NO.22 基于Arduino的數(shù)字示波器(完成)

lhktija 2014-10-10

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基于Arduino的數(shù)字示波器

一、概述

   經(jīng)常在網(wǎng)上看到有人制作數(shù)字示波器，數(shù)字示波器必須有數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，根據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換方式可以將電路分為兩種模式：1.專用ADC芯片+單片機(jī)，2.利用單片機(jī)內(nèi)部的ADC作數(shù)模轉(zhuǎn)換。對于第一種模式我也做過兩種(見我的博客： http://blog.sina.com.cn/ntwhq )，這種模式電路要復(fù)雜一點(diǎn)，元器件也較難配齊，對初學(xué)者來說比較困難。第二種結(jié)構(gòu)比較簡單，容易制作，但有一個明顯的缺點(diǎn)，就是帶寬比較窄，其中一個比較典型的作品是國外網(wǎng)友制作的：http://www./circuits/AVR_oscilloscope/avr_oscilloscope.htm ，這個示波器的帶寬只有7.7KHz。國內(nèi)也有網(wǎng)友用AVR和STC單片機(jī)制作的，但實(shí)際帶寬均不超過10KHz。
      最近看到有網(wǎng)友用Arduino做示波器，這可以說比上面的第二種方式還要簡單，但觀察其制作的效果卻不理想，帶寬很窄。因此我也想試一下，看看又沒有好的方法來解決這一問題。通過實(shí)驗(yàn)制作，不斷修改代碼，提高數(shù)模轉(zhuǎn)換的取樣率，取得了很好的效果。
      最終作品的主要參數(shù)：
      頻率響應(yīng)：  10Hz-50KHz
   電源：  5V
   LCD液晶屏： 128x64（ST7920）
   測量顯示區(qū)：96x64
   信息顯示區(qū)：32x64，顯示測試信號的頻率、Vpp等內(nèi)容
   同步方式：上升沿觸發(fā)
      掃描速度：0.02ms/div~10ms/div,按1-2-5進(jìn)位分九檔
      Hold功能：凍結(jié)顯示波形和參數(shù)

二、基礎(chǔ)試驗(yàn)

   使用Arduino 做項(xiàng)目的最大優(yōu)勢就是其豐富的資源，同時也不需要了解太多單片機(jī)的知識。我下面的制作就利用了一個LCD的資源庫u8glib，使得編程變得簡單多了，不然LCD的驅(qū)動會花費(fèi)你好多時間。
   u8glib 下載：

u8glib_arduino_v1.13.zip (989.55 KB, 下載次數(shù): 858)
下面是我先用Arduino UNO搭建的試驗(yàn)電路，LCD使用ST7920控制的12864液晶屏。

只要輸入法下列代碼，編譯下載后就能實(shí)現(xiàn)數(shù)字示波器的基本功能了，是不是很簡單？

[C] 純文本查看 復(fù)制代碼

#include <U8glib.h> //聲明庫

U8GLIB_ST7920_128X64_4X u8g(13, 12, 11); // 聲明液晶屏 SPI Com: SCK =13, MOSI = 12, CS = 11

int x,y; //繪點(diǎn)坐標(biāo)

int Buffer[128]; //緩存值儲存數(shù)組

void setup( ) { }

//采樣

void sample( )

{

for(x = 0;x < 128;x++)

Buffer[x] = analogRead(A0); //信號采樣

for(x = 0;x < 128;x++)

Buffer[x] = 63-(Buffer[x]>>4); //計(jì)算縱坐標(biāo)值

}

//顯示

void draw( )

{

for(x = 0;x < 127;x++)

u8g.drawLine(x,Buffer[x],x,Buffer[x+1]); //畫相鄰兩點(diǎn)連線

u8g.drawLine(64,0,64,63); // 畫坐標(biāo)軸

u8g.drawLine(0,32,128,32);

for(x=0;x<128;x+=8) //畫坐標(biāo)軸刻度

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); //畫邊框

}

void loop( )

{

sample(); //采樣

u8g.firstPage(); //清屏

do draw( ); //顯示

while( u8g.nextPage( ));

}

顯示效果：

         利用這個試驗(yàn)電路，我測量了Arduino 直接使用analogRead() 函數(shù)完成一次數(shù)模轉(zhuǎn)換的時間約為111微秒，轉(zhuǎn)換速度很慢，因此其帶寬只有1KHz多點(diǎn)，接下來的首要任務(wù)就是提高數(shù)模轉(zhuǎn)換速度，同時增加其它功能。

三、最新程序
      下面是最新的源代碼，使用時請保留我的開機(jī)LOGO，呵呵。

Arduino_oscilloscope.rar (2.44 KB, 下載次數(shù): 813)

四、整機(jī)制作

上面做試驗(yàn)用的是Arduino UNO，實(shí)際制作時使用Arduino PRO mini，這樣才能有小體積。

電路圖：

   主要元器件清單：
      名稱                                                          數(shù)量
   Arduino　PRO mini                                     1
      LCD12864液晶屏（ST7920）                      1
      電解電容器（100μ 25V）                            1
      電位器（50k）                                           1
      洞洞板                                                          2
      按鈕開關(guān)                                                    3
      電源開關(guān)                                                    1
      電池盒（配7號充電電池）                         1
      機(jī)殼                                                             1

    1、焊接Arduino　PRO  mini 插針。

2、焊接電路板元件

3、制作LCD洞洞板

4、組裝電路板

5、制作機(jī)殼
我用了一個充電寶的塑料包裝盒改制機(jī)殼，在相應(yīng)的地方打上孔。

6、總裝
將電路板裝入機(jī)殼，用厚點(diǎn)的白紙做一個面板，貼在前面板內(nèi)側(cè)。

五、程序下載與測試

   由于 Arduino PRO mini 不自帶USB轉(zhuǎn)串口的電路，所以要通過一根USB轉(zhuǎn)串口的下載線才能下載程序。
   示波器的調(diào)試很簡單，只要調(diào)節(jié)50k電位器使水平掃描線居中即可。
   我用一臺信號發(fā)生器作信號源。

開機(jī)LOGO

測試圖：

六、測試視頻

測試過程中在調(diào)節(jié)信號源的頻率輸出方法，調(diào)節(jié)示波器的掃描速度按鍵和Hold按鍵。

七、幾點(diǎn)說明

      1、這是一個最簡單的數(shù)字示波器，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善；
      2、大家可能注意到我沒有使用 I/O端口0-7，這正好是AVR單片機(jī)的一個8位并口，這是我為后續(xù)升級準(zhǔn)備的，在使用專用ADC芯片的時候它可以作為數(shù)據(jù)輸入，如果大家對這個示波器感興趣，以后我會考慮升級；
   3、作品完成得比較倉促，有什么缺陷和不足的地方，請大家指教，你制作中有什么問題也可以在這里交流。
     謝謝大家！

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