方振生，任林超，宋玉玲，鲁道邦

摘要：基于STC单片机设计一款可在线监测波形瞬时变化的高性价比示波器，其用编码器做输入控制，单片机模拟外设ADC模块采集信号，然后存储在单片机内进行处理计算，将波形实时显示，可监测、存储波形的瞬时变化值。实测结果表明：该系统运行稳定，有较高的采样率；在单次触发时，能捕获1ms～10ms的波形瞬间变化情况，可应用于需要在线监测场所。该实验结合了单片机原理、程序设计、接口原理等课程相关内容，实验重复性较好，适合作为学生实验内容。

关键词：单片机；示波器；实时采样；高性价比；在线；瞬时变化

中图分类号：TP301      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）33-0087-03

1 引言

电路设计和测试要求合适的测量系统能够匹配所设计电路的速度和带宽，示波器作为电测行业基础测量分析仪[1-2]，在工业和教学领域应用广泛。不过绝大多数情况下使用示波器都是在现场进行观测，且功能繁杂价格昂贵，并不适合于需要持续在线观测或只能采取远程遥测方式的场所。另一方面，在一些場合下测试人员不能长时间靠近设备，而在做产品测试时又需要长时间观察波形[3]。针对上述矛盾，本设计提出了一种适合长时间在线测量的简易在线示波器。为了将测量信号进行存储、分析及各种计算处理，需要将采样电信号转换为数字信号[4]。数字示波器具有能够存储波形，对采样信号的数据进行实时分析和处理并观测或回放，可在时域、频域范围观察输入信号这些更强大的功能[5]。随着计算机技术及数字电路的发展，出现了专用于示波器系统的ASIC芯片，微处理器的诞生并广泛地应用于电子测量仪器领域[6]，使数字化智能化示波器得到了巨大的发展助力，有要将传统模拟示波器取而代之的趋势，示波器的数字化已成为必然。目前数字示波器的带宽、采样率、存储深度、触发协议及解码功能等主要参数相比以往有了巨大提升[7]。如今高端数字示波器的带宽和采样率已经达到上百的程度，高带宽范围可以扩展示波器的应用范围，高采样率可以减小数字示波器的采样误差，大大提高测量精度，保证功能的多样化和稳定性。在示波器实用市场，作为主要性能指标之一的带宽，国内半导体行业由于发展起步较缓，目前只做到了2GHz，国外做到了110GHz；采样率国内为20GSa/s，国外示波器产品做到了256GSa/s，显而易见，国外公司在高端数字示波器市场占有绝对地位[8]。但在中低端领域国内已经打破了垄断，使用高性能DSP和FPGA及优化算法，可以提高示波器的性能指标，采用更好的显示器和更个性化的研发形式，国内研发的数字示波器更符合国内市场，设计和生产非常灵活，可以根据需求增加或改进某些功能，比如有带电池支持的市电两用示波器、平板型示波器、手持示波器等，方便快捷，都很符合国内应用的特点，且经过多年的发展，国产示波器产品更新迭代快，服务质量和响应速度高，产品质量和稳定性愈来愈好[9]，形成了国内自有的体系。但目前与在线示波器相关的产品依旧较少，且价格较高，并不适合批量化应用，本设计提出的一种在线示波器设计，经实测运行稳定、实现方便、价格低廉，对在线示波器的研究具有参考意义。

2 系统框架及工作原理

2.1 设计目标

设计一款运行稳定、实现方便、价格低廉的简易示波器，能在屏幕上清晰准确地显示出采样信号的波形、频率、幅值、当前位置及采样状态，通过编码器控制调整时间区间、电压量程、触发方式及方向和对系统参数的自定义设置，以及系统采样的开始与中断，波形的滚动和缩放等操作。其中一个重要特点是通过功能调节可显示信号的瞬时变化情况，在添加相关功能模块和外设之后可以实现远程在线测量。本文以单片机为核心，设计在线示波器实验，学生通过该实验能够由浅入深、更加系统地了解和掌握相关的理论和实践课程，加强实践能力的培养。

2.2 系统框架

该示波器系统以STC8A8K64S4A12单片机为控制中枢，是一个由采样电路、采样指示电路、OLED屏驱动显示电路、EC11旋转编码器控制输入电路、电池电压采样电路、锂电池充放电管理及升压模块、系统电源滤波电路以及按键开关组成的单片机控制系统电路。系统的总体结构如图 1所示。

2.3 工作原理

本设计通过对示波器的工作原理进行研究，使用STC高性能单片机作为主控芯片，基本思路是以单片机为核心，编码器为控制输入，由采样电路实现对输入信号的采样，利用单片机内部集成的高精度模拟外设ADC完成采样数据的离散化，并将数据保存在RAM和ROM中。单片机从存储器中读取部分采样点数据进行处理并存于数组中，然后按照一定的顺序把波形数据显示到屏幕相应的位置上，其余采样点用来计算波形参数，即可在屏幕上显示波形及其相关信息。

2.4 控制核心的选择

STC8A8K64S4A12高性能单片机运行速度快，且代码兼容传统的8051，可以执行keil开发平台编译出来的HEX文件，执行速度比传统8051快约12倍，可以快速进行大量采样点数据的处理运算，同时驱动OLED屏幕实时显示波形信息；供电电压宽，电源匹配容易，因此本设计使用锂电池为系统供电，方便高效环保，还可以避免其他类型电源的纹波对单片机的安全和系统精准度造成影响；内部集成高精度IRC以及12位高精度多通道超高速ADC，模数转换速度最高可达每秒80万次，高精度时钟可以保证程序更加快速地准确执行，同时系统的采样速度也能够得到提高，即可省去外部晶振电路和复位电路，使得电路更加简洁快速稳定；拥有能够存储大量程序代码的64K存储器空间，以及可配置大小的48K字节的EEPROM空间，这个功能在实时存储波形数据和保存主界面设置数据时会用到，8K字节RAM空间，能够保证在进行采样和驱动OLED屏幕时缓存还留有足够余地，从而保证系统高速稳定运行。支持ISP方式更新应用程序，通过USB TO TTL下载线连接单片机和电脑，在STC-ISP软件上可以方便地对单片机进行功能设置和下载程序。

