示波器是最常用的电子测量仪器之一，它可以将肉眼看不见的电信号转换为可见图像。为了便于携带，我制作了一个简单的数字示波器（见图22.2)，材料成本只有150元左右，这款数字示波器的设计理念是：简单实用，价格低廉，制作方便。

主要性能指标：

最高采样率：20MSa/s

模拟带宽：4MHz

输入阻抗：1MΩ

垂直灵敏度：0.01V/div～5V/div(1-2-5递进，共9档)

水平扫描速度：1.5μs/div～6ms/div(1-2-5递进，共12档)

垂直分辨率：8位

显示屏：2.4 英寸 TFT320×240(驱动控制芯片：ILI9325)

在测量过程中，信号的频率和电压峰值可以同时显示，信号可以保持(HOLD)功能。

电路工作原理

众所周知，模拟示波器采用阴极射线示波管(CRT)数字示波器显示被测信号波形LCM(LCD显示模块，块LCD并显示驱动控制芯片)显示被测信号波形。因为LCM每个显示像素对应一个地址，地址用数据表示，每个像素的颜色也用数据表示。因此电路向LCM数据编码信号的发送决定了它不同于模拟示波器的电路结构。

数字示波器的结构框图如图22所示.它由垂直输入电路，A/D由转换电路、数字信号处理和控制电路、液晶显示电路、电源电路等组成。

通过垂直输入电路放大输入电压信号，以提高示波器的灵敏度和动态范围。取样输出信号后 A/D 转换器实现数字化，模拟信号变成了数字形式存入存储器，微处理器对存储器中的数据根据需要进行处理，最终在显示屏上显示测量波形和相关的参数，这就是数字存储示波器的工作过程。

如图22所示.4.以下是各单元电路的介绍。

1. 垂直输入电路

垂直输入电路由双运算放大器计算LM6172和衰减电路。有两个基本要求：一是控制放大倍数，二是有足够的带宽来满足设计要求。

为了将输入信号电压调整到A/D转换电路的最佳采样范围，以便得到最合理的显示波形，在信号电压较小时要进行放大，在信号过大时要进行衰减。

示波器输入信号的频率范围也很广。为了使垂直输入电路具有相对平坦的频率特性曲线，即不同频率信号放大电路的增益基本相同。因此，选择了高速双运输LM6172，其带宽为100MHz，并在衰减电路中添加频率补偿电容。

电阻R1、R2、R3和继电器K1、K2、K衰减电路由3档组成：1:1、1:10、1:10、1:100K1、K2、K3控制。一级操作放大器接成电压跟随器的模式，主要起缓冲作用，提高输入阻抗，降低输出阻抗。电阻系列负反馈电路的二次操作放大器模式R6、R7、R8和继电器K4、K5等形成3档增益调节电路，放大器的增益由K4、K5控制。当触点K4闭合时增益为(R6 R9)/R6;当触点K4开启、K5闭合时增益为(R6 R7 R9)/(R6 R7);当触点K4、K5均开启时增益为(R6 R7 R8 R9)/(R6 R7 R8)。根据电路图中各电阻的值，本级3档的增益分别为25和12.5、5。

继电器K1～K5工作状态由单片机控制，因此垂直输入电路是程控放大器。垂直灵敏度和K1～K工作状态对应关系见表22.1(1表示闭合，0表示断开)。

2. A/D 转换电路

我们知道，A/D转换电路的作用是数字化模拟信号。将连续信号实现到离散信号的过程称为采样。单片机只能在采样和量化后处理连续信号。通过测量等时间间隔波形的电压振幅值，将电压值转换为二进制代码表示的数字信息，即数字示波器的采样。采样过程见图22.5。采样时间隔越小，重建的波形越接近原始信号。例如，示波器的采样率为10MSa/s，即每秒采样10M次，表示每一次 0.1μs采样一次。采样率是数字示波器最重要的指标。

根据Nyquist采样定理，当采样最高频率为f的模拟信号时，采样率必须超过f的两倍，以确保原始信号从采样值完全重构。对于正弦波，根据采样数据恢复原始波形，每个周期至少需要两次采样。在数字示波器中，为了减少显示波形的失真，采样率应至少为被测信号频率的5~8倍。由于最高采样率为20，本文介绍的数字示波器采样率是测量信号频率的5倍MSa/s，因此，当被测信号的带宽为4时MHz测量结果较好。

