Zelfbouw Arduino Nano Oscilloscoop (10 Hz – 50 kHz) met 128×64 LCD

Onderdelen en benodigdheden

Benodigde tools

• Solderbout

Apps en online diensten

• Arduino IDE

Over dit project

Dit project beschrijft een eenvoudige oscilloscoop met een bereik van 10 Hz tot 50 kHz. Dat is een zeer groot bereik voor een apparaat dat geen externe ADC-chip gebruikt, maar uitsluitend de Arduino.

Het resultaat wordt weergegeven op een relatief groot LCD-scherm (ST7920) met een resolutie van 128×64 pixels. Het meetgebied is 96×64 pixels; de rechter 32×64 pixels tonen frequentie, Vpp en overige parameters.

De opbouw is extreem simpel en bestaat uit weinig componenten:

• Arduino Nano
• ST7920 LCD-display 128×64
• Drie momentane drukknoppen
• Twee potentiometers
• Één condensator van 100 µF

Functionaliteiten:

• Auto-trigger (zeer stabiele weergave)
• Tijdbasis: 0,02 ms/div tot 10 ms/div (1-2-5 stappen, 9 niveaus)
• Hold-functie: bevriest golfvorm en parameters

De verticale positie wordt ingesteld met de 50 kΩ potentiometer, de contrast met de 10 kΩ potentiometer. Getest met sinus- en blokgolfgenerator.

Hoewel het geen professioneel instrument is, is het uitstekend geschikt voor educatieve doeleinden of in de lab voor lage-frequente signalen, gegeven de lage kosten en eenvoudige bouw.

Code

De code gebruikt de U8glib-bibliotheek voor het ST7920-display. Hieronder de volledige sketch.

#include <U8glib.h>
U8GLIB_ST7920_128X64_4X u8g(6, 5, 4); // E, RW, RS

int Input = A0;
int Key_add = 8;
int Key_sub = 9;
int Key_hold = 10;

int x, y;
int i, i1, i2, V_min, V_max, V_mid, t, t0, t1, sta, Key = 1, hold = 0;
long Freq;
float Vpp;
int Y[96];
int Buffer[192];

// Bitmap voor opstartscherm (verkort)
const uint8_t L[] PROGMEM = { /* ... grote bitmap-array ... */ };

void setup() {
  pinMode(Key_add, INPUT_PULLUP);
  pinMode(Key_sub, INPUT_PULLUP);
  pinMode(Key_hold, INPUT_PULLUP);

  // ADC configuratie voor snelle sampling
  ADMUX = 0x60;  // AVCC referentie, ADC0
  ADCSRA = 0xE2; // ADEN, ADSC, ADATE, ADPS=2 (prescaler 4 -> 2 MHz ADC clock)

  u8g.setFont(u8g_font_5x7);
  u8g.firstPage();
  do {
    u8g.drawBitmapP(0, 0, 16, 64, L);
  } while (u8g.nextPage());
  delay(2000);
}

void loop() {
  sample();
  Measure();
  Transform();
  Key_scan();
  if (hold == 0) {
    u8g.firstPage();
    do {
      draw();
    } while (u8g.nextPage());
  }
}

void sample() {
  for (i = 0; i < 192; i++) {
    Buffer[i] = ADCH; // Lees hoogste 8 bits van ADC
    switch (Key) {
      case 1: break;
      case 2: delayMicroseconds(4); break;
      case 3: delayMicroseconds(10); break;
      case 4: delayMicroseconds(23); break;
      case 5: delayMicroseconds(60); break;
      case 6: delayMicroseconds(123); break;
      case 7: delayMicroseconds(248); break;
      case 8: delayMicroseconds(623); break;
      case 9: delayMicroseconds(1247); break;
      default: break;
    }
  }
}

void Measure() {
  V_max = Buffer[0];
  V_min = Buffer[0];
  for (i = 0; i < 192; i++) {
    if (Buffer[i] > V_max) V_max = Buffer[i];
    if (Buffer[i] < V_min) V_min = Buffer[i];
  }
  V_mid = (V_max + V_min) / 2;
  Vpp = (V_max - V_min) * 5.0 / 255.0;

