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NO.22 基于Arduino的数字示波器(完成)

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发表于 2013-8-18 16:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 ntwhq 于 2021-1-19 13:09 编辑

  
                                                                      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)

测试图-方波2.jpg           电路图B.jpg

                    

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: 4398)    
       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。
       arduino_osc接线图.jpg

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:

测试图2.JPG           测试图3.JPG
            
           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: 5382)         

         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:

电路图A.jpg

       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。

arduino pro mini 2.jpg

arduino pro mini 1.jpg

2、 焊接电路板元件

电路板正面.jpg

电路板反面.jpg

3、制作LCD洞洞板

LCD板2.jpg

LCD板1.jpg

4、组装电路板

组合-正面.jpg

组合-背面.jpg

背面(含电池盒).jpg

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。

盒.jpg

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。

正面.jpg

背面.jpg

测面1.jpg

测面4.jpg

测面2.jpg

测面3.jpg


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。

   测试设备.jpg

   开机LOGO

logo.JPG
      
   测试图:

测试图—正弦波2.jpg

测试图-方波1.jpg

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!



































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签到天数: 2 天

[LV.1]初来乍到

发表于 2016-7-2 15:09 | 显示全部楼层
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。

该用户从未签到

发表于 2015-3-9 00:41 | 显示全部楼层
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/

该用户从未签到

发表于 2014-6-12 21:52 | 显示全部楼层
" 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。

该用户从未签到

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

签到天数: 1 天

[LV.1]初来乍到

发表于 2013-8-18 17:45 | 显示全部楼层
可以考虑用arduino due,芯片的采样率可以1M

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 楼主| 发表于 2013-8-18 19:37 | 显示全部楼层
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。

该用户从未签到

 楼主| 发表于 2013-8-18 19:41 | 显示全部楼层
本帖最后由 ntwhq 于 2013-8-22 21:55 编辑
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.

该用户从未签到

发表于 2013-8-18 22:28 | 显示全部楼层
高端大气上档次

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 楼主| 发表于 2013-8-19 07:55 | 显示全部楼层
袁培根 发表于 2013-8-18 22:28
高端大气上档次

谢谢鼓励!

该用户从未签到

发表于 2013-8-19 09:36 | 显示全部楼层
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。

该用户从未签到

发表于 2013-8-19 09:49 | 显示全部楼层
相当NB,打算山寨一个

该用户从未签到

 楼主| 发表于 2013-8-19 20:39 | 显示全部楼层
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。
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