受制于采样率的提高A/D转换芯片的工作速度，本文电路中使用的单片机ATmega虽然内部也有16A/D但其工作频率过低，不能满足数字示波器的采样要求。所以我们用高速公路A/D转换芯片ADS830E，最高采样率可达60%MSa/s。ADS830E由于选择的转换精度为8位二进制数，即垂直分辨率为256LCM的分辨率为320×240对应的垂直分辨率为240，因此ADS830E能完全满足分辨率的使用要求。

ADS830E的IN(17脚)是供采样模拟信号的输入端，CLK(10脚)是采样时钟信号输入端。每次输入时钟脉冲一次A/D转换后的8位二进制数据由D0～D7输出。ADS830E11脚可控制输入电压范围，11脚高电平时，ADS830E输入电压范围为1.5～3.5V;输入电压范围为2~3V。这里选用1.5～3.5V输入电压范围为2.5V，电位器采用中点电压RP进行调节。当IN输入电压为1.5V时，D0～D输出的转换数据为07x00，当IN输入电压为3.5V时，D0～D输出的转换数据为07xff，即255。

3. 数字信号处理与控制电路

单片机通过数字信号处理和控制电路ATmega16、FIFO(先进先出)存储器IDT7205，4个2输入，74个非门HC00等组成。

单片机ATmega16在电路中的主要作用是:(1)对A/D处理转换后的数字信号，转换成LCM输出显示可接受的数据格式；(2)生成ADS830E、IDT7205工作所需的时钟脉冲信号；(3)控制和调整示波器参数，输出继电器的控制信号。

FIFO存储器IDT7205是一种双端口存储缓冲芯片，具有控制端、标志端、扩展端和8192×9的内部RAM阵列，12ns高速存取时间。在先进先出的基础上，内部读写指针可以自动写入和读取数据。当数据输入到数据输入端口时D0～D可由控制端控制Wclk控制数据的写入。为了防止数据溢出，可以使用标志端满FF、半满HF注明数据的写入情况，写入时由内部写入指针安排。由于内部RAM对于阵列的特殊设计，先存储的数据将先读取。如果需要外读数据，控制端可以Rclk控制数据的读取。RST为复位端。Wclk、Rclk、RST均由单片机ATmega提供脉冲控制。数据输出端口Q0～Q8为三态，无读信号时呈高阻态。输入数据位D0～D8.输出数据位Q0～Q这里的输入和输出只有8位，即只有9位D0～D7和Q0～Q7。

读到这里，有些读者可能会问：ADS830E输出端口D0～D直接输入输出直接输入ATmega16的PA端口不好吗？为什么要在中间加一个？IDT7205?这是因为ADS830E工作速度比ATmega16快得多，即ATmega16读取数据的速度比ADS830E如果直接连接，输出数据的速度很慢ATmega16就拖了ADS830E的后腿。加上IDT7205后起到缓冲作用，ADS830E首先存在转换结果IDT7205内，等到ATmega16需要时，再从IDT7205中读出来。

ADS830E采样时钟和IDT为了保证两者同步，7205钟源，以确保两者同步。时钟脉冲信号由ATmega由于16使用内部定时器，ATmega16外晶频率为20MHz，因此，最高时钟信号只能达到10MHz，为使采样率达到200MSa/s，使用了74HC由00等组成的倍频电路。若ATmega16 PD7端输出的脉冲信号频率为f，则74HC00的F脉冲信号的输出频率为2f，如图22所示.6所示。

K1～K5是干簧继电器，其特点是吸合释放时噪音小，功耗低。由于吸合电流小，可直接使用ATmega16输出端口驱动。

SB1～SB5.示波器调节按钮。SB1、SB2.水平扫描速度调节按钮SB1时μs/div增加值(降低水平扫描速度)SB2时μs/div降低值(增加水平扫描速度)；SB3、SB4.按下垂直灵敏度调节按钮SB3时V/div值增加(垂直灵敏度降低)，按SB4时V/div值降低(垂直灵敏度增加)；SB5是波形保持(HOLD)按钮，按一下测量波形被冻结保持，同时在显示屏上显示字符“HOLD再按一次，恢复正常测试状态。所有调整参数均显示在液晶屏上，调整参数自动保存ATmega16的EEPROM中下次开机时有关参数将预设在上次关机前的设定值上。

