基于PIC单片机的简易数字示波器设计

摘要：提出了利用PIC单片机作为控制核心的简易数字示波器的设计方案。介绍了系统总体设计的体系结构，以及硬件和软件的具体实现。输入信号经过预处理租AD转换后，传输到单片机，利用键盘做功能设置，在LCD上把波形显示出来，实现信号的实时采样、数据处理以及显示控制等简易数字示波器功能。此系统方案规模小、性能稳定、实现方便、价格低廉，具有一定的实用价值。
关键词：PIC；单片机；数字示波器；AD转换；采样

0 引言
数字示波器是工业控制、电子测量、信号处理及仪器仪表等行业最常用的测量仪器之一。它将捕捉到的模拟信号通过AD转换后，存储到示波器中，对信号作一步的处理，可以获得被测信号的多种信号参数，如频率、幅值、前后沿时间、平均值等，有利于对产品作进一步的分析设计。

1 总体设计
表征示波器的一些关键技术指标有：采样率、存储容量、触发类型、带宽、分辨率等。采样率定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，采样率的倒数是采样周期，它表示采样之间的时间间隔。采样率可分为实时采样率和等效采样率，实时采样率指单次采样所能达到的最大采样率，等效采样率指用多次采样得到的信号共同完成信号的重建。
存储容量指获取波形的取样点的数目，用直接存放AD转换后数据的获取存储器的存储单元数来表示记录时间、取样速率以及存储深度三者之间的关系。示波器的存储容量越大，采样数据的能力越强，更善于捕获像毛刺这类通常偶尔发生的信号。
触发常见的类型有上升沿触发和下降沿触发，即通过指定的极性和电压电平识别波形的触发，设定一个适当的触发电平以后，触发电路开始捕捉触发脉冲，完成数据采集。显示出来的波形是以信号的某个上升沿或某个下降沿为触发参考点的。作用是保证每次采集的数据，都是从输入信号上的一个精确确定的点作为参考点来显示，有利于显示波形重复且稳定，如果没有触发电路，在屏幕上看到的将是杂乱无章的波形。
分辨率分为垂直(电压)分辨率和水平(时间)分辨率，反映了信号波形的细节特性。AD转换器通过把采样电压和参考电压进行比较来确定采样电压的幅度。构成AD转换器所用的比较器越多，AD转换器可以识别的电压层次也越多，这个特性称为垂直分辨率，垂直分辨率越高，则示波器上的波形中可以看到的信号细节越小。
本系统将采集到的模拟信号经过AD转换后变成数字量，利用单片机进行数据的处理储存，转换成LCD相应的X、Y坐标值和显示数值。可以采用单片机和FPGA／CPLD的方式实现，由FPGA／CPLD完成采集、存储、显示及AD／DA等功能，即由FPGA／CPLD实现人机交互及信号测量分析等功能。由于 硬件的限制，系统的实现由PIC单片机、AD转换器、LCD模块等组成，由单片机完成基本处理分析，包括信号的采集、存储、显示等控制与变换工作。此方式的优点在于系统规模比较小，可以灵活实现，却不适宜于观察高速信号或复杂信号。体系结构图如图1所示。

2 硬件设计
硬件电路由七部分组成：输入程控放大电路、采样电路(高速AD转换电路)、FIFO存储电路、触发电路、显示控制电路、时钟产生电路和测频与控制电路。其中程控放大电路、采样电路和显示控制电路是主要的三部分。程控电路是将波形幅值通过比例缩放显示在屏幕上，之后在周边加上标尺注明，将波形调整到合适的采集范围。采样电路负责采集，它的核心为AD转换器，采样信号经过AD转换器，传输到单片机，由单片机处理以及显示控制电路。显示控制电路负责按照要求的形式显示被测信号的波形。