简易数字示波器设计

摘要：示波器在电子测量领域中已经成为该领域的基础测量仪器，随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，它可以用于更多种类的数据采集产品中。本文阐述了如何使用STC12C5A16AD单片机，结合A/D转换器和TFT液晶屏等元件，设计一款简易数字示波器，能够显示输入信号的幅值和频率，还能对波形进行缩放与冻住。其依据是利用stc12c5a16ad芯片的AD转换器对输入的模拟信号进行采样，将采样值存入缓冲区经程序处理后在TFT液晶屏上显示出对应的波形，通过软件程序显示其频率和幅值，并通过按键进行一定程度的波形缩放与冻住。主要包括示波器的系统方案选择、硬件电路设计和软件程序的实现过程，并通过调试实现主要技术指标及功能。关键词:数字示波器；单片机；ADC转换器；液晶显示1引言1.1数字示波器设计的背景与意义在测量过程中经常要用到各种电子测量仪器。在电子测量仪器中示波器的功能最为广泛且复杂，它在观察数字电路实验现象、问题分析和结果测量中扮演关键角色REF_Ref732\r\h[1]。示波器利用电子示波管将交变电信号转换成图像，显示在屏幕上，用于电子测量与分析，包括观察电压随时间变化、显示波形形状，并测量频率和相位等参数REF_Ref3208\r\h[2]。随着信号处理技术、电路设计和新器件的进步，数字示波器逐渐智能化，具备显示、测量、运算和分析等功能，特点是宽带化和模块化REF_Ref631\r\h[3]。基于上述优点，开发数字示波器是非常必要的。目前国内示波器的技术水平还需要进一步提升才能与国外相媲美。而国外公司生产的数字示波器的价格普遍较贵，同时大部分都体积偏大携带不太方便，这些对于我国在数字示波器领域方面的发展存在一定阻挠。通过了解上述背景，有必要进行高性能的数字示波器的研究与生产，所以选择简易数字示波器设计作为课题研究是比较有意义的。这不仅可以加深对数字示波器原理和设计技术的理解，还能够为未来更复杂数字示波器的研发打下基础。1.2数字示波器的国内外研究现状数字示波器的发展总共经过了三个阶段，从采样速率较低，带宽较窄，主要以数字示波器与模拟示波器相结合的结构形式，功能少，性能低的初级阶段发展到较高采样速率和带宽的技术慢慢开始走向成熟阶段再到不仅持续提高数字示波器的采样速率(最高达40GSa/s)、带宽(达20GHz)，还同时提高性价比开始向带宽100MHz以下的通用数字示波器方向发展的阶段REF_Ref549\r\h[4]。目前数字示波器的主要生产厂家便有美国的力科公司、泰克公司、中国大陆的普源精电公司以及中国台湾的固纬公司等REF_Ref21380\r\h[5]。其中力科公司便是一家在示波器技术研发领域相当优秀的高端生产商，它生产的示波器的技术指标引领行业先进水平。该公司几十年来不断坚持创新，持续跟进新兴高速技术从而生产出更多通道，更高带宽，更高精度，更深存储长度的示波器。在数字示波器的硬件设计方面，国外研究主要集中在提高采样率、扩大带宽、增加通道数、优化电路结构和信号处理算法等方面。国内的研究也在努力提高数字示波器的硬件性能，但整体水平相对较落后。一些研究团队致力于开发低成本、高性能的数字示波器，以满足国内市场的需求。在信号处理算法方面国外研究者取得了很大进展，不断优化和改进数字示波器的信号采集、存储、显示和分析技术，提高了数字示波器的测量精度和实时性。国内研究者在积极探索信号处理算法，但与国外相比还存在一定差距。在应用领域的拓展方面，国外研究主要集中在电子、通信、汽车、航空航天等领域。而国内的研究团队也致力于将数字示波器应用于新兴领域，如智能制造、物联网等，以提高数字示波器在国内市场的竞争力。总的来说，数字示波器的国内外研究现状在不断发展。国外的研究相对领先，而国内的研究也在积极追赶，各大研究机构和企业不断加大对数字示波器技术的研发和应用力度。随着技术的不断进步和应用领域的拓展，数字示波器将会在更广泛的领域得到应用。