4. 显示电路

LCM采用2.4英寸TFT彩色液晶屏，分辨率为320像素×240像素，驱动控制芯片为ILI9325，该芯片传递数据8/16接口位兼容，使用8位接口时能够节省单片机的输出端口，在8位接口工作状态时16位数据分两次传递，速度稍慢。数据端口D0～D15中的高8位D8～D15为8位接口使用的端口。8/16接口位的选择由端口IM0控制，IM0接高电平时为8位接口工作状态，IM0接低电平时为16位接口工作状态。

电路中ILI9325的工作电压是3V，ATmega16的工作电压是5V，两者高电平不一致，通信端口相连时要进行电平转换，因为这里只需要ATmega16向ILI9325单向传递数据，所以只需要将5V向3V电平转换，不需要将3V电平向5V电平转换，就不必使用专用的电平转换芯片，只要用电阻分压电路将5V高电平转换成3V高电平就行了。电路中R14～R35组成电阻分压电路，连接端口有8个数据端口和3个控制端口。

5. 电源电路

这个数字示波器使用了交流电源，提供+5V、−5V、+3V三种直流电压。

程序设计

设计好电路只是为数字示波器奠定基础，更重要的是单片机程序的设计。实际上在设计硬件时既要考虑到功能，也要考虑到程序设计的需要。比如对单片机的选型，主要考虑功能、工作速度、端口的数量、程序存储器Flash的容量、RAM的容量、有没有EEPROM等。综合考虑后选用AVR单片机ATmega16，它的程序存储器Flash为16KB，RAM为1KB，使用时将16MHz的时钟频率超频到20MHz，经过对其资源合理分配，完全可以满足设计要求。

程序的开发环境为ICC-AVR V6.31A，使用 C语言编写。程序采用了分时控制、顺序调度的工作方式，没有使用任何中断程序，程序流程图如图22.7所示。

下面对主要部分进行分别介绍。

1. 垂直灵敏度控制

按钮SB3、SB4用来调节垂直灵敏度，按动后通过键盘扫描程序可以增加或减小程序中变量Key_ver的值，Key_ver取值范围为1～9，分别对应9挡垂直灵敏度，通过Key_ver的取值控制继电器K1～K5的工作状态，从而得到相应的灵敏度。

以K1为例，K1接ATmega16的PB0端口，有关宏定义为：

#define K1_ON PORTB &=～(1<

#define K1_OFF PORTB |= (1<

因此，K1_ON表示PB0输出低电平，K1闭合，触点接通;K1_OFF表示PB0输出高电平，K1释放，触点断开。

2. 水平扫描速度控制

水平扫描速度控制是通过改变A/D转换电路的采样率来实现的，按动SB1、SB2可以改变程序中变量Key_hor的值，Key_hor取值范围为1～12，分别对应12挡水平扫描速度。

A/D转换电路所需的采样时钟脉冲用ATmega16的8位定时器/计数器2-T/C2产生，选择CTC工作模式。其工作参数主要由控制寄存器TCCR2、计数寄存器TCNT2、输出比较寄存器OCR2决定。TCCR2中的位CS22、CS21、CS20的取值确定T/C2的时钟源的分频系数，OCR2中的数据用于同TCNT2中的计数值进行连续的匹配比较，一旦TCNT2计数值与OCR2的数据相等，单片机端口OC2的输出电平即取反，这样即可输出脉冲信号。脉冲信号的频率f由时钟源的分频系数和OCR2的预置值决定，计算公式为f=时钟源频率/(2×(1+OCR2))，OC2输出的脉冲信号经倍频后作为采样时钟信号，相关参数之间的关系见表22.2。

只要对寄存器TCCR2、OCR2的值进行设置，就可以获得我们所需频率的采样时钟信号。

3. 数据的存储和读取

ADS830E的采样数据存入IDT7205后达到一定数量就停止采样，再将IDT7205存储的数据读入ATmega16，程序中用一个数组RAM[650]来存储读取的数据，存储容量为650，即一次读取650个采样数据。

