“双核”示波器的硬件描述与程序设计

通过我的“蛊惑”，想必大家都想自制一台示波器玩玩，那就继续跟着我走吧！所有的电子设备都离不开硬件，首先让我来对它的硬件结构进行一下简述：总体电路的系统框图见图1，前面已讲过，为了提高性能，本电路采用“双核”结构，两片AVR单片机协同工作，MCU1用于控制和频率测量，MCU2用于数据处理和显示控制，两片单片机采用SPI总线通信。信号从探头输入，进入程控放大（衰减）电路进行放大（衰减），再对被放大（衰减）的信号进行电平调整后送入高速AD转换器对信号进行采样，采样所得的数据存入FIFO存储器中，当FIFO存满后通知MCU2，MCU2从FIFO存储器中读出数据进行处理，将波形显示在LCD模块上。时钟电路为高速AD转换器和FIFO存储器提供从600Hz～60MHz的8种不同的频率信号作为不同水平扫速时的采样时钟频率。从程控放大器输出的信号一路送入AD转换器，另一路送入整形电路对输入信号进行整形，作为测频率的待测信号送入MCU1的16位计数器外部触发引脚T1（PD5），进行频率测量，程控放大器的放大（衰减）倍数和时钟电路的输出频率均由MCU1控制。MCU1将被测信号的频率、程控放大器的放大倍数和时钟电路的输出频率等数据通过SPI总线发送给MCU2，MCU2以这些数据作为频率、水平扫速、灵敏度和峰峰值计算、显示的依据。

下面就各个模块电路做一简单介绍。

1.程控放大电路和电源电路

将程控放大电路与电源电路放在一起讲，是因为他们不仅有着密切的联系，而且还是做在一块电路板上的。

程控放大器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，达到最好的测量与观察效果，所以程控放大器电路在规定带宽内的增益一定要平坦，故对运算放大器的要求比较高，在本电路中我选用的是NS公司生产的高速运算放大器LM6172 双运放，带宽为100MHz，转换速率3000V/μs,每通道消耗电流2.3mA，输出电流可达50mA，完全满足本电路的要求，选择该芯片的另一个原因是价格，邮购价格为8元一片，相比ADI、MAX等公司几十元一片的高速运放芯片来说算是很廉价了，电源采用正、负双电源供电，由于整个电路总的电源输入为单8V，所以专门用一片DC/DC电路MC34063为其构成了负压转换器，再经稳压得到-5V电压，+5V通过对输入电压稳压得到。

程控放大器电路如图2所示，被测信号从BNC插孔输入，K0继电器决定输入耦合方式，K0吸合为直流耦合方式，K0断开为交流耦合方式。信号通过交、直流耦合选择开关后被送入由R3～R5和C2～C4组成的 ×0.5/×0.05的衰减电路，衰减倍数由K1控制，当K1未吸合时接在“3”端，对应的衰减倍数为（R 4+R 5）/（R 3+R 4+R 5）=0.5，当K1吸合时接在“1”端，对应的衰减倍数为R5/（R3+R4+R5）=0.05，C2、C3对高频信号进行补偿。经过衰减的信号进入由高速运算放大器U1A组成的缓冲器缓冲，然后被送入由U1B组成的×-0.8/×-2/×-4的反相放大电路，放大倍数由K2和K3控制，当K2、K3均未吸合时对应的放大倍数为-(R9+R10)/R7=-2，当K2吸合K3未吸合对应的放大倍数为-R 9/R7=-0.8，当K3吸合则不用考虑K2的情况，但为降低功耗使K2断开，此时对应的放大倍数为-R 8/R 7=-4。输出信号又通过K4选择是否经由U2A组成的同相放大器放大，当K4未吸合，则不经过同相放大，当K4吸合，则信号被放大 (R 11+R 12)/R 11=10倍，最后信号被送入由U2B组成的放大倍数为-1倍的反相放大器来消掉由第一级反相放大器所带来的负号，与此同时U3A送来的反相基线电压由 U2B反相后作为AD转换器的输入中点电压被叠加在被测信号上送入AD转换器，因为ADS830E的模拟输入电压范围是1.5～3.5V，输入中点电压为 2.5V，所以基线电压应为2.5V。调节可变电位器RP1将调整基线电压的值，从而调整基线的位置。程控放大电路的放大倍数以及垂直电压灵敏度与 K1～K4的关系见表1。 “L”代表继电器未吸合，“H”代表继电器吸合，确定继电器的常闭触点和常开触点很重要，因为继电器的吸合需要消耗一定电流，我选用的继电器型号为 TO2-5V，吸合电流为15mA。在常用的3个灵敏度上（0.5V/div，0.2V/div，0.1V/div）最多只有一个继电器吸合，继电器的驱动由ULN2003AD担任。这种由运算放大器构成组合程控放大器的思想也可用于别的放大电路，平时多总结积累电路模型对提高电路设计能力非常有帮助，这个电路你记下了吗？ 电源电路为整个示波器提供能源，作用非常重要！电路见如图3所示。

该示波器电路中供电分为数字和模拟两部分。为避免相互干扰，将数字部分的供电与模拟部分的供电分开，分别用独立的稳压电路，并用电感与电容做成的滤波器隔离。数字部分需要单+5V电源，由一片LM7805CT对8V 电源电压稳压得到。模拟部分主要是程控放大器电路和AD转换器的模拟输入电路，程控放大器电路需要±5V双电源，AD转换电路的模拟部分需要+5V的单电源，+5V电压由LM317T对8V电源电压稳压得到，而－5V电压专门用一片DC/DC芯片MC34063AD将+8V转换成约－8.3V，DC/DC 输出电压由R30和R31决定，VOUT＝(R30+R31)/R31×1.25V＝－8.25V，输出的负电压由负压稳压芯片LM337T稳压得到－5V，为避免DC/DC电路对其他电路产生干扰，在其输入和输出端分别串联L4和L5进行隔离，在选择元件时蓄能电感L3选择磁罐封装带屏蔽的电感，使干扰降到最低。