下面就示波器的基本原理簡(jiǎn)要介紹一下，再就數(shù)字示波器與模擬示波器做一個(gè)簡(jiǎn)要的比較。物理學(xué)理論可以證明，一端通過細(xì)繩固定的重物在作擺動(dòng)時(shí)，與中心垂線的距離滿足正弦波規(guī)律。沙漏實(shí)驗(yàn)可以清晰地顯示這個(gè)隨時(shí)間變化的波形：用沙漏充當(dāng)重物，并且在沙漏底下的桌面上平鋪一張紙，當(dāng)沙漏開始擺動(dòng)時(shí)，讓紙勻速移動(dòng)。這樣，沙漏中流出的細(xì)沙，就在紙上留下了一個(gè)正弦波痕跡，如圖1所示。利用這種設(shè)計(jì)思想，可以完成波形在平面上（對(duì)應(yīng)于時(shí)間的流動(dòng)）的展開。

 

工程師電子制作故事：數(shù)字示波器DIY設(shè)計(jì)

 

 

這種設(shè)計(jì)思想在波形記錄、顯示中被廣泛采用，比如心電圖機(jī)，就是用原地?cái)[動(dòng)的電熱針，在勻速移動(dòng)的記錄紙帶上描記出心電波形。

 

利用心電圖機(jī)的結(jié)構(gòu)，雖可以記錄電壓信號(hào)，但是，示波器在大量的應(yīng)用中，并不需要通過消耗紙張來記錄波形，而僅僅是觀察波形。因此，可以重復(fù)使用的CRT示波管被應(yīng)用到示波器的設(shè)計(jì)中。模擬示波器把需觀測(cè)的兩個(gè)電信號(hào)加至示波管的X、Y 通道以控制電子束的偏移，從而獲得熒光屏上關(guān)于這兩個(gè)電信號(hào)關(guān)系的顯示波形。這種模擬示波器體積大、重量重、成本高、價(jià)格貴，并且不太適合用于對(duì)非周期的、單次信號(hào)的測(cè)量。

 

數(shù)字示波器首先對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行高速采樣獲得相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并存儲(chǔ)。用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)采樣得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理與運(yùn)算，從而獲得所需的各種信號(hào)參數(shù)。根據(jù)得到的信號(hào)參數(shù)繪制信號(hào)波形，并可對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的、瞬態(tài)的分析，以方便使用者了解信號(hào)質(zhì)量，快速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障的診斷。測(cè)量開始時(shí)，操作者可通過操作界面選定測(cè)量類型、測(cè)量參數(shù)及測(cè)量范圍（可選自動(dòng)設(shè)置，由儀器自動(dòng)設(shè)置最佳范圍）；微處理器自動(dòng)將測(cè)量設(shè)置解釋到采樣電路，并啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集；采集完成后，由微處理器對(duì)采樣數(shù)據(jù)按測(cè)量設(shè)置進(jìn)行處理，提取所需要的測(cè)量參數(shù)，并將結(jié)果送顯示部件。

 

使用模擬示波器和數(shù)字示波器通常都能很好地觀察簡(jiǎn)單重復(fù)性信號(hào)。但是兩者都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性，如圖2所示。對(duì)于模擬示波器來說，由于CRT的余輝時(shí)間很短，因而難于顯示頻率很低的信號(hào)。由于示波管上的掃描軌跡亮度和掃描速度成反比，所以具有快速上升、下降時(shí)間的低重復(fù)速率信號(hào)就很難看到。

 

而數(shù)字示波器的掃描軌跡亮度和掃描速度與信號(hào)重復(fù)速率無關(guān)，故可以很好地反映出來。對(duì)于顯示具有較高重復(fù)速率的重復(fù)性信號(hào)的快速上升、下降沿來說，數(shù)字存儲(chǔ)示波器和模擬示波器的性能幾乎沒有什么區(qū)別，用兩種示波器都能很好地觀察信號(hào)波形。

 

當(dāng)要進(jìn)行信號(hào)參量的測(cè)量時(shí)，數(shù)字存儲(chǔ)示波器的優(yōu)點(diǎn)在于具有自動(dòng)測(cè)量各種參數(shù)的能力。而使用模擬示波器時(shí)，則必須自己設(shè)置光標(biāo)、分析理解顯示的波形才能得到測(cè)量的結(jié)果。但是如果要進(jìn)行調(diào)整工作，那么一般最好使用模擬示波器。這是因?yàn)槟M示波器的實(shí)時(shí)顯示能力使它在每時(shí)每刻都能顯示出輸入的電壓。其波形更新速率（每秒鐘在屏幕上描畫掃描軌跡的次數(shù)）很高，所以信號(hào)的任何變化都會(huì)立即顯示出來。與模擬示波器相反，數(shù)字示波器所顯示的是用采集的波形數(shù)據(jù)重建的波形，所以其波形更新率遠(yuǎn)低于模擬示波器，結(jié)果在信號(hào)發(fā)生變化和變化了的信號(hào)在屏幕上顯示出來之間就有了一定的時(shí)間延遲，這是數(shù)字示波器的重大缺點(diǎn)。

 