  // Nul-doorgang detectie voor frequentie
  for (i = 0; i < 97; i++) {
    if (Buffer[i] < V_mid && Buffer[i+1] >= V_mid) { i1 = i; break; }
  }
  for (i = i1 + 1; i < 98 + i1; i++) {
    if (Buffer[i] < V_mid && Buffer[i+1] >= V_mid) { i2 = i; break; }
  }
  t = i2 - i1;
  if (t > 0) Freq = 8000L / t; else Freq = 0; // 8000 samples/sec basis
}

void Transform() {
  for (sta = 0; sta < 96; sta++) {
    if (Buffer[sta] < 128 && Buffer[sta+2] > 128) break;
  }
  for (i = 0; i < 96; i++) Y[i] = 63 - (Buffer[i+sta] >> 2);
}

void draw() {
  // Teken golfvorm
  for (x = 0; x < 95; x++) u8g.drawLine(x, Y[x], x, Y[x+1]);
  u8g.drawFrame(0, 0, 97, 64);
  u8g.drawLine(48, 0, 48, 63); // Middelijn verticaal
  u8g.drawLine(0, 32, 96, 32); // Middelijn horizontaal

  // Rasterlijnen
  for (x = 0; x < 96; x += 8) u8g.drawLine(x, 31, x, 33);
  for (y = 0; y < 64; y += 8) u8g.drawLine(47, y, 49, y);
  for (x = 8; x < 96; x += 8)
    for (y = 8; y < 64; y += 8)
      u8g.drawPixel(x, y);

  // Info rechterzijde
  u8g.drawStr(98, 7, "MS/div");
  u8g.drawStr(98, 23, "V/div");
  u8g.drawStr(98, 30, "0.324");
  u8g.drawStr(98, 40, "Vpp");
  u8g.setPrintPos(98, 47);
  u8g.print(Vpp);
  u8g.drawStr(118, 47, "V");
  u8g.drawStr(98, 55, "F(HZ)");

  // Tijdbasis en frequentie per Key-niveau
  switch (Key) {
    case 1: u8g.drawStr(98, 14, "0.02"); u8g.setPrintPos(98, 62); u8g.print(Freq * 50); break;
    case 2: u8g.drawStr(98, 14, "0.05"); u8g.setPrintPos(98, 62); u8g.print(Freq * 20); break;
    case 3: u8g.drawStr(98, 14, " 0.1"); u8g.setPrintPos(98, 62); u8g.print(Freq * 10); break;
    case 4: u8g.drawStr(98, 14, " 0.2"); u8g.setPrintPos(98, 62); u8g.print(Freq * 5); break;
    case 5: u8g.drawStr(98, 14, " 0.5"); u8g.setPrintPos(98, 62); u8g.print(Freq * 2); break;
    case 6: u8g.drawStr(98, 14, " 1");   u8g.setPrintPos(98, 62); u8g.print(Freq); break;
    case 7: u8g.drawStr(98, 14, " 2");   u8g.setPrintPos(98, 62); u8g.print(Freq / 2); break;
    case 8: u8g.drawStr(98, 14, " 5");   u8g.setPrintPos(98, 62); u8g.print(Freq / 5); break;
    case 9: u8g.drawStr(98, 14, " 10");  u8g.setPrintPos(98, 62); u8g.print(Freq / 10); break;
    default: break;
  }
}

void Key_scan() {
  if (digitalRead(Key_add) == LOW) {
    while (digitalRead(Key_add) == LOW);
    Key++; if (Key == 10) Key = 9; delay(10);
  }
  if (digitalRead(Key_sub) == LOW) {
    while (digitalRead(Key_sub) == LOW);
    Key--; if (Key == 0) Key = 1; delay(10);
  }
  if (digitalRead(Key_hold) == LOW) {
    while (digitalRead(Key_hold) == LOW);
    hold = ~hold; delay(10);
  }
}

Schema