NO.22 基于Arduino的数字示波器(完成)

ntwhq · 发表于 2013-8-18 16:42

本帖最后由 ntwhq 于 2016-8-17 07:58 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）

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: 4075)
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？

kittenblock中小学创客名师推荐的图形化编程软件

#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
      下面是最新的源代码，使用时请保留我的开机LOGO，呵呵。

Arduino_oscilloscope.zip (2.72 KB, 下载次数: 4882)

      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！