1.3数字示波器设计的研究任务本设计方案使用了STC12C5A16AD单片机和TFT液晶显示屏，实现了输入信号波形的无失真显示、频率和幅值的显示，以及按键控制下的波形缩放和冻结功能。系统设计包括信号采样、存储和信号输出等模块。整体系统结构如REF_Ref13841\h图1所示，涵盖了硬件设计、软件开发、波形展示以及性能评估与优化等方面。图SEQ图\*ARABIC1数字示波器系统框图硬件设计包括设计示波器的输入衰减电路、单片机控制电路、波形采样电路、波形整形电路、显示屏接口和电源及按键等硬件模块。这些硬件模块需要满足示波器的性能要求，如带宽、采样率、采样深度等。需要相关数字电子技术、模拟电子技术等为硬件电路设计奠定基础。而软件设计则需一定的C语言程序编程及调试能力包括编写示波器的频率计算和幅值计算程序和对波形进行冻住与缩放的程序。这些部分共同构成了数字示波器的核心功能，它们负责将输入信号转换为数字形式，并对数字信号进行处理和显示，最终呈现在示波器的显示屏上供用户观察和分析。因此，在设计数字示波器时，这些部分的设计和优化是至关重要的。总之要求设计能对被测信号进行采集、存储、显示。做到显示无失真的波形及频率和幅值同时通过按键功能波形能进行一定程度的缩放与冻住，需要进行设计硬件控制电路，画出硬件设计原理图，编写相应的控制软件，并进行对信号的实际测试与调试。2数字示波器的工作原理与技术指标2.1数字示波器的基本原理数字示波器通过将模拟信号转换为数字形式，并利用数字信号处理技术对信号进行采样、存储和显示，从而实现了对电信号波形进行观察、分析和测量的功能REF_Ref22506\r\h[6]。其原理框图如REF_Ref13716\h图2所示，其中便包括A/D转换器、存储器、放大器、衰减器及触发电路等。图SEQ图\*ARABIC2数字示波器原理框图具体来说，信号采集便是：数字示波器首先通过输入端用探头接收待测信号，通常将其连接到示波器的输入通道。模数转换便是：将输入的模拟信号转换为数字信号。示波器内部的采样电路会以特定的采样率对信号进行抽样，通常高于待测信号的最高频率，以保证信号的准确采集。每个采样点的幅值转换为数字形式，这个过程称为量化，其中模拟信号的幅度按照一定的量化级别（即量化分辨率）被映射为对应的数字值，通常以二进制形式表示。数据存储便是：数字示波器将采样到的数字信号存储在内部存储器中，或者通过外部存储介质保存。存储的数据通常以波形形式组织，每个波形由一系列采样点组成。波形显示便是：存储的波形数据通过数字信号处理器进行处理，然后传送到示波器的显示屏上进行显示。波形显示通常是以像素点的形式在屏幕上绘制出来，形成连续的波形图像。2.2数字示波器的特点数字示波器相对于模拟示波器有许多特点，其中一些主要特点包括：(1)高精度和稳定性：数字示波器利用数字信号处理技术，具有高精度和稳定性，能够精准地捕捉、显示和分析信号，对噪声和漂移的影响较小。同时由于采用高分辨率的AD转换器与较稳定时钟的晶振使得测量输入信号的幅度具有较高的准确度。灵活性和便捷性：数字示波器通常具有更多的设置选项和界面操作，用户可以方便地调整参数和配置，适应不同的测试要求，提高了使用的灵活性和便捷性。数字示波器还可以通过USB接口或网络连接与计算机进行数据交换和远程控制，提高了使用的灵活性和便捷性。较强的数据处理能力：数字示波器可以将模拟信号转换为数字形式进行处理，因此可以利用数字信号处理算法对信号进行更精确的分析和处理。这包括数字滤波、傅里叶变换、自动测量、波形数学运算等功能，使得数字示波器可以更准确地分析信号的特征和性质。2.3数字示波器的技术指标数字示波器的主要技术指标包括：采样速率：数字示波器的采样速率是指示波器在单位时间内对信号进行采样的次数REF_Ref4849\r\h[7]。这个速率对于数字示波器捕捉输入信号的精度和准确性至关重要，主要由A/D转换器的转换速率决定，通常以每秒采样点数Sa/s（sample/second）来衡量REF_Ref5035\r\h[8]。