NO.22 基于Arduino的数字示波器(完成)

ntwhq

  
                                                                      基于Arduino的数字示波器

（注：本作品在我写的新书《玩转Arduino电子制作》中有更详细的介绍）

         

                    

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： 128x64（ST7920）
     测量显示区：96x64
     信息显示区：32x64，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。
      u8glib 下载： u8glib_arduino_v1.13.zip (989.55 KB, 下载次数: 4313)

2013-8-19 06:35 上传

点击文件名下载附件    
       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？

[mw_shl_code=c,true]#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( ));
}
[/mw_shl_code]

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
         下面是最新的源代码:
          Arduino_oscilloscope.zip (2.72 KB, 下载次数: 5260)

2015-2-3 20:36 上传

点击文件名下载附件
源代码         

         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：





六、测试视频

       测试过程中在调节信号源的频率输出方法，调节示波器的扫描速度按键和Hold按键。



七、几点说明

        1、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；
        2、大家可能注意到我没有使用 I/O端口0-7，这正好是AVR单片机的一个8位并口，这是我为后续升级准备的，在使用专用ADC芯片的时候它可以作为数据输入，如果大家对这个示波器感兴趣，以后我会考虑升级；
       3、作品完成得比较仓促，有什么缺陷和不足的地方，请大家指教，你制作中有什么问题也可以在这里交流。
       谢谢大家！

yangminglin

这是我看的最认真的一个帖子，虽然我有很多不懂，也仿制了一个，相当NB，看见楼主这么认真而详细的回答，很佩服楼主，中国现在需要这样的人才。

madcat3000

code_asf 发表于 2013-8-19 09:49
相当NB，打算山寨一个

同感，同感
不过，我想用intel 的galileo做，是不是2代伽利略采样能高很多啊/

河山

" 2、大家可能注意到我没有使用 I/O端口0-7，这正好是AVR单片机的一个8位并口，这是我为后续升级准备的，在使用专用ADC芯片的时候它可以作为数据输入，如果大家对这个示波器感兴趣，以后我会考虑升级；"出升级版本的啦，这个简易的M数太小了哦。

小小弧

果然高端大气上档次，显示屏还有更好的么，那就帅呆了

coloz

可以考虑用arduino due，芯片的采样率可以1M

ntwhq

小小弧 发表于 2013-8-18 17:44
果然高端大气上档次，显示屏还有更好的么，那就帅呆了

谢谢关注，再好就用TFT屏了，但u8glib库不支持，得另外找库或自己写驱动。

ntwhq

coloz 发表于 2013-8-18 17:45
可以考虑用arduino due，芯片的采样率可以1M

     谢谢加精和关注，arduino due太贵了，我这个arduino PRO mini经优化编程后采样率也达到400K了，要达到更高的采样率就要考虑采用片外ADC了.

袁培根

高端大气上档次

ntwhq

袁培根 发表于 2013-8-18 22:28
高端大气上档次

谢谢鼓励！

珜羽

很不错，但是输入阻抗偏小了，最好加运放跟随下，以及没有电压衰减，加两个电阻分压下就不错了。


然后程序上丰满下，加上偏移的电路。

code_asf

相当NB，打算山寨一个

ntwhq

珜羽 发表于 2013-8-19 09:36
很不错，但是输入阻抗偏小了，最好加运放跟随下，以及没有电压衰减，加两个电阻分压下就不错了。

      您的建议很好，我这次就是想尽量做得简单点，可以根据需要再加入输入电路。5V的电压用运放效果不是太好，用升压电路又复杂了，可以考虑在输入级用场效果管作跟随器。