自制示波器，做模擬示波器還是數(shù)字示波器？當(dāng)然要做就做數(shù)字的　　

　

　

但是綜合起來數(shù)字示波器還是有很大優(yōu)勢(shì)的。

 

自制示波器，做模擬示波器還是數(shù)字示波器？當(dāng)然要做就做數(shù)字的！因?yàn)樽鰯?shù)字示波器更簡(jiǎn)單，請(qǐng)往下看：

 

1. 模擬示波器需要與帶寬相適應(yīng)的CRT示波管，隨著頻率的提高，對(duì)CRT示波管的工藝要求嚴(yán)格，成本增加，存在技術(shù)瓶頸。所以在電子市場(chǎng)上不好買，性能好的大多數(shù)是進(jìn)口品牌，其價(jià)格昂貴且需要處理的問題也多，比如要產(chǎn)生陽極高壓、掃描鋸齒波，還要對(duì)示波管進(jìn)行電磁屏蔽等等，而且做出來體積很大，便攜就更談不上了。而數(shù)字示波器只需要與帶寬相適應(yīng)的高速A/D轉(zhuǎn)換器，其他存儲(chǔ)器和D/A轉(zhuǎn)換器以及顯示器都是較低速的部件，顯示器可用LCD顯示模塊，在電子市場(chǎng)很容易買到，價(jià)格也不貴而且應(yīng)用簡(jiǎn)單，只需考慮與微處理器的接口，體積小且功耗遠(yuǎn)小于CRT示波管。使用LCD顯示模塊做示波器，做成便攜的很容易，做成示波表都沒問題！當(dāng)然LCD顯示模塊也有其不足之處，比如亮度和對(duì)比度不如CRT示波管，但綜合考慮，LCD顯示模塊的優(yōu)勢(shì)還是比較明顯的。

 

2. 模擬示波器是一個(gè)完全的硬件結(jié)構(gòu)，做好之后很難進(jìn)行功能升級(jí)，而數(shù)字示波器不同，在保證基本硬件后它的控制以及其他功能的實(shí)現(xiàn)都是由軟件來實(shí)現(xiàn)的。這樣升級(jí)就變得非常容易，你甚至可以把它當(dāng)成一塊開發(fā)板用來練習(xí)編程！做一個(gè)能當(dāng)開發(fā)板用的示波器，你還猶豫嗎？

 

基于以上兩種原因，制作數(shù)字示波器當(dāng)然是不二之選！

 

本文介紹的就是我制作的一臺(tái)便攜式數(shù)字示波器（如圖3所示）。

 

　

 

由于采用320×240分辨率的顯示器，所以顯示波形非常細(xì)致。圖4～圖11為該示波器測(cè)量不同頻率信號(hào)時(shí)的實(shí)拍照片。

 

　　

5Hz的信號(hào)用一般的模擬示波器測(cè)量，只能看到一個(gè)亮點(diǎn)在屏幕上游動(dòng)，根本看不出完整的波形，而我做的這個(gè)示波器可以顯示出完整的波形，在測(cè)量低頻率信號(hào)時(shí)這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。

　　

該示波器由6部分電路構(gòu)成，分別是：

 

1. 輸入程控放大（衰減）電路2. 高速AD轉(zhuǎn)換電路3. FIFO存儲(chǔ)電路4. 顯示控制電路5. 時(shí)鐘產(chǎn)生電路6. 測(cè)頻與控制電路在這幾部分中，最重要的是程控放大電路和AD轉(zhuǎn)換電路，因?yàn)檫@兩個(gè)電路是這個(gè)數(shù)字示波器的咽喉，程控放大電路決定了示波器的輸入帶寬和垂直分辨率，AD轉(zhuǎn)換電路決定了示波器水平分辨率，這兩個(gè)分辨率直接決定著示波器性能的優(yōu)劣。這兩部分電路將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成后面的處理電路所需的數(shù)據(jù)信號(hào)，慶幸的是這幾部分電路都可用高性能的集成電路加少量外圍器件構(gòu)成，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試也很簡(jiǎn)單。整個(gè)示波器我覺得最難的應(yīng)該是程序，也就是軟件方面。

 

軟件承擔(dān)著該示波器的所有數(shù)據(jù)處理和控制任務(wù)，包括AD采樣控制、水平掃速控制、垂直靈敏度控制、顯示處理、峰峰值測(cè)量、頻率測(cè)量等任務(wù)。為了提高性能，這個(gè)示波器使用了兩片單片機(jī)，分別用于顯示和控制，所以程序的設(shè)計(jì)還要考慮兩個(gè)單片機(jī)之間的通信問題，這些在文章的各章節(jié)都會(huì)有詳細(xì)的描述和解釋。

 

 

通過這個(gè)示波器的制作，你將會(huì)了解很多東西，比如如何用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)組合放大電路、高速AD轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用、FIFO存儲(chǔ)器的應(yīng)用、AVR單片機(jī)SPI總線接口協(xié)議以及高分辨率點(diǎn)陣液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)等內(nèi)容，這些內(nèi)容對(duì)于別的電子設(shè)計(jì)也是非常有用的。

推薦閱讀：