数字示波器实际所使用的采样速率与所设定的示波器水平扫描时间之间具有一定的关系，其计算公式可表示为：(1)式(1）中，N表示显示屏每格显示的点数，t/div表示示波器水平扫描时间因子，也就是示波器扫描显示一格所需的时间。较高的采样速率意味着示波器可以更准确地捕获信号的细节和快速变化。带宽：带宽是以赫兹(Hz)为单位表示的，表示示波器能够捕获和显示的信号频率范围，通常是从低频到高频的一个范围REF_Ref6022\r\h[9]。具体来说，数字示波器的带宽是指在一定准确度要求下，示波器能够准确测量和显示的最高频率，它直接决定了示波器对信号频率响应的能力。因此，在选择数字示波器时，需要根据实际测试需求和被测信号的频率范围来确定所需的带宽。扫描速率：扫描速率(又称扫描时间因数，简称为扫速)定义为示波器光点在屏幕水平方向上移动一格所占用的时间，以s/div、ms/div、μs/div等表示。扫描速率决定了示波器在屏幕上显示波形时的流畅度和更新频率。较高的扫描速率意味着示波器可以更频繁地刷新屏幕上的波形，从而实时显示信号的变化。设置水平扫描速度是为了在数字示波器屏幕上以最佳的可视状态展示输入信号的波形，水平扫描速度反映了示波器展示被测信号波形的能力REF_Ref23712\r\h[10]。存储深度：数字示波器的存储深度是指它内部存储器或缓冲区可以保存的波形数据点数量，这直接影响了示波器可以捕获和存储的信号波形的长度和细节水平REF_Ref25776\r\h[11]。通常以采样点数量来表示，即示波器可以存储多少个采样点的波形数据。数字示波器的记录时间长度是由采样速率和存储深度决定的，式(2)便表示了它们三者之间的联系：(2)式(2)中T表示记录时长，D表示存储深度，Sa/s则是扫描速率，较大的存储深度可以存储更长时间的波形数据，从而更好地观察到信号的周期性特征。分辨率：数字示波器的分辨率通常指的是垂直分辨率，它是指示波器能够准确测量和显示信号幅值的能力，即示波器在电压轴上能够分辨的最小电压间隔REF_Ref27046\r\h[12]。示波器的高分辨率意味着它能够显示更丰富的波形细节，对于准确测量和精细分析的需求也更高。这一分辨率的高低取决于A/D转换器的精度和显示屏的分辨率。高分辨率的数字示波器在实际应用中具有明显的优势，能够更准确地观察和分析信号的细微特征。3数字示波器的总体设计任务3.1系统方案的总体设计本设计硬件电路图如REF_Ref9556\h图3所示，包括单片机控制电路、液晶显示接口电路、波形整形电路、采样输入电路、按键控制电路、电源接口电路、程序下载电路等。图SEQ图\*ARABIC3设计硬件电路图3.2系统方案论证数字示波器的系统方案设计可以采用不同的方法，以下是几种常见的设计方法：方案一：以FPGA为控制核心。FPGA具有较高的可编程性和并行计算能力，同时系统结构会较为紧凑，可以实现复杂测量与控制，FPGA的功耗通常较低，适用于功耗敏感的应用场景与对实时性要求较高的应用场景REF_Ref31200\r\h[13]。但此使用方案的成本较高，同时FPGA的设计和编程需要专业的硬件描述语言(如Verilog、VHDL)和开发工具，学习曲线较陡。且设计复杂，系统庞大，需要额外的开发工具和外围电路，增加了系统成本。方案二：基于嵌入式处理器的设计。这种设计方法使用嵌入式处理器（如ARM、DSP等）作为核心控制单元，通过外部ADC采集信号，再通过处理器进行信号处理和显示。嵌入式处理器灵活性高，可以选择不同性能和功能的嵌入式处理器，根据实际需求进行定制设计。同时软件可移植性好，采用标准的软件开发工具和操作系统，方便软件的开发和移植。嵌入式处理器通常集成了丰富的外设和接口，可以实现多种功能。但缺点是实时性差：受到嵌入式处理器性能和系统负载的限制，可能无法满足高速信号采集和实时显示的需求。同时成本较高，且需要额外的外围电路和接口电路，增加了系统成本和复杂度。方案三：基于单片机设计。