【参赛】简易微型数字示波器

ntwhq

今年初我曾经做过一个数字示波器，（见我的新浪博客：http://blog.sina.com.cn/ntwhq ），有不少网友进行了仿制，其中有好几位做得很好，但在大家做的过程中发现两个问题，一是对有些基础相对薄弱的网友来说制作比较困难；二是有些元器件很难买全，就是上淘宝买也要找好多家才能买齐。因此增加了制作难度。
    看到这次比赛的消息后，我就想做一个更简单的数字示波器，降低制作难度，使得大部分人都能制作，于是就开始了近两个月的制作，先是确定电路形式，然后是程序设计，程序经过反复调试修改，现在总算完成了。

这个数字示波器除了能显示输入信号波形外，还能测量信号频率，并能作简易脉冲信号发生器使用，同时输出脉冲可用作自测信号。
    主要性能指标：
    最高采样率：3.43MS/s
      模拟带宽：686kHz(实际使用中发现观察300kHz以下的信号可以取得比较好的效果)
      垂直灵敏度：0.2V/div、1V/div 由S1进行调节。
    水平扫描速度：2.62us/div、5.6us/div、10us/div、20us/div、50us/div、100us/div、200us/div、500us/div、1ms/div、2ms/div、5ms/div 由SB1、SB2进行调节。
    显示屏：LCD12864（驱动芯片ST7565）
    同步方式：触发扫描
    频率测量范围：10Hz-2MHz（理论上最高可达到12MHz，但受到CD4069频响的限制），分辨率10Hz
      输出脉冲频率：100kHz 50kHz 25kHz 10kHz 4kHz(3.989kHz) 2.5kHz
      1kHz(997.3Hz) 400Hz (404.1Hz) 250Hz (249.3Hz) 100Hz  (100.2Hz)
      50Hz (50.10Hz)
      单片机编程有时无法得到我们所需要的输出频率的精确值，用括号内为近似替代值。输出频率和水平扫描速度速度同步变化，因此调节SB1、SB2即可改输出频率，和水平扫描速度的对应关系见面板。
    电源：5V（4节7号镍氢充电电池）
    工作电流：45mA
      重量：200g（含充电电池）
      体积：118mm×72mm×25mm
      1、硬件电路简介
    在介绍我的电路之前先请大家看一下一个国外网友制作的低速AVR数字示波器（网址见：
http://www.serasidis.gr/circuits ... vr_oscilloscope.htm），本坛也有网友进行过仿制。介绍一下这个电路有助于我们理解数字示波器的基本原理。
简单的说数字示波器的原理是：将输入的模拟信号进行AD转换，转换成数字信号，然后再用单片机进行数据处理，驱动液晶屏显示波形和相关参数。国外网友制作的这个数字示波器是用AVR单片机内部的AD转换器作AD转换的，由于AVR单片机内部的AD转换器采样率比较低，最高只能达到100k左右，因此只能用于观察小于10kHz的输入信号的波形。
    要解决这一问题可以使用外部的AD转换芯片，这样可将采样率大大提高，比如我这次用的TLC5510采样率可达到20M，现在反而是单片机来不及处理它输出的数据信号，所以往往要在它们之间加一个先进先出（FIFO）存储器作缓冲，先把数据快速读入这个存储器再让单片机慢慢处理，这就是我博客上介绍的数字示波器的模式，但这样一来电路就复杂一些了。我这次做的数字示波器就是省去了FIFO存储器，尽量提高单片机的处理速度使外接AD芯片采用尽可能大的采样率。这里TLC5510可用到3.43M的采样率，这样就使能测试信号的频率提高了很多。
    电路见下图：
   
    我只用了三块集成电路，其中CD4069的作用有两个：F1作线性放大用，其输入端接场效应管2SK168等组成的电压跟随器，输出信号供TLC5510作AD转换，为了简化电路和方便调试，这里采用了交流偶合方式；F2进一步对信号进行放大，放大的信号再由F3、F4等组成的施密特触发电路进行整形，整形后的脉冲供单片机ATmega8作频率计数用。
    TLC5510输出AD转换数据只要取高6位输送给单片机就可以了（因为采用的是LCD12864的液晶屏，垂直分辨率只要6位即可），LCD12864采用ST7565驱动芯片的液晶屏，因为这种驱动芯片除了并行通讯也可选用串行通讯的方式，这样可节省单片机的引脚，只要用4根线就可以向LCD12864传递数据，使我可以选择28脚的单片机（现在还多出5个引脚），既节约了成本又减小了示波器的体积。
    为了提高单片机的工作速度，ATmega8进行了超频，采用24MHz的晶振。
    ATmega8的PB3输出的脉冲信号作测试用。
2、固件程序
固件程序.rar (5.47 KB, 下载次数: 3406)

2011-12-27 20:33 上传

点击文件名下载附件

      熔丝位设置：SPIEN取0，其余均取1。

ntwhq

3、装配
元器件清单

    TLC5510是PSOP封装，脚的距离是1.27mm，要使用SMT24-1.27mm的转接板转换成DIP封装，这样才能在PCB万用板上装配，我没有SMT24-1.27mm的转接板，是用SMT28-1.27mm代替的（我焊接时忘了把TLC5510的1脚和转接板的1脚相对应，往电路板上安装时是以TLC5510的1脚为基准的，大家焊接时注意这一问题）。

    装配前先用洞洞板软件LochMaster30进行排版，排好的装配图如下：

      LCD12864买回来时数据传输均为并行模式，使用前必需改变为串行模式，改制方法见下图（把原来的并行接法的0欧电阻改接到串行接法处）：


       电路板装配图：


       外壳用有机玻璃制作


       这是面板图，夹在两层有机玻璃之间：

       做好的外壳：

ntwhq

4、调试
   调试很简单。
   开机LOGO画面：

   调试分两步：
   第一步：不接输入信号，调节RP2使水平扫描线和水平中心线重合。

     第二步：输入一已知电压峰峰值的测试信号，调节RP1使其峰峰值读数准确，也可用本机输出的脉冲信号作测试信号，在电池电压略高于5V时其电压峰峰值约为5V。

     调试结束后即可将电路板装入机壳中。

ntwhq

5、使用


     测试示波器本身输出的脉冲信号：
   1kHz脉冲信号

    10kHz脉冲信号

    100kHz脉冲信号

       测试信号发生器输出的正弦波：
   100kHz正弦波

     200kHz正弦波

       用频率计测量输出脉冲频率结果：

ntwhq

真的很不错。
stan10 发表于 2011-12-27 21:27

谢谢鼓励！

L.D.XIONG

精心制作的好作品！

ntwhq

精心制作的好作品！
L.D.XIONG 发表于 2011-12-28 09:02

谢谢梁老师鼓励加分！

ntwhq

谢谢坛友Julie 加分。

abcymda

很好，不错。出套件吧

qg2007

这个好，携带方便！

ntwhq

很好，不错。出套件吧
abcymda 发表于 2011-12-28 09:19

这东西不复杂，可以自己做，真要出套件还要设计一下PCB，就是机壳难找到现成的。

ntwhq

谢谢qg2007老师加分鼓励！

gb5808

这真的不错，

中国机器

这东西不复杂，可以自己做，真要出套件还要设计一下PCB，就是机壳难找到现成的。
ntwhq 发表于 2011-12-28 10:14

    做的不错，有实用性了，楼主可以到淘宝上找合适的外壳，然后根据外壳设计PCB，就OK了