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摘 要：本系統采用AVR單片機作為系統的核心，由數據采集模塊、存儲模塊、控制模塊、按鍵及LCD顯示模塊等組成，該系統實現了將示波器和邏輯分析儀集成在一起，其中示波器部分最高采樣頻率可達60MSa/s，垂直靈敏度從5V/div到10mV/div共9擋，水平掃描速度從50ms/div到250ns/div共8擋，邏輯分析部分為16通道，最高采樣頻率為10MSa/s，利用多CPU技術在LCD上顯示信號。
關鍵詞：單片機；示波器；邏輯分析儀
中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 12-0000-02
目前在全國大多數高校實驗室的實驗臺上并無示波器模塊和邏輯分析儀模塊，如果在實驗臺外配備示波器、邏輯分析儀等儀器，將會增加實驗室的經濟壓力，且操作麻煩。而直接將示波器、邏輯分析儀直接集成在實驗臺上，可使實驗結果直觀明了的顯現在實驗者面前，相比于在外部配置示波器、邏輯分析儀等設備的方法成本方面將低得多，更有利于在實驗室中推廣。而且該綜合測試儀，結構簡單，可以滿足高校的教學需求。
一、系統總體方案設計
以MCU1主控單片機ATmega64和MCU2、MCU3從控單片機ATmega8-16AU作為控制、數據處理的核心，示波器模塊的輸入信號經過程控放大器的衰減或放大至ADS830E的輸入信號范圍（1.5V至3.5V），然后分兩路，一路送給ADS830E，實現數據的采集，一路送給整形電路，以便MCU2測頻率。邏輯分析輸入信號經過AD7829采集，轉換成數值，與MCU3設定的門限值比較輸出邏輯電平。通過SPI通信接收MCU2、MCU1的發送數據，并處理顯示在LCD上。系統框圖如圖1所示。
二、系統硬件設計
（一）示波器模塊
（1）程控放大模塊
信號輸入后通過繼電器選擇其耦合方式，選用先衰減0.5或0.05倍，緩沖后放大-2或-0.8或-4倍，最后選擇放大1倍或10倍，控制相應的繼電器即可實現9擋放大倍數，即9擋垂直靈敏度。本電路中選用高速運算放大器LM6172雙運放，帶寬為100MHz，壓擺率為3000V/us，每通道消耗電流為2.3mA，輸出電流達50mA，能滿足電路的要求。
（2）AD轉換、存儲電路
數字示波器中最重要的就是AD轉換電路，將輸入的模擬信號轉換為數字信號存入存儲器。根據奈奎斯特定理，采樣頻率至少是被測頻率的2倍，而在此處采樣頻率至少為被測信號的5到8倍，否則無法恢復信號的波形。本電路采用的是BB公司的8位高速AD轉換器ADS830E，采樣頻率為10KSa/s至60MSa/s，經實驗發現在頻率1K以下也可以正常工作，既可以滿足設計要求。AD轉換電路如圖2所示。
（3）時鐘電路
時鐘產生電路為AD轉換器提供時鐘信號，分別為60MHz、30MHz、6MHz、600kHz、60kHz、6kHz、600Hz，共8種，采用60MHz的溫度補償有源晶振提供基準時鐘信號，實現過程如圖3所示。
（4）MCU2單片機控制和信號整形電路
MCU2負責測量由觸發器構成的整形電路輸出的信號的頻率，即被測信號的頻率，并控制程控放大器，將頻率、水平掃速、垂直靈敏度等參數通過SPI總線發送給MCU1。
（二）邏輯分析儀模塊
該模塊由數據采集前的阻抗變換、采集電路、MCU3單片機控制處理模塊組成。每一通道的輸入通過運放LM310構成的緩沖器，提高輸入阻抗。用兩片8通道8位的高速AD變換器AD7892將16路模擬信號進行轉換。該芯片最大吞吐量為2MSPS，內置一個2.5V片內基準電壓源，一個采樣保持放大器，一個420ns的8位半快速型ADC和一個高速并行接口。在此設計中AD7829將模擬信號轉換為數字信號，與MCU3單片機預設的門限電壓比較即可得邏輯電壓，通過SPI串口通信和MCU3單片機的控制將16路邏輯電平串行發送給MCU1單片機。邏輯分析部分設有操作旋鈕，門限電壓值由此調節，經過AD轉換后輸入單片機，進而比較得每路的邏輯電平。
（三）MCU1主控單片機LCD顯示處理電路
MCU1主控單片機ATmega64的PD口與存儲器的八個數據口相接，PB口接SPI通信的MISO、SS、CLK，控制與MCU2、MCU3的通信，PC、PE口連接LCD的端口，通過程序的控制LCD顯示波形。電路圖如圖4所示。
三、結束語
此系統的結構簡單，主要用于電子實驗臺的數據測試和波形顯示。其中用軟件實現示波器部分的同步觸發以及邏輯分析部分的隨機觸發，降低了電路的復雜性，能滿足電子學實驗的要求，相對于現在的實驗臺有了更大的改進，人機界面更好。
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