这种方法的设计思路是以单片机为核心控制器，单片机的开发环境成熟，开发工具和资源丰富，开发门槛较低，且单片机通常集成了丰富的外设和接口，例如模拟-数字转换器(ADC)、通用输入输出(GPIO)、串口、定时器等，这些外设和接口为开发者提供了更多的选择和灵活性，可以满足各种应用场景的需求REF_Ref299\r\h[14]。单片机通常具有较强的扩展性，可以通过外部模块和接口进行功能扩展，同时功耗较低、成本低廉，适用于一些简单的应用场景。出于便携性、成本控制和广泛适用性的考虑，并考虑到个人技术水平有限，最终选择了方案三。在现有条件下，这种选择既符合项目的需求，又考虑到了实际可行性和可操作性。3.3频率测量方案选择数字示波器的频率测量方案设计可以采用不同的方法，以下是几种常见的设计方法：方案一：通过硬件电路实现频率测量。在硬件层面上，可以使用计数器或计时器来直接测量输入信号的周期或脉冲数量。计数器或计时器可以与示波器的ADC模块相结合，实现对信号的实时采集和频率测量。同时还可以设计一个专门的硬件模块，用于测量输入信号的频率。该模块可以包括频率计数器、时钟模块和计时器等组件，通过硬件电路实现对频率的精确测量。但本方案需要额外的硬件成本和设计工作且受限于硬件计数器的最大频率和精度。方案二：通过软件程序实现频率测量。在软件层面上，可以编写周期测量算法，通过采集到的信号数据计算出信号的周期，然后根据周期计算频率。这种方法适用于对频率测量精度要求不高的场景。也可以利用软件编写脉冲计数算法，对输入信号中的脉冲进行计数，在一段时间内统计脉冲的数量，然后根据统计结果计算频率。这种方法适用于高频信号的频率测量。本方案优点是实现简单，但受限于采样率和计算精度。由于本设计对可测量的最大频率不做要求，同时为了不增加系统的设计成本结合本人硬件设计能力有限而程序编写网上资料较多最终决定采用方案二。相对于硬件设计的复杂性和风险，这种选择更加稳妥。3.4幅值测量方案选择数字示波器的幅值测量方案设计可以采用不同的方法，以下是几种常见的设计方法：方案一：通过硬件电路实现幅值测量。设计一种幅值检测电路，利用比较器或峰值保持电路来检测输入信号的峰值，并将其输出给示波器。同时设计合适的放大器和采样电路，保证输入信号能够被适当放大和采样，以便于后续的幅值测量。优点是实时性高，测量精度较高，但需要额外的硬件支持和成本且可能受到信号幅值范围和噪声等因素的影响。方案二：通过软件程序实现幅值测量。在软件层面编写幅值检测算法，对采集到的信号数据进行处理，识别并记录信号的峰值。这种方法可以根据采样数据的最大值得出信号的幅值。优点是灵活，可以适应不同的信号特性，但实时性可能较差。也可设计信号处理算法，对采集到的信号进行滤波、去噪等预处理，然后再进行峰值检测。这样可以提高幅值测量的准确性和稳定性，适用于复杂信号的测量。鉴于本人硬件设计能力有限，而软件程序网上资料较多同时为了不增加系统的设计成本决定选择方案二。方案二具有较为成熟的软件支持和丰富的在线资料，能够帮助快速上手并减少开发过程中可能遇到的困难。3.5数字示波器的设计目标本作品的实现目标是设计一个能够稳定显示输入信号的波形，同时在屏幕上显示该信号的频率、幅值，通过按键控制波形缩放及冻住波形。其中采样深度为：250pts，信号输入频率范围为0-1KHz，由于本设计采用3.2寸TFT液晶屏所以为了最大利用屏幕，本数字示波器设计电压输入范围为：0-16V。水平分辨率的档位为：1ms/div,10ms/div,100ms/div。垂直灵敏度档位为：0.5V/div,2V/div。4系统硬件电路设计4.1单片机控制电路本设计采用了STC12C5A16AD单片机作为核心控制器。它是STC微电子公司生产的51系列单片机，其核心仍是8051系列的CPU但是是增强型8051CPUREF_Ref9008\r\h[15]。它提供了多种外设接口，包括模拟输入接口、串口通信接口、SPI接口等。这些接口用于连接外部设备，实现单片机与外部设备的数据交换和通信。其控制电路如REF_Ref18042\h图4所示。单片机采用外部晶体时钟，外围电路主要包括复位电路、IO口的上拉电阻、单片机系统时钟电路等，还有程序的下载接口。