基于Arduino的数字示波器
一、概述
经常在网上 看到有人制作数字示波器,数字示波器必须有数模转换单元,根据数模转换方式可以将电路分为两种模式:1.专用ADC芯片+单片机,2.利用单片机内部的ADC作数模转换。对于第一种模式我也做过两种(见我的博客: http://blog.sina.com.cn/ntwhq ),这种模式电路要复杂一点,元器件也较难配齐,对初学者来说比较困难。第二种结构比较简单,容易制作,但有一个明显的缺点,就是带宽比较窄,其中一个比较典型的作品是国外网友制作的:http://www.serasidis.gr/circuits/AVR_oscilloscope/avr_oscilloscope.htm ,这个示波器的带宽只有7.7KHz。国内也有网友用AVR和STC单片机制作的,但实际带宽均不超过10KHz。
最近看到有网友用Arduino做示波器,这可以说比上面的第二种方式还要简单,但观察其制作的效果却不理想,带宽很窄。因此我也想试一下,看看又没有好的方法来解决这一问题。通过实验制作,不断修改代码,提高数模转换的取样率,取得了很好的效果。
最终作品的主要参数:
频率响应: 10Hz-50KHz
电 源: 5V
LCD液晶屏: 128×64(ST7920)
测量显示区:96×64
信息显示区:32×64,显示测试信号的频率、Vpp等内容
同步方式:上升沿触发
扫描速度:0.02ms/div~10ms/div,按1-2-5进位分九档
Hold功能:冻结显示波形和参数
二、基础试验
使用Arduino 做项目的最大优势就是其丰富的资源,同时也不需要了解太多单片机的知识。我下面的制作就利用了一个LCD的资源库u8glib,使得编程变得简单多了,不然LCD的驱动会花费你好多时间。
下面是我先用Arduino UNO搭建的试验电路,LCD使用ST7920控制的12864液晶屏。
只要输入法下列代码,编译下载后就能实现数字示波器的基本功能了,是不是很简单?
#include <U8glib.h> //声明库
U8GLIB_ST7920_128X64_4X u8g(13, 12, 11); // 声明液晶屏 SPI Com: SCK =13, MOSI = 12, CS = 11
int x,y; //绘点坐标
int Buffer[128]; //缓存值储存数组
void setup( ) { }
//采样
void sample( )
{
for(x = 0;x < 128;x++)
Buffer[x] = analogRead(A0); //信号采样
for(x = 0;x < 128;x++)
Buffer[x] = 63-(Buffer[x]>>4); //计算纵坐标值
}
//显示
void draw( )
{
for(x = 0;x < 127;x++)
u8g.drawLine(x,Buffer[x],x,Buffer[x+1]); //画相邻两点连线
u8g.drawLine(64,0,64,63); // 画坐标轴
u8g.drawLine(0,32,128,32);
for(x=0;x<128;x+=8) //画坐标轴刻度
u8g.drawLine(x,31,x,33);
for(x=0;x<64;x+=8)
u8g.drawLine(63,x,65,x);
u8g.drawFrame(0,0,128,64); //画边框
}
void loop( )
{
sample(); //采样
u8g.firstPage(); //清屏
do draw( ); //显示
while( u8g.nextPage( ));
}
显示效果:
利用这个试验电路,我测量了Arduino 直接使用analogRead() 函数完成一次数模转换的时间约为111微秒,转换速度很慢,因此其带宽只有1KHz多点, 接下来的首要任务就是提高数模转换速度,同时增加其它功能。
三、最新程序
上述程序ADC使用片内1.1V基准电压,如果要使用片外5V基准电压,应将程序中
ADMUX=0xe0; 改为:ADMUX=0x60;
Vpp=(V_max-V_min)*1.1/255;改为: Vpp=(V_max-V_min)*5/255;
四、整机制作
上面做试验用的是Arduino UNO,实际制作时使用Arduino PRO mini,这样才能有小体积。
电路图:
主要元器件清单:
名称 数量
Arduino PRO mini 1
LCD12864液晶屏(ST7920) 1
电解电容器(100μ 25V) 1
电位器(50k) 1
洞洞板 2
按钮开关 3
电源开关 1
电池盒(配7号充电电池) 1
机壳 1
1、焊接Arduino PRO mini 插针。
2、 焊接电路板元件
3、制作LCD洞洞板
4、组装电路板
5、制作机壳
我用了一个充电宝的塑料包装盒改制机壳,在相应的地方打上孔。
6、总装
将电路板装入机壳,用厚点的白纸做一个面板,贴在前面板内侧。
五、程序下载与测试
由于 Arduino PRO mini 不自带USB转串口的电路,所以要通过一根USB转串口的下载线才能下载程序。
示波器的调试很简单,只要调节50k电位器使水平扫描线居中即可。
我用一台信号发生器作信号源。
开机LOGO
测试图:
这是一个最简单的数字示波器,可以在此基础上进一步完善;
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