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2020年03月23日 | 采用单片机的简易工频示波器制作
2020-03-23 来源：eefocus
在维护应用了晶闸管(可控硅)的电力电子设备过程中，经常要用到示波器察看触发信号和输出波形，用普通示波器体积大、笨重，而且示波器外壳接地，测量强电电路有一定危险。为此笔者制作了简易工频示波器，精度低些，但能满足工频测试需要。
一、电路原理
这款工频示波器电路主要由单片机、AD转换和LED点阵显示三部分电路组成，原理见下图。
电路的核心用的是飞利浦公司的单片机P89LPC901，其特点是外围电路简单，有内部7.373MHz振荡器、1KB Flash程序存储器和128字节RAM，8脚SO-8或DIP-8封装。利用其P0.4、P0.5、P1.2端口与模数转换电路ADC0832通信，采集电压信号。用P3.0、P3.1端口模拟I2C总线与PCF8574通信，扩展输出端口驱动LED点阵显示测得波形。端口P1.5用来识别示波器工作状态，高电平时为双通道，但只能采集直流信号，红色LED波形是通道1(CH0)的，绿色LED波形是通道2(CH1)的，显示效果如下图；
低电平时为单通道，红色LED波形是正半波，绿色LED波形是反相的负半波，显示效果如下图。电源经过78LO5稳压后再经LED降压为3.3V给单片机供电。
模数转换电路ADC0832的输入可在通信时选择单端输入或是差分输入。单端输入时，有两个通道CH0和CHl，输入信号范围0～+5V。差分输入时只有一个通道，但是可以在通信时选择极性，这样在采集某时间点电压时变换极性采集两次，其中一次信号极性与通道极性一致，得到信号数据，另一次信号极性与通道极性相反，得到数据为零，这样就实现了交流信号的采集，输入信号范围-5V～+5V。用78L05给ADC0832单独供电，是为了保证模数转换不受其他电路干扰。
显示用的是两块红绿双色16×16 LED点阵MD1216，每块点阵有16个共阳管脚、16个红色阴极管脚和16个绿色阴极管脚，两块拼在一起构成32×16点阵LED显示器。驱动用的是I2C总线8位接口扩展芯片PCF8574，其输出低电平时具有大电流驱动能力，输出高电平时也能驱动LED，但电流较小，满足不了扫描显示所需大电流，电路中用三极管扩流。
二、编程与烧写程序
首先确定单片机的工作流程如上图所示。电路能显示2个16×16点阵字符，见下图。在源程序中更改字符，开机显示字符1s后进入检测状态，循环采集数据显示波形，周期约为1s～2s。单通道时取波形过零后上升沿为同步触发信号，双通道时以通道1波形为准，因为是测直流电压信号，除了波形过零后上升沿外还有3个数据不变后上升和30个非零数据不变作为同步触发信号。
单片机端口设定为双向，而ADC0832的DI和DO端在时序上不冲突，所以连到一起接单片机P0.4端。由于显示电路表示电压大小的点阵只有16点，采集电压信号时只采集高4位就够了。ADC0832的工作时序见下图，多路器控制逻辑见附表。根据ADC0832的工作时序和多路器控制逻辑确定单片机相应引脚的输入、输出时序。
I2C并行口扩展电路PCF8574通过3个硬件地址引脚可寻址8个器件，电路中用了8片，刚好占用了全部地址。写地址为40H、42H、44H、46H的4片PCF8574驱动32位共阳极，写地址为48H、4AH的2片PCF8574驱动红色LED的16个阴极，写地址为4CH、4EH的2片PCF8574驱动绿色LED的16个阴极。PCF8574的工作时序见下图。
根据时序编写出单片机与PCF8574的通信子程序，在此基础上编写显示子程序。显示的过程是首先读取第一组数据，确定第一列红色和绿色LED点亮的位置，对应地址输出低电平，其余为高电平，然后驱动第一列共阳极的管脚输出低电平，其余为高电平，这样只有对应第一列的三极管导通，点亮特定LED，点亮后延时一段时间，恢复所有输出为高电平，起到消隐的作用，再接着点亮第二列的LED，如此循环扫描就显示出了检测到的波形。
三．组装与调试
做好电路板，进行焊接和连线。图纸中没有画出输入信号的分压电路，可以用多挡转换开关或是电位器来扩大输入信号范围。还有电源可以用外接整流电源，最好是接两节锂电池加个电源开关，和电路板一起放入一个绝缘的塑料盒内，完成后的简易工频示波器如下图，上面有32×16点阵LED显示屏、通道转换钮子开关、电源钮子开关、挡位转换开关和输入插孔。因为测量频率低，输入线不必用示波器探头，用简单的万用表笔线就可以了。需要注意的是端口P1.5是单片机复位管脚，单片机设定为内部复位，此管脚正常工作时没有复位作用，但上电时不能接地，否则单片机不工作，就是说使用此示波器上电后，通道选择要先打到双通道位置才开始工作。
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