整体来看，这个电路是数字示波器中的关键部分，负责控制示波器的功能和处理输入的信号数据。它采用单片机作为核心控制器，通过读取外部输入的信号数据，并经过处理和计算，最终将处理后的波形数据通过LCD显示出来。图SEQ图\*ARABIC4单片机接口及外围扩展电路4.2输入衰减电路由于ADC对输入电压的幅度有特定的限制，通常要求其范围在0至5伏特之间。这样的要求确保了ADC能够准确地将模拟信号转换为数字信号，从而满足系统的处理需求。针对输入的模拟信号，需要根据垂直灵敏度的不同进行适当的调整。对于较小的电压信号，需要进行放大处理，使其达到可以被检测的水平；对于较大的电压信号，需要进行衰减处理，确保其在ADC可接受的输入电压范围内。这样的调整过程旨在确保模拟信号能够适配ADC的工作需求，从而保证数据转换的准确性和有效性。本设计通过电阻分压实现衰减通过电容实现滤波作用，其电路如REF_Ref18290\h图5所示。由自锁开关控制衰减程度即切换垂直灵敏度的档位，其原理是当自锁开关接入1、6引脚时GAIN为高电平，因为100欧和40k欧分压可以忽略不计则此时输入电压衰减程度便为0即不衰减，其对应的垂直分辨率的档位是0.5V/div而当自锁开关接入3、4引脚时GAIN为低电平，此时输入电压衰减程度便为10/40即1/4，其对应的垂直分辨率的档位是2V/div。程序通过判断GAIN的电平大小确定档位从而显示对应波形。图SEQ图\*ARABIC5输入衰减电路4.3信号采集电路输入信号经过衰减进入信号采集电路，整个信号采集电路不仅要保证对输入信号的准确采集，还要考虑到对运放和其他电路元件的保护，确保系统的稳定性和可靠性。为了防止输入运放的电压过压设计了一个二极管钳位电路保护运放，如果信号经过输入衰减电路直接接入单片机的话ADC的内阻会影响到衰减电路的比例，为了保证最终获得的电压符合衰减比例，用一个跟随器接在衰减电路的后面，使用了一个OPA2348运算放大器作为跟随器，OPA2348是一款由两个独立的高速、低功耗运算放大器组成的芯片，通常用于电压放大、缓冲、滤波等应用，其电路如REF_Ref18401\h图6所示。图SEQ图\*ARABIC6信号采集电路这个芯片有良好的输入电压范围和低输入偏差电压，适合信号处理。因为跟随器的特点是输入阻抗无穷大，而输出阻抗很小便于驱动后续电路，在它后面接上单片机，ADC的内阻便不会影响前面的电路从而采集到准确的电压。跟随器后面接一阶RC低通滤波器，减小高频噪声，提供一定的频率补偿。同时再接一个钳位电路保护单片机。其中式(3)为一阶RC低通滤波器截止频率计算公式：(3)4.4波形整形电路通过了跟随器的信号除了进入单片机采样以外还会通过一个一阶RC滤波器滤除干扰信号然后经过比较器进行整形方便后期频率计算，使用的芯片是OPA2348，这是一种低功耗运算放大器。在这个电路中，运算放大器被配置成一个比较器，其电路图如REF_Ref18499\h图7所示。图SEQ图\*ARABIC7波形整形电路比较器原理和作用是：比较器是一个简单的电路，它比较两个电压值，并且在输出端提供一个高电平或低电平，取决于非反相输入(在引脚3)和反相输入(在引脚2)之间的电压差。当引脚3的电压高于引脚2的电压时，比较器输出一个高电平。当引脚2的电压高于引脚3的电压时，比较器输出一个低电平。在这个整形电路中，反相输入连接到一个电位器，它设置了反相输入的阈值电压，可以去调节电位器调整该电压。非反相输入连接到信号采集电路中跟随器的输出。当非反相输入的电压超过阈值电压时，运算放大器的输出会转换到高电平，否则保持在低电平。通过这种方式便将输入的信号整形成方波，这种方波信号可以被单片机的中断引脚捕获，利用中断处理程序计算信号的周期，从而得出频率等有用的信息。其原理如REF_Ref23081\h图8所示。图SEQ图\*ARABIC8波形整形原理4.5液晶显示接口电路本设计选用由ILI9341芯片驱动的3.2寸TFT液晶屏作为示波器的显示屏。