基于S12的简易数字示波器的设计方案

2015-04-23 09:32:30   来源:elecfans   

关键字: 数字示波器  S12

  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:

  数字示波器硬件模块连接图

  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。

  程控放大接口模块

  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.

  AD转换与FIFO接口模块

  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。

  时钟电路设计原理图

  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。

  电源电路设计框图

 

  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。

  整形电路示意图

  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。

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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0423/article_11512.html
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