁止AD采樣時鐘，半滿時繼續采樣，空時則等待讀取數據。由于AD轉換較快，可在AD與FIFO間加入74VHC574鎖存器數據經鎖存緩沖后送入FIFO.

　　2.1.3 時鐘電路和電源模塊

　　時鐘電路為AD轉換器提供采樣時鐘信號，對于1MHz以內的信號，本設計以20MHz晶振為基準，采用計數器組成的分頻電路得到一系列不同的采樣周期，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選擇不同的采樣時鐘用于AD轉換采樣信號。

　　為達到簡單方便的目的，本設計各模塊均采用±5V電源供電，電源模塊是將220V交流電通過變壓器后經整流、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。