徐巧玉，李 鵬，王軍委，趙傳鋒

（河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，洛陽(yáng) 471003）

示波器是電子測(cè)量中一種最常用的儀器之一[1]，主要用來(lái)測(cè)量、記錄各種瞬時(shí)或連續(xù)的信號(hào)，并以直觀的方式顯示出來(lái)。模擬示波器常用于觀測(cè)周期性信號(hào)，很難觀測(cè)到非周期性的單次脈沖信號(hào)。而數(shù)字存儲(chǔ)示波器能夠長(zhǎng)期存儲(chǔ)波形信號(hào)，便于觀測(cè)單次過(guò)程和緩變信號(hào)。

傳統(tǒng)的數(shù)字示波器具有體積大、笨重、成本高等缺點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和戶外檢測(cè)極其不便。便攜式數(shù)字存儲(chǔ)示波器具有體積小、使用靈活、便攜等優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)示波器在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和戶外檢測(cè)的不便。目前，國(guó)外便攜式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要生產(chǎn)商有Fluke、Metix、Svmmit等，國(guó)內(nèi)有廈門利利普科技有限公司、漳州東方電子有限公司等，但由于價(jià)格貴，不利于推廣，因此為了適應(yīng)市場(chǎng)亟需開(kāi)發(fā)研究一款既便宜又小巧實(shí)用的示波器。

文中設(shè)計(jì)了一種基于STM32和FPGA的便攜式數(shù)字儲(chǔ)存示波器，該系統(tǒng)具有250 MSPS實(shí)時(shí)采樣率、100MHz模擬帶寬、9 KB的存儲(chǔ)深度、垂直分辨率為 8 bit、2mV～5 V 的垂直靈敏度、1 ns～1 s的時(shí)基范圍以及邊沿觸發(fā)的雙通道數(shù)據(jù)采集功能。目前已投入生產(chǎn)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

便攜式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由電源模塊、預(yù)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、觸發(fā)電路、觸摸電路、LCD顯示、SSD1963芯片、FPGA（EP4CE6E144） 芯片、STM32F407T6V6 等組成。STM32作為整體系統(tǒng)的控制核心，F(xiàn)PGA作為數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍輸入模擬信號(hào)的采樣，對(duì)采樣的信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)波形參數(shù)的計(jì)算等[2]。通道1與通道2功能完全相同，被測(cè)信號(hào)首先經(jīng)過(guò)通道1或通道2進(jìn)入示波器的預(yù)處理電路，觸發(fā)電路觸發(fā)后由AD9481芯片對(duì)外圍輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，F(xiàn)PGA內(nèi)部的FIFO負(fù)責(zé)數(shù)字信號(hào)的傳輸，其具有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和緩存的作用，STM32微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并控制SSD1963芯片驅(qū)動(dòng)4.3寸液晶屏顯示被測(cè)信號(hào)。STM32外接FLASH實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)程序代碼、字庫(kù)和需要保存的波形數(shù)據(jù)等。STM32外接ADS7843使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)觸摸功能。

圖1 便攜式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Over structure of the portable digital storage oscilloscope

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 電源模塊

該示波器采用內(nèi)部電池和外部USB接口兩種供電方式工作。內(nèi)部電池采用鋰電池，具有能量密度高、體積小、容量大和無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。充電管理模塊[3]采用LTC4054ES充電芯片，該芯片是可編程的獨(dú)立的線性鋰電池充電器，鋰電池可通過(guò)USB接口直接進(jìn)行充電。內(nèi)部電池供電和外部USB供電這兩種供電方式可通過(guò)STM32控制電子繼電器SW進(jìn)行自由切換。電源選擇接口電路如圖2所示，當(dāng)SW斷開(kāi)時(shí)，可通過(guò)外部USB接口為本系統(tǒng)供電，同時(shí)可對(duì)內(nèi)部電池進(jìn)行充電，當(dāng)SW閉合且Q1導(dǎo)通時(shí)，可由內(nèi)部鋰電池為系統(tǒng)供電。

圖2 電源選擇接口電路Fig.2 Power selection interface circuit

2.2 預(yù)處理電路

預(yù)處理電路的結(jié)構(gòu)主要由AC/DC耦合切換、衰減電路ATT、程控增益放大VGA及偏置調(diào)節(jié)等組成。被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)通道1或通道2進(jìn)入示波器的預(yù)處理電路即模擬通道，首先通過(guò)繼電器的開(kāi)關(guān)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行選擇，選擇直流信號(hào)或交流信號(hào)；然后再由衰減電路ATT（由繼電器控制完成10倍或100倍衰減）和程控增益放大VGA對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減或放大等處理（信號(hào)過(guò)小則放大，反之則衰減），使輸入信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入范圍內(nèi)，模擬信號(hào)不能過(guò)大也不能過(guò)小，模擬信號(hào)過(guò)大可能會(huì)損壞ADC，過(guò)小則不能充分利用ADC的分辨率[4]。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換器是波形采集的關(guān)鍵部件，它決定了示波器的存儲(chǔ)帶寬、垂直分辨率、最大取樣速率等多項(xiàng)指標(biāo)[5]。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換由A/D轉(zhuǎn)換器完成，為了實(shí)現(xiàn)示波器具有250MSPS的采樣率及100 M模擬帶寬的標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)采用AD9481轉(zhuǎn)換芯片。