3 系统模块设计

3.1 AD转换模块

系统上电后延时启动AD转换并点亮指示灯，开始信号采集。由定时器定时产生中断，在采样中断到来时开启AD转换。通过控制定时器定时，设置采样时间即可产生不同的采样率，从而实现对不同频率段数据的采集[10]，在AD转换结束后把采样数据存储到指定的区域。选择不同的时间区间（即采样时间）AD转换模块就可在相应的时间段内对输入信号进行离散化采样并把数据存入缓存中，然后把采样数据读取到单片机内进行计算，即可在屏幕上绘制波形并显示波形相关信息，如果采样被中断，则会使用缓存中的旧采样点显示波形。集成的高精度高速ADC模拟外设结合编码器的控制，能够保证系统快速采样的准确性，进而做到实时准确地在屏幕上显示波形的瞬间变化情况。系统程序流程图如图2所示。

3.2 编码器控制模块

编码器控制模块的作用是依据不同的设置需求，设计与之对应的输入控制信号，配合单片机的中断指令，进而做到选项切换和参数调节。编码器每次旋转或按下都会输出一个电平脉冲，通过设置编码器按下同时旋转标志位，可以让单片机识别出所有预设的编码器输入操作，据此可以通过旋转编码器控制单片机外部中断端口电平高低来实现对整个系统的输入控制。当单片机中断端口扫描到某一规定的编码器输入脉冲时，相应的程序模块就会被执行，以完成选项切换或参数调节等控制指令。由于无其他任何外接器件，直接控制单片机内的相关外设和运行相应程序模块，进一步提高了系统的快速采样和运算能力。

3.3 OLED屏幕驱动模块

屏幕采用的是SSD1306 OLED 液晶显示屏，屏幕像素为 128×64，像素点阵为自发光，低功耗，可以用来清晰准确地显示采样波形及其相关信息。屏幕驱动程序有写字符、字符串、数字、16×16中文字符、画水平线、垂直线、绘制图片等功能，作用是把经过单片机处理计算之后的数据显示在OLED屏幕上相应位置的点上，以实现波形的快速清晰显示。原理为首先将采样值映射到屏幕的显示范围并反转，然后获取一个距离屏幕中心最近的临时触发点的位置，分析采样数据并计算出触发点位置，根据这个点定位波形，向左右两侧连续查找和依据上升沿下降沿查找即可在屏幕上显示出波形，缓存中剩余部分的点用来计算波形信息。

4 实测及结论

4.1 普通采样实测

为了解系统运行时对输入信号的实际测量情况，使用波形发生器输出不同频率的正弦波对该简易示波器系统的准确度、采样速度以及屏幕波形还原的显示情况进行了测试。正弦波的频率范围为2KHz～10KHz，实际测量的记录结果如表1所示，示波器的屏幕显示情况如图3所示。

4.2 单次采样实测

在自动触发方式下无论是否满足触发条件系统都会一直进行采样并实时地显示波形，这种测量方式可以用来观测连续变化的波形，但无法捕捉波形的上升和下降可能只有几毫秒甚至几微秒的瞬间变化的波形。此时就需要用单次触发方式来观察信号波形，用单次触发方式测量信号需要系统有很高的采样速度，本设计充分利用单片机内部模拟外设，极少使用外部元器件，从而实现了快速测量的能力。

用单次触发方式对一个输出电压为DC 4.2V的电源适配器进行上电瞬间输出电压波形变化的实际测量，若用常规模式测量屏幕上只是显示一条水平直线，而用示波器单次触发方式测试电源适配器上电瞬间输出电压变化情况则如图4所示，在屏幕上能清晰地观察到波形上升的变化折线及拐点，可见示波器完整测得了适配器上电瞬间输出电压的变化情况。

5 结束语

该系统以STC单片机为控制核心，通过软硬件结合，实现了波形显示、频率计算、幅值测量、触发方式可调及波形滚动等功能，可在自动触发、普通触发和单次触发三种触发方式之间切换，屏幕上显示的波形正确、完整、标准，较好地将采样信号重现了出来；还有较强的扩展能力，可在开发平台上编写更多不同的功能模块，扩充该系统的数据处理及分析功能，以此来形成新的仪器功能。该设计价格低廉、运行稳定、可扩展性强，通过外接存储器扩展存储空间可存储波形信息，添加相关模块可以实现对瞬时变化波形脉冲的计数，可应用于需要在线实时监测的场所。实测表明：该示波器测量精度较高、功能多、調节方便；在单次触发时，可捕获和显示1ms～10ms的波形瞬间变化情况。该实验结合了单片机原理、程序设计、接口原理等课程相关内容，实验重复性较好，适合作为学生实验内容，也可用于学科竞赛培训。

参考文献：

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[2] Wu F Q，Yang F Y，Ma D D，et al.Design of virtual digital oscilloscope based on LabVIEW[J].E3S Web of Conferences，2021，268：01059.

[3] 杜超，林开伟，陈曼雯，等.物联网智能示波器研究与设计[J].物联网技术，2017，7（11）：36-39，41.

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[10] 刘伟，丁雷，许婷，等.基于单片机微控制器的简易数字示波器设计[J].信息系统工程，2010（10）：82-83，85.

【通联编辑：谢媛媛】