ILI9341芯片是一种常用于驱动TFT液晶屏的集成电路，它支持高速并行接口和SPI接口，通常用于控制显示器的图形和颜色输出REF_Ref26199\r\h[16]。单片机通过并行接口与ILI9341芯片进行通信，向其发送命令和数据。TFT屏幕接口电路如REF_Ref18630\h图9所示，使用TFT屏幕显示波形通常涉及以下步骤：在程序开始时，需要初始化TFT屏幕，包括设置屏幕分辨率、颜色模式等参数。根据需要绘制坐标轴，包括X轴和Y轴，标注刻度和单位。使用示波器的采集模块，获取待显示的波形数据。可以根据需要采集单个波形周期或连续波形数据。通过单片机控制TFT屏幕上的像素点，利用绘图接口将波形曲线一点点地绘制出来。这个过程需要精确地处理每个采样点的坐标信息，以确保波形曲线的平滑和准确性。图SEQ图\*ARABIC9显示屏接口电路4.6按键控制电路本设计使用三个按键来控制波形的缩放与冻住，其中一个按键控制波形冻住，一个按键控制波形水平方向的放大，一个按键控制波形水平方向的缩小。这个按键电路的工作原理是基于按键的开闭状态来控制电流的流动。按键未按下时，电路处于断开状态，电流无法通过。但是，当按键按下时，电路闭合，允许电流从地(GND)流向相应的“KEY”节点。这种闭合状态使得相应的“KEY”节点与地之间形成一个电路路径，允许电流通过，从而可以被电路检测到按键的状态。在实际应用中，单片机通过检测这些“KEY”节点的电平变化来确定按键是否被按下，从而执行相应的操作或功能。为了方便操作及显示的美观性，按键设置在板子左下角，其连接电路如REF_Ref18718\h图10所示。图SEQ图\*ARABIC10按键连接电路5系统软件设计5.1主程序设计图SEQ图\*ARABIC11主程序流程图REF_Ref25938\h图11为主程序流程图，通过主程序实现波形显示，频率、幅值及平均值的计算与显示，同时实现按键的功能，主程序一直while（1）运行，有个定时器的程序，定时器用来固定时间ADC采样速率（比如定1毫秒ADC采一次），采满点数后告诉while（1）然后把采样的数据显示出来，还要计算并显示频率、幅值。主程序流程图如图11所示，主程序首先进行系统初始化以后就一直while（1）运行：首先进行增益扫描判断垂直灵敏度档位并显示，然后扫描按键1确定是否冻住波形，如果确定就取反触发变量，接着扫描按键2和按键3确定是否切换水平分辨率的档位，然后进入ADC采样结束的判断，若采样结束便显示波形，计算频率幅值并显示，同时根据触发变量进行冻住波形或者恢复波形，如果采样没有结束便延时等待接着while循环。其中增益判断程序如下所示：if(Gain==1){gain_in=1;V_div=20;LCD_ShowString(80,225,16, "0.5V/div",0);//垂直档位0.5V/div}else{gain_in=4; V_div=80;LCD_ShowString(80,225,16, "2V/div",0);//垂直档位2V/div}增益判断程序如上方所示，根据之前输入电路的GAIN引脚的电平确定gain_in的值，如果不衰减gain_in就是1反之就是4，而根据垂直分辨率的档位确定V_div的，因为垂直方向只有200个点（8个格子），当选择0.5V/div时最大就是4V(即4000mV)，那V_div=4000/200=20，当选择2V/div时最大就是16V(即16000mV)，那V_div=16000/200=80，其中gain_in和V_div的值跟后面将采样数据转换为电压坐标有关。5.2波形显示子程序设计波形显示是先将经过ADC模数转换的采样数据转换为电压坐标。转换原理是：因为ADC的输入电压范围是0~5V然后8位ADC就是0~255,0就是对应0V，255就是对应5V。所以采样数据乘以5000(即5V)在除以256便得到AD电压值再乘gain_in就是输入电压值再除以垂直分辨率的档位V_div就找到对应到显示屏上的纵坐标。这里乘5000是为了整数，算出来的是毫伏，不然会有小数点。