基于AT89S52单片机的简易数字示波器设计[图]

摘要：介绍一种双通道简易数字示波器的设计方案，以AT89S52单片机作为控制核心，输入信号在经过预处理电路处理后，通过高速A/D转换器ADC0809，实现信号的实时采样、数据处理、存储并在液晶上显示，并用键盘做功能设置。该设计创新地实现了波形的存储/回放、双通道信号实时对比分析、程控放大提高灵敏度等方面。测试结果表明该系统稳定，具有测量频率高、波形清晰、可靠性高、成本低等特点，有很高的实用价值。

0 引言

数字示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。与传统模拟示波器相比，数字存储示波器不仅具有可存储波形、体积小、功耗低，使用方便等优点，而且还具有强大的信号实时处理分析功能，在电子电信类实验室中使用越来越广泛。

随着电子技术的发展和电路结构的变化，对电路测量的要求也变得更高。对广大理工科学生和从事电子等相关行业的普通工作者在电子制作、产品维修等中，很多电路参数需要测量分析，经常需要使用数字示波器。但目前我国使用的高性能数字示波器普遍价格昂贵，所以研究简易数字示波器具有重要意义。

1 系统结构和工作原理

1.1 系统结构

该设计以AT89S52单片机为控制核心，由预处理电路(包括阻抗变换、程控放大、信号调理电路)、A/D数据采集电路、E2PROM存储电路、功能键盘、LCD显示电路以及电源等部分组成。系统结构框图如图1所示。

1.2 工作原理

数字示波器有二个输入通道。预处理电路由阻抗变换、程控放大、信号调理电路组成。输入信号先经阻抗变换电路后进入程控放大电路，根据需要对信号进行放大(衰减)处理，然后信号再进入信号调理电路进行电平调整成为符合A/D转换要求的0～5V电压。之后输出的模拟信号经过高速A/D转换器AD0809实时采样变成数字信号，经过AT89S52单片机后储存在半导体存储器E2PROM中。单片机从存储器中读出信号进行运算处理，将波形显示在LCD液晶屏上。所有功能可由键盘操作完成。

2 硬件设计

2.1 单片机

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，具有8 192个在系统可编程FLASH存储器。采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。

系统采用AT89S52单片机作为主控芯片。单片机首先通过控制A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，之后将数字信号存储在E2PROM存储器中，最后在LCD液晶上显示出模拟信号的波形。

2.2 程控放大电路

程控放大电路的作用是对大信号进行衰减，对小信号进行放大，保证输入到A/D转换器的信号幅度在要求的输入电压范围内，以达到最好的测量与观察效果。采用模拟开关CD4051，运算放大器为OPA842，配合精密电位器实现多挡垂直分辨率。在AT89S52单片机中使用寄存器模块设置通道号，通过写入通道号控制模拟开关选通不同的反馈电阻，从而实现不同的放大倍数，具体的电路如图2所示。

2.3 信号调理

由于示波器观察信号大多是正负电压信号，而A/D转换器AD0809是单极性参考电压。为了采样到信号的负电压，就需要给该信号叠加直流量，将负电压部分信号抬高至零电平以上，因此采用信号调理电路，将信号调理在满足A130809的0～5V范围内。R1，R2，R3，U1即为程控放大电路的简化模块，电路如图3所示。

2.4 数据存储电路

E2PROM是数据存储电路的关键器件，本文选用Atmel公司新近推出的具有I2C总线容量达512Kb(64K×8b)的AT24C512。该芯片的主要特性如下：存储容量为65536B；与100kHz，400kHz，1MHzI2C总线兼容；100000次编程/擦写周期；单电源、读/写电压为1.8～5.5V；ESD保护电压大于4kV；写保护功能，当WP为高电平时，进入写保护状态；CMOS低功耗技术，最大写入电流为3mA；128B页写入缓存器；自动定时的写周期。SDA线和SCL分别与单片机的P2.4和P2.5口相连。数据存储电路如图4所示。

2.5 其他硬件电路