仔细看了电路图的读者可能会发现，IDT7205的满FF端口并没有使用，为什么不用呢?这是因为ATmega16的RAM容量只有1KB，只能分配约650个存储单元用来存储从IDT7205读取的数据，IDT7205存多了数据也没有用，ATmega16不能全部存储，多余的数据就丢弃了，还不如少读点数据节省时间，提高显示波形的刷新频率。这在采样时钟频率较低时效果尤为明显，因为采样时钟频率越低，采集一个数据所花的时间越长。以采样时钟频率5kHz为例，如果要将IDT7205存满8192个数据，所需要的时间为8192/5000≈1.6s, 显示波形1.6s以上才能刷新一次，这显然是不行的。如果存满700个就结束，则所需要的时间为700/5000=0.14s,刷新速度提高了很多。

从上面的分析可以看出，FIFO存储器其实使用IDT7202就够了，IDT7202有1024个存储单元。不过笔者只买到了DIP封装的IDT7205，虽然有点大材小用，但为以后数字示波器升级提供了空间。FIFO存储器存储数据的容量称为数字示波器的存储深度，也称记录长度，存储深度也是数字示波器的一个重要技术指标，适当存储深度便于对显示波形进行分析和处理。

不使用FF端口是如何控制IDT7205存储数量的呢?我在IDT7205存储数据时根据不同的采样时钟频率设置了不同的延时时间，在此时间内能存入多于700个数据即可。延时结束后即将IDT7205的存储数据读入ATmega16。

由于ADS830E每次重新进入工作状态要有一个稳定的过程，开始采样的几个数据精度不高，因此在读取IDT7205数据时先空读50个数据，将这些数据丢弃，然后再将后面的数据读入ATmega16。

4. 数据计算处理

数据计算处理工作主要包括同步触发信号检测、信号电压峰峰值测量、信号频率测量。这部分程序设计的思路是：

先在650个数据的前350个数据中以显示屏的垂直中点对应数据120为基准，找到同步触发信号。之所以在前350个数据中找同步触发信号，是为保留后面至少有300个数据供显示波形用。找到同步触发信号后，则把对应该点数据为起点的连续300个数据作为显示数据。

然后找到650个数据中的最大值和最小值，求最大值和最小值的算术平均数，即可得到中点电压值，检测信号相邻两次向上穿过中点的时间差即可计算出信号的周期。

5. LCM的控制与显示

TFT-LCD显示屏的分辨率为320像素×240像素。显示屏的每一个像素都对应着驱动控制芯片ILI9325内部存储器唯一的一个地址(x，y)，x为横坐标，寻址范围为0～319;y为纵坐标，寻址范围为0～239。在像素对应地址写入16位颜色数据就可以显示相应的颜色，如果某一点要清除，只要对该像素对应的地址写入背景色就可以了。由于这里ILI9325采用8位接口工作模式，因此传递16位数要分两次进行。

因为数字示波器既要显示被测信号的波形，也要显示有关的测量数据，如电压峰峰值、频率、水平扫描速度、垂直灵敏度等，所以必须对显示区域进行合理的划分，并对颜色进行规划设置，分配好的显示区域如图22.8所示。图中用来显示波形的区域为中间的300×200。在这个区域画了刻度线，将水平方向分成10格，垂直方向分成8格。其余区域用来显示各种数据。

对ILI9325最基本的操作有两种：发送命令和发送数据。无论是显示屏的初始化，还是设置显示地址和显示颜色，都要用到这两种基本操作。

显示被测信号波形的过程是：先清除上一帧显示波形，然后画刻度线(刻度线每次都要重画，因为有些和显示波形交叉的点也被清除了)，最后画新的一帧信号波形，同时备份数据作下一次清除用。显示信号波形时，存储器地址(x,y)中的x代表水平扫描信号所处的位置，y代表信号电压的大小。每次刷新信号波形时，信号电压峰峰值和信号频率显示数据也同时刷新一次。水平扫描速度和垂直灵敏度的数据只有在重新调整后才刷新。