AD9481是ADI公司推出的雙8位單片模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由一個(gè)跟蹤/保持放大器、一個(gè)A/D變換器、一個(gè)邏輯控制器、一個(gè)時(shí)鐘模塊、一個(gè)內(nèi)部參考電壓模塊和兩個(gè)數(shù)據(jù)輸出模塊組成。AD9481的最高轉(zhuǎn)換速率為250MSPS，其具有轉(zhuǎn)換速率高、功耗低、小尺寸等優(yōu)點(diǎn)，它有內(nèi)部基準(zhǔn)和跟蹤/保持電路，用戶只需提供3.3 V電源盒差分時(shí)鐘，無(wú)需外基準(zhǔn)或驅(qū)動(dòng)元件。AD9481的數(shù)字輸出與TTL/MOS兼容，并可選用偏移二進(jìn)制碼或二進(jìn)制補(bǔ)碼，具有良好的線性和動(dòng)態(tài)性能，方便與FPGA芯片連接[6]。

AD9481操作時(shí)序圖中[7]，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在數(shù)據(jù)同步（DS）建立以后開(kāi)始，在時(shí)鐘脈沖信號(hào)的控制下完成。當(dāng)信號(hào)輸入后，信號(hào)會(huì)經(jīng)跟蹤/保持電路送往A/D變換器，此時(shí)，若DS+為高電平（DS-為低電平），則A/D變換器不會(huì)進(jìn)行采樣量化編碼，數(shù)據(jù)和時(shí)鐘輸出無(wú)效；若DS+信號(hào)位于要求的同步建立時(shí)間內(nèi)，且在時(shí)鐘脈沖上升沿之前由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，則數(shù)據(jù)同步建立，A/D轉(zhuǎn)換器開(kāi)始工作。當(dāng)時(shí)鐘脈沖上升沿到來(lái)后，A/D變換器將對(duì)該時(shí)刻的信號(hào)值（記為第N點(diǎn)）進(jìn)行采樣量化編碼，并于8個(gè)脈沖之后從AD9481的A通道輸出；當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿到來(lái)后，再對(duì)下一個(gè)時(shí)刻信號(hào)（記為第N+1點(diǎn)）值采樣量化編碼，同樣于8個(gè)脈沖之后從通道B輸出。這樣AD9481就實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)字化。

2.4 觸發(fā)電路

觸發(fā)電路是DSO和其它信號(hào)采集系統(tǒng)的重要功能電路。觸發(fā)電路的接口電路如圖3所示，比較器是示波器的一個(gè)重點(diǎn)電路，系統(tǒng)何時(shí)開(kāi)始采樣大部分都取決于這個(gè)比較器。比較器選用LMV7235M5，比較器的兩個(gè)輸入分別加載示波器波形和直流電平TRIG_DC。示波器波形先經(jīng)過(guò)LMH6643MA再加載到比較器上，LMH6643MA起隔離和增加驅(qū)動(dòng)能力的作用，直流電平TRIG_DC是由STM32經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到的一個(gè)直流模擬信號(hào)，它可以正負(fù)調(diào)節(jié)，該示波器的觸發(fā)電平的調(diào)節(jié)就是通過(guò)調(diào)節(jié)這個(gè)直流電平實(shí)現(xiàn)的。在運(yùn)算放大器中，正反饋是不穩(wěn)定的，但是文中通過(guò)電阻R2實(shí)現(xiàn)了一個(gè)正反饋，來(lái)達(dá)到一個(gè)遲滯的效果，在比較電平中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)遲滯電壓。如果沒(méi)有正反饋電路，當(dāng)示波器測(cè)量低頻吸納后（如10 Hz）的正弦波時(shí)，會(huì)發(fā)生抖動(dòng)的現(xiàn)象，而且速度越快的比較器，抖動(dòng)的越厲害。示波器波形與直流電平相比較，輸出一個(gè)數(shù)字信號(hào)（高電平或低電平）進(jìn)入FPGA，實(shí)現(xiàn)上升沿或下降沿的觸發(fā)，完成采樣控制，同時(shí)利用比較器的滯回特性消除抖動(dòng)的影響。

圖3 觸發(fā)電路的接口電路Fig.3 Interface circuit of the trigger circuit

2.5 觸摸電路及LCD顯示

該示波器的所有功能都基于觸摸屏完成，觸摸電路在該系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。系統(tǒng)采用4.3寸電阻式觸摸屏作為示波器顯示界面的硬件平臺(tái)，電阻屏靈敏，輕輕觸摸即可觸發(fā)對(duì)應(yīng)的功能。采用ADS7843觸摸芯片作為觸摸屏的驅(qū)動(dòng)芯片，ADS7843是一個(gè)內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換、低導(dǎo)通電阻模擬開(kāi)關(guān)的串行接口芯片，并通過(guò)SPI總線方式與STM32連接。

