下面就示波器的基本原理簡(jiǎn)要介紹一下，再就數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(guò)細繩固定的重物在作擺動(dòng)時(shí)，與中心垂線(xiàn)的距離滿(mǎn)足正弦波規律。沙漏實(shí)驗可以清晰地顯示這個(gè)隨時(shí)間變化的波形：用沙漏充當重物，并且在沙漏底下的桌面上平鋪一張紙，當沙漏開(kāi)始擺動(dòng)時(shí)，讓紙勻速移動(dòng)。這樣，沙漏中流出的細沙，就在紙上留下了一個(gè)正弦波痕跡，如圖1所示。利用這種設計思想，可以完成波形在平面上（對應于時(shí)間的流動(dòng)）的展開(kāi)。

 

工程師電子制作故事：數字示波器DIY設計

 

 

這種設計思想在波形記錄、顯示中被廣泛采用，比如心電圖機，就是用原地擺動(dòng)的電熱針，在勻速移動(dòng)的記錄紙帶上描記出心電波形。

 

利用心電圖機的結構，雖可以記錄電壓信號，但是，示波器在大量的應用中，并不需要通過(guò)消耗紙張來(lái)記錄波形，而僅僅是觀(guān)察波形。因此，可以重復使用的CRT示波管被應用到示波器的設計中。模擬示波器把需觀(guān)測的兩個(gè)電信號加至示波管的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非周期的、單次信號的測量。

 

數字示波器首先對模擬信號進(jìn)行高速采樣獲得相應的數字數據并存儲。用數字信號處理技術(shù)對采樣得到的數字信號進(jìn)行相關(guān)處理與運算，從而獲得所需的各種信號參數。根據得到的信號參數繪制信號波形，并可對被測信號進(jìn)行實(shí)時(shí)的、瞬態(tài)的分析，以方便使用者了解信號質(zhì)量，快速準確地進(jìn)行故障的診斷。測量開(kāi)始時(shí)，操作者可通過(guò)操作界面選定測量類(lèi)型、測量參數及測量范圍（可選自動(dòng)設置，由儀器自動(dòng)設置最佳范圍）；微處理器自動(dòng)將測量設置解釋到采樣電路，并啟動(dòng)數據采集；采集完成后，由微處理器對采樣數據按測量設置進(jìn)行處理，提取所需要的測量參數，并將結果送顯示部件。

 

使用模擬示波器和數字示波器通常都能很好地觀(guān)察簡(jiǎn)單重復性信號。但是兩者都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性，如圖2所示。對于模擬示波器來(lái)說(shuō)，由于CRT的余輝時(shí)間很短，因而難于顯示頻率很低的信號。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)間的低重復速率信號就很難看到。

 

而數字示波器的掃描軌跡亮度和掃描速度與信號重復速率無(wú)關(guān)，故可以很好地反映出來(lái)。對于顯示具有較高重復速率的重復性信號的快速上升、下降沿來(lái)說(shuō)，數字存儲示波器和模擬示波器的性能幾乎沒(méi)有什么區別，用兩種示波器都能很好地觀(guān)察信號波形。

 

當要進(jìn)行信號參量的測量時(shí)，數字存儲示波器的優(yōu)點(diǎn)在于具有自動(dòng)測量各種參數的能力。而使用模擬示波器時(shí)，則必須自己設置光標、分析理解顯示的波形才能得到測量的結果。但是如果要進(jìn)行調整工作，那么一般最好使用模擬示波器。這是因為模擬示波器的實(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(huà)掃描軌跡的次數）很高，所以信號的任何變化都會(huì )立即顯示出來(lái)。與模擬示波器相反，數字示波器所顯示的是用采集的波形數據重建的波形，所以其波形更新率遠低于模擬示波器，結果在信號發(fā)生變化和變化了的信號在屏幕上顯示出來(lái)之間就有了一定的時(shí)間延遲，這是數字示波器的重大缺點(diǎn)。

 

自制示波器，做模擬示波器還是數字示波器？當然要做就做數字的　　

　

　

但是綜合起來(lái)數字示波器還是有很大優(yōu)勢的。

 

自制示波器，做模擬示波器還是數字示波器？當然要做就做數字的！因為做數字示波器更簡(jiǎn)單，請往下看：

 

1. 模擬示波器需要與帶寬相適應的CRT示波管，隨著(zhù)頻率的提高，對CRT示波管的工藝要求嚴格，成本增加，存在技術(shù)瓶頸。所以在電子市場(chǎng)上不好買(mǎi)，性能好的大多數是進(jìn)口品牌，其價(jià)格昂貴且需要處理的問(wèn)題也多，比如要產(chǎn)生陽(yáng)極高壓、掃描鋸齒波，還要對示波管進(jìn)行電磁屏蔽等等，而且做出來(lái)體積很大，便攜就更談不上了。而數字示波器只需要與帶寬相適應的高速A/D轉換器，其他存儲器和D/A轉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(mǎi)到，價(jià)格也不貴而且應用簡(jiǎn)單，只需考慮與微處理器的接口，體積小且功耗遠小于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(méi)問(wèn)題！當然LCD顯示模塊也有其不足之處，比如亮度和對比度不如CRT示波管，但綜合考慮，LCD顯示模塊的優(yōu)勢還是比較明顯的。

 

2. 模擬示波器是一個(gè)完全的硬件結構，做好之后很難進(jìn)行功能升級，而數字示波器不同，在保證基本硬件后它的控制以及其他功能的實(shí)現都是由軟件來(lái)實(shí)現的。這樣升級就變得非常容易，你甚至可以把它當成一塊開(kāi)發(fā)板用來(lái)練習編程！做一個(gè)能當開(kāi)發(fā)板用的示波器，你還猶豫嗎？

 

基于以上兩種原因，制作數字示波器當然是不二之選！

 

本文介紹的就是我制作的一臺便攜式數字示波器（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致。圖4～圖11為該示波器測量不同頻率信號時(shí)的實(shí)拍照片。

 

　　

5Hz的信號用一般的模擬示波器測量，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，在測量低頻率信號時(shí)這是一個(gè)很大的優(yōu)勢。

　　

該示波器由6部分電路構成，分別是：

 

1. 輸入程控放大（衰減）電路2. 高速AD轉換電路3. FIFO存儲電路4. 顯示控制電路5. 時(shí)鐘產(chǎn)生電路6. 測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轉換電路，因為這兩個(gè)電路是這個(gè)數字示波器的咽喉，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(zhù)示波器性能的優(yōu)劣。這兩部分電路將被測信號轉換成后面的處理電路所需的數據信號，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成，電路設計簡(jiǎn)單，調試也很簡(jiǎn)單。整個(gè)示波器我覺(jué)得最難的應該是程序，也就是軟件方面。

 

軟件承擔著(zhù)該示波器的所有數據處理和控制任務(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、峰峰值測量、頻率測量等任務(wù)。為了提高性能，這個(gè)示波器使用了兩片單片機，分別用于顯示和控制，所以程序的設計還要考慮兩個(gè)單片機之間的通信問(wèn)題，這些在文章的各章節都會(huì )有詳細的描述和解釋。

 

 

通過(guò)這個(gè)示波器的制作，你將會(huì )了解很多東西，比如如何用運算放大器設計組合放大電路、高速AD轉換器的應用、FIFO存儲器的應用、AVR單片機SPI總線(xiàn)接口協(xié)議以及高分辨率點(diǎn)陣液晶顯示器的驅動(dòng)等內容，這些內容對于別的電子設計也是非常有用的。

推薦閱讀：