然后再调用LCD_DrawLine(u16x1,u16y1,u16x2,u16y2)函数显示波形，该函数实现了绘制直线的功能，使用了Bresenham算法。具体原理为：计算两点之间的坐标增量delta_x和delta_y，根据delta_x的正负情况设置单步方向incx，同理设置incy，然后确定基本增量坐标轴distance，选择增量较大的坐标轴。使用循环计算线上的各点，并调用LCD_DrawPoint()函数来绘制点同时根据误差累积情况更新当前绘制点的坐标。波形显示子程序如下所示： for(i=0;i<250;i++){x1=ADC_ConvertedValue[i];//ADC_ConvertedValue[i]即采样数据x1=x1*5000*gain_in/256/V_div;//采样数据转换为电压坐标if(x1>200) x1=200; //垂直只有200个点x1最大只能是200tem[i]=x1;//把转换后的值存入tem[i]数组}for(i=0;i<249;i++)//水平方向250个点{ LCD_DrawLine(5+i,220-tem[i],6+i,220-tem[i+1]);//0点坐标是(5,220)} 5.2频率、幅值测量子程序设计频率计算要用一个中断程序（EXINT0程序）：因为我们是把波形整形成方波送到单片机的INT0引脚，因为整形成方波来个下降沿就会触发中断，然后用一个Fcount变量计数一次，再另外用一个定时器，定时一秒后溢出记录翻转了多少次（假设一秒钟翻转一百次那频率就是100hz），获取完频率数据赋给变量Freq并将其显示出来。而幅值的计算则是用一个for循环把采集到的250个采样数据通过不停的比较从而找出最大值并求累加值。然后经过转换求出最大的采样数据实际对应的电压即幅值，其原理和之前在波形显示程序中提到的差不多，将累加的采样数据进行转换除以250便是平均值，最后显示幅值、频率和平均值。其部分程序如下方所示：for(i=0;i<250;i++){if(Vp<ADC_ConvertedValue[i])Vp=ADC_ConvertedValue[i];//找最大值x1=x1+ADC_ConvertedValue[i];//求累加值} x1=x1*5000*gain_in/256/250;//求平均值LCD_ShowNum(260,112,x1/1000,2,16);//平均值显示LCD_ShowNum(284,112,(x1%1000)/100,1,16);LCD_ShowNum(292,112,(x1%100)/10,1,16);x1=Vp;//求幅值x1=x1*5000*gain_in/256;LCD_ShowNum(260,62,x1/1000,2,16);//幅值显示LCD_ShowNum(284,62,(x1%1000)/100,1,16);LCD_ShowNum(292,62,(x1%100)/10,1,16);LCD_ShowNum(260,162,Freq,4,16); //显示频率 5.4波形缩放及冻住子程序设计垂直缩放是通过按键控制调整输入电路的衰减比例之前的输入衰减电路已经讲清楚，而水平缩放是通过按键控制调整采样频率，通过设置不同的定时器初值，隔不同的时间去采样。波形冻住是通过编写程序通过按键控制波形显示程序的运行，当按键按下时，就取反触发变量给程序停在一个位置，此时波形便冻住，直到再按一下按键，程序再正常运行。其中流程图如REF_Ref14919\h图12、REF_Ref11173\h图13所示：图SEQ图\*ARABIC12波形冻住子程序流程图图SEQ图\*ARABIC13波形缩放子程序流程图6示波器功能测试与分析6.1波形显示测试如REF_Ref30547\h图14、REF_Ref30554\h图15、REF_Ref31953\h图16、REF_Ref31956\h图17所示，该示波器能够显示不同频率和幅值的波形，包括正弦波、方波、锯齿波、三角波等。