元器件选择

主要元器件的清单见表22.3。

经过试验，我发现在工作电压为5V时，单片机ATmega16和ATmega16L在时钟频率为20MHz下均能正常工作。因此，如果你手头只有ATmega16L也可以使用。

IDT7205如果使用PLCC封装的芯片，请注意引脚编号不同。

干簧继电器也可以选用其他型号的，只要工作电压是5V，闭合电流小于20mA即可。

机箱我选用的是成品塑料机箱，你也可以用其他样式的，或者自己用有机玻璃DIY。

显示屏和ADS830E的两块转接板是必须要用的，不然无法在万能板上安装，可以设法和元器件一起采购。

显示屏的品牌很多，你很难买到和我一样的品牌。但有一点要注意，驱动控制芯片一定要是ILI9325的，如果不是，你就要修改程序了，不同的芯片即使是同一系列，驱动程序也往往不兼容。即使驱动芯片一样，不同品牌的显示屏引脚编号也可能不一致，接线时要仔细对照。另外有一点提醒一下：我买的显示屏的4个背光二极管是并联的，我是把它们公共的阳极串接一个电阻(不知道模块内部有没有限流电阻，还是外接一个电阻保险)接到+5V电源，如果你买的显示屏的背光二极管是串联的，要求的工作电压就高了，接到+5V是不能发光的，可串连一个100Ω(电阻的取值使发光二极管工作电流不超过20mA为宜)接到LM7805的输入端，此处的电压约有10V，可以满足驱动要求。

安装

安装前先将目标文件dso.hex写入单片机ATmega16，特别提醒一下：用编程器将目标文件调入时要选择“缓冲区预先填充00”选项，否则在显示屏显示字符时会出现色块。如果你用下载线写入文件，则往往不提供该选项给你选，会直接把缓冲区都填入了FF，见图22.9上半部分，这时你可以手工编辑一下，把方框中的FF全部改为00，结果见图22.9下半部分。

5个按钮开关单独安装在小的万能板上，见图22.10。其余的元件除显示屏直接固定在机箱面板上外，都安装在大的万能板上。接线时注意同一单元要一点接地，数字地和模拟地要分开。三端稳压器LM7805要加一个小的散热片。

机箱的面板根据显示屏的大小、按钮开关和BNC插座的安装位置开孔，面板上的标记可打印在一张纸上，再用1～2mm的透明有机玻璃做一块尺寸一样的面板(对应显示屏的位置不开窗口，正好做防护屏)，再把打印好的纸夹在两层中间，用螺丝固定好后，面板就做好了。

按钮开关电路板是直接用4个螺丝固定在面板上的，显示屏可用热熔玻璃胶固定，把显示屏在窗口摆正位置后，在4个角用热熔玻璃胶固定一下就可以了。

安装好的示波器内部结构见图22.11。

调试

如果安装时没有接线错误，元器件没有质量问题，调试还是比较容易的。

调试分4步进行。

(1)各单元先不接电源，测量电源部分输出电压是否正常，正常后再接通各部分的电源。

(2)检查显示屏工作是否正常，接通电源，显示屏初始化后先是全屏显示白色闪亮一下，然后显示刻度线和相关数据。如果开机后显示屏没有反应，先检查单片机有没有正常工作，如按动K3、K4继电器的工作状态应该有所改变。如正常再查显示屏的连线和供电是否正常，直至显示正常才能进入下一步。

(3)将示波器输入端信号线短接，调节电位器RP，使其中点电压为2.44V(注意不是1.5～3.5V的中点电压2.5V，因为显示屏垂直方向中点的值是120，120是2.44V电压经A/D转换后对应的值，对应2.5V电压的A/D转换值是255/2)，这时候可以看到一条水平扫描线出现在水平中线附近，见图22.12，仔细调节RP，使得其和水平中线重合。

(4)对衰减器的频率补偿电容进行调整，将垂直灵敏度调到0.5V/div，输入 200kHz、幅度1V的方波，改变电容C2的容量，使示波器显示的方波波形最好;再将垂直灵敏度调到1V/div，输入200kHz、幅度2V的方波，改变电容C3的容量，使示波器显示的方波波形最好。频率补偿电容与方波波形的关系见图22.13。

装配调试好的数字示波器的使用效果见图22.14。