电子类课程实验用便携示波表的设计

李贻涛，邢晓敏

(东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012)

我院近年来实施“数字电子技术基础”和“模拟电子技术基础”课程的教学改革以培养学生的动手实践能力。我们开发的电子课程便携实验包，为学生在宿舍、教室、图书馆及自习室等场所自行设计一些小型实验和创新性综合设计题目提供便利，缓解了实践训练需求和实验室资源紧张的矛盾。学生在实际应用中缺少测试工具，我们自主研发了一款简易、廉价、使用方便的示波表。

1 需求分析

简易示波表应该具有“数字电子技术基础”、“模拟电子技术基础”和“单片微机原理及应用”等课程实验测试所要求的各项基本功能要求:

(1)电压测量功能:测量范围-15V～+15V。

(2)波形显示功能:能够观察到多谐振荡器发出的正弦波、三角波、锯齿波和方波等波形。其波形频率低于10kHz。

(3)频率测量功能:最高测量频率为500kHz;用按键可以调节示波表上每大格代表的时间间距，方便读取周期数据。

(4)电阻测量功能:示波表可以测量电阻。另外，当电阻测量值小于30Ω时，一般认为是短路状态，可以用这个功能代替万用表的二极管测试。

(5)直流电源:可以提供的电源有+5V、+15V和-15V三种输出。要求示波表自身应由单一直流电源供电。

2 硬件设计

示波表的设计方案如图1所示。系统以AVR单片机ATmega16A为核心［1]，由128×64点阵LCM作为显示器件，具有电压/波形测量模块、频率/占空比测量模块、电阻/二极管测量模块等三大主要功能和多电压直流电源输出辅助功能［2-3]。

图1 系统结构框图

系统共设计8个按键:电压、波形、频率、电阻、通道+、通道－、扫描时间+和扫描时间－。按键直接将一端接地，另一端连接I/O引脚。对应I/O口设置为输入和上拉两种模式。

1)直流电源模块

为了使用方便，直流电源采用两个输入接口:一个为9V/1A的小圆型电源插座;另一个为2脚的Phoenix接插座，可以由电池类电源供电，输入电压范围7～12V DC。为防止输入电压反接，在正极性输入端串联了一个保护二极管。

电源模块原理图如图2所示，输入电压为+7～12V DC，输出为三路。

图2 电源模块电路图

(1)LM2596-5斩波固定降压为+5V/3A输出;

(2)经过LM2577-15 Boost芯片固定升压后为+15V/1A输出;

(3)经LM2596-adj芯片利用斩波工作在输入和输出公共端输出电压-15V/1A。其中，可调电阻可以根据芯片手册由公式R2=R1(Vout/1.23－1)计算得11.2kΩ，这里选用了20kΩ的电位器。在电路第一次使用时要先调整好这个电位器，以便获得精确的-15V电压输出。

2)电压/波形测量模块

为节约资源，将模拟量电压的测量、数字量电压测量和波形的显示三部分合为一个电压/波形测量模块。因为输入测量信号范围最高为±15V，需要在接入ADC端口前加上如图3所示的信号调理电路。该电路将信号由±15V之间调理为+5V～0V之间的信号，供给单片机内置的A/D转换器。

图3 输入信号调理电路

ADC的参考电压为+5V电源电压，因为+5V电源由斩波芯片供给，具有自动调整功能，所以这个电压不随输入电压而变化，是很稳定的。由电路参数和ADC噪声所产生的测量误差，可以在电路老化后，使用程序进行线性校正。这样的信号调理电路设置了四路，即物理上可以同时显示测量四路信号。

3)其他功能模块

系统还设计有频率/占空比测量模块、电阻/二极管测量模块和液晶显示模块。这几部分模块因为实现过程相对简单，故不作介绍。

3 软件设计

示波表的软件大体是依据状态机设计，其界面状态有四个:测量电压、显示波形、测量频率/周期/占空比和测量电阻/二极管。系统启动后默认进入测量电压状态，按对应名称按键进入相应状态。

程序初始化时设置定时器T1每隔10ms产生一次中断，用状态机原理扫描识别全部8个按键输入。若有按键输入，则中断服务程序设置对应按键待处理状态为True。主程序根据系统当前所处界面状态决定是否响应。这款简易和使用方便的示波表如图4所示。

图4 示波表成品

4 结语

本文从教学实践出发，为数字和模拟电路测试用的便携实验包设计、制作了一款简易、廉价和使用方便的示波表。它的成本可以控制在75元以内，与

普通万用表价位相当。但示波表是自制产品，一切电路和程序都是开源的，其本身就是一个单片机实验教具，并具有示波器功能，这是普通万用表不可比拟的。作为使用雕刻机制作双面电路板的一个训练实例，电路板由我校大学生电气信息实践创新中心的学生负责制作。本成果依托的教学改革项目已获我校2013年校级教学成果一等奖。

［1] 余海斌，陈志英.基于AVR单片机的简易示波器设计［J] .西安:电子设计工程，2009，17(05):1-5

［2] 王梦文.数字式智能毫伏表的设计与研究［J] .天津:数字技术与应用，2010(04):33-34

［3] 邢立冬，王连民.基于SoPC的数字示波器设计［J] .西安:现代电子技术，2012，35(06):189-194