图SEQ图\*ARABIC14正弦波(3V100HZ1ms/div)图SEQ图\*ARABIC15方波(3V30HZ10ms/div)图SEQ图\*ARABIC16锯齿波(3V100HZ1ms/div)图SEQ图\*ARABIC17三角波(6V50HZ10ms/div)6.2频率与幅值的测量频率精度测试是通过使用信号发生器产生频率相同但幅值不同的正弦波信号，将其输入到示波器中进行测量，并对测得的频率数据进行分析，以评估示波器的频率测量精度和误差情况。结果如REF_Ref22939\h表1所示,误差比较理想。表SEQ表\*ARABIC1正弦波频率测量序号输入频率(hz)测量频率(hz)误差(%)11001011.0021501510.6732002010.5042502520.8053003020.6763503520.5774004020.5084504520.4495005030.60由以上几组数据计算得出平均误差为：(1.00%+0.67%+0.50%+0.80%+0.67%+0.57%+0.50%+0.44%+0.60%)/9=0.64%幅值精度测试是通过信号发生器产生幅值不同但频率相同的正弦波信号，将其输入示波器进行测量，并分析测得的幅值数据，以评估示波器的幅值测量精度和误差情况。结果如REF_Ref4419\h表2所示，误差一般。表SEQ表\*ARABIC2正弦波幅值测量序号输入幅值(V)测量幅值(V)误差(%)12.002.052.522.502.552.033.003.062.043.503.572.054.003.980.564.504.451.175.005.000.085.505.460.7396.005.931.17由以上几组数据计算得出平均误差为：(2.50%+2.00%+2.00%+2.00%+0.50%+1.10%+0.00%+0.73%+1.17%)/9=1.33%6.3按键功能测试波形冻住功能测试：给示波器输入一定频率与幅值的正弦波，会发现每隔一段时间波形便会刷新，当按下左边第一个按键时波形冻住不再刷新，再按一次按键波形便恢复刷新。水平方向缩放按键功能测试：1.给示波器输入频率：40HZ幅值：3V的正弦波，按下按键分别切换水平扫描速度：1ms/div、10ms/div、100ms/div。其中左边第二个按键为增加扫描速度，左边第三个按键为减小扫描速度。其效果如REF_Ref30635\h图18、REF_Ref30638\h图19、REF_Ref30642\h图20所示：图SEQ图\*ARABIC181ms/div档位图SEQ图\*ARABIC1910ms/div档位图SEQ图\*ARABIC20100ms/div档位2.给示波器输入频率：50HZ幅值：2V的三角波，按下按键分别切换水平扫描速度：1ms/div、10ms/div、100ms/div。其中左边第二个按键为增加扫描速度，左边第三个按键为减小扫描速度。其效果如REF_Ref30691\h图21、REF_Ref30694\h图22、REF_Ref32146\h图23所示：图SEQ图\*ARABIC211ms/div档位图SEQ图\*ARABIC2210ms/div档位图SEQ图\*ARABIC23100ms/div档位水平方向缩放按键功能测试：1.给示波器输入频率：200HZ幅值：3V的三角波，按下自锁开关切换垂直分辨率的档位。其效果如REF_Ref462\h图24、REF_Ref468\h图25所示：图SEQ图\*ARABIC240.5V/div档位图SEQ图\*ARABIC252V/div档位2.给示波器输入频率：100HZ幅值：2V的三角波，按下自锁开关切换垂直分辨率的档位。其效果如REF_Ref1912\h图26、REF_Ref1915\h图27所示：图SEQ图\*ARABIC260.5V/div档位图SEQ图\*ARABIC272V/div档位总的来说，三个按键分别成功实现了波形冻住，水平方向缩放波形。自锁开关成功实现了垂直方