采用SSD1963芯片驅(qū)動(dòng)LCD顯示，SSD1963是一塊內(nèi)置1215 KB顯存，最大支持864*480*24位的LCD驅(qū)動(dòng)芯片，它支持多種MCU接口。MCU接口可以是8位、16位、8080總線或6800總線模式。STM32提供FSMC總線接口與SSD1963搭配，驅(qū)動(dòng)大屏幕速度要比模擬總線要快[8]。

LCD主要顯示CH1通道或CH2通道的波形、頻率、峰峰值、平均值、伏擊（每格電壓值）、時(shí)基（每格時(shí)間）和數(shù)字存儲(chǔ)示波器的標(biāo)題等。該數(shù)字存儲(chǔ)示波器中有波形上下移動(dòng)、伏擊修改、時(shí)基修改等功能，這些功能分別對(duì)應(yīng)不同的觸摸按鍵。如果觸摸CH1通道顯示波形上移按鍵，CH1通道顯示的波形將上移，如果超過(guò)波形顯示區(qū)域，則超出部分將不顯示。波形下移時(shí)能夠達(dá)到同樣的效果。伏擊有2mV、5mV、10mV、20mV、50mV、100mV、200mV、500mV、1 V、2 V、5 V等11個(gè)檔位，觸摸伏擊的增加或減少按鍵在各個(gè)伏擊之間進(jìn)行切換。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 波形測(cè)試

對(duì)研制的樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，圖4和圖5是樣機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)示波器分別測(cè)量峰峰值和頻率為5 V、10 kHz的交流正弦波信號(hào)。

圖4 測(cè)量對(duì)比圖Fig.4 Measuring contrast figure

圖5 示波器界面圖Fig.5 Oscilloscope interface figure

3.2 垂直靈敏度測(cè)試

選擇正弦波信號(hào)，頻率為10 kHz，垂直靈敏度為0.1 v/div和1 v/div的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 垂直靈敏度測(cè)試誤差表Tab.1 Vertical sensitivity test table error

通過(guò)垂直靈敏度測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的垂直靈敏度在0.1 v/div～1 v/div可準(zhǔn)確測(cè)量0 V～8 V的模擬信號(hào)，且誤差控制在0.05%～2.00%之間，在允許范圍之內(nèi)。

3.3 掃描速度測(cè)試

選擇正弦波信號(hào)，幅度為1 V，掃描速度為0.2 μs/div、0.2ms/div和0.2 s/div的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示（0.2 s/div時(shí)時(shí)基過(guò)大，觸發(fā)采樣失敗，利用掃描采樣，依然能測(cè)量到波形的數(shù)據(jù)）。

表2 掃描速度測(cè)試誤差表Tab.2 Scanning speed test table error

通過(guò)掃描速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的掃描速度在 0.2μs/div～0.2 s/div可準(zhǔn)確測(cè)量 3000 Hz～5000 Hz的模擬信號(hào)，且誤差控制在0.00%～4.50%之間，在允許范圍之內(nèi)。

3.4 波形數(shù)據(jù)儲(chǔ)存測(cè)試

經(jīng)測(cè)試，當(dāng)需要儲(chǔ)存波形數(shù)據(jù)時(shí)可點(diǎn)擊觸摸屏上的“波形存儲(chǔ)”按鍵，波形數(shù)據(jù)就被儲(chǔ)存在Flash中，當(dāng)需要回放儲(chǔ)存的波形時(shí)可通過(guò)點(diǎn)擊“波形回放”按鍵，調(diào)出相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)，在顯示屏上顯示，輸出波形穩(wěn)定，沒(méi)有明顯失真，完成了波形數(shù)據(jù)到Flash儲(chǔ)存及波形數(shù)據(jù)的回放。

4 結(jié)語(yǔ)

文中基于STM32和FPGA進(jìn)行便攜式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)示波器在各種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中的不便等問(wèn)題。此系統(tǒng)完成后，測(cè)試表明該示波器能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)示波器的基本功能，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 張晨風(fēng).基于ARM平臺(tái)的數(shù)字示波器系統(tǒng)監(jiān)控軟件研究[D].電子科技大學(xué)，2006.

[2] 任慶.電子測(cè)量原理[M].四川：電子科技大學(xué)出版社，2006.

[3] 武莉，李濟(jì)順，張洛平.基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（2）：21-24.

[4] 馮國(guó)楠，張鵬云.基于FPGA的數(shù)字存儲(chǔ)示波表[J].河北工業(yè)科技，2010，27（6）：490-491.

[5] 溫鈞明，張鵬云，和志強(qiáng).基于DSP的數(shù)字存儲(chǔ)示波器設(shè)計(jì)[J].河北工業(yè)科技，2012，29（6）：474-475.

[6] AD9481 datasheet.8-Bit，250MSPS 3.3V A/D Converter[Z]，2009.

[7] 8b，250MSPS，3.3V，A/D，Converter AD9481[Z].Analog Devices，Inc，2004.

[8] SSD1963中文資料[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/d0dc12 ccaa00b52acfc7ca1a.htm l. ■