?

便攜式數(shù)字示波器設(shè)計

胡興梅,鄒奇朋,楊文任,李子樺,馬翠蓮

（天津科技大學(xué)，300457）

摘要：電子測量技術(shù)的不斷發(fā)展，必然會使得自動化、智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化成為發(fā)展的新方向。同時，數(shù)字示波器被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)和領(lǐng)域，并逐漸傾向于取代模擬示波器。但由于傳統(tǒng)數(shù)字示波器體積過大，不適合在戶外進(jìn)行現(xiàn)場測試和現(xiàn)場操作，己經(jīng)越來越不能滿足市場的需求。因此，基于使用者的需要，亟需開發(fā)一款便攜式數(shù)字示波器。ARM 處理器及嵌入式操作系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，使示波器的設(shè)計有了新的發(fā)展方向。本文設(shè)計了一種以微處理器為控制核心的新型實用的掌上型示波器，設(shè)計過程中軟硬件協(xié)同工作，較好的實現(xiàn)了波形的顯示及數(shù)據(jù)的采集，通過對示波器各個模塊的優(yōu)化和調(diào)試，基本達(dá)到了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：便攜；示波器；波形

注: 2014年天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目結(jié)題項目項目編號: 201410057114

1　數(shù)字示波器的性能參數(shù)

該示波器主要以單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器和程控衰減放大器為核心， 信號從探頭輸入，進(jìn)入程控放大（衰減），再對被放大（衰減）的信號送入 A/D 轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,比傳統(tǒng)數(shù)字示波器更加精確。 其主要性能指標(biāo)包括采樣速率、分辨率、帶寬、垂直電壓靈敏度、水平水平掃速等。為了達(dá)到現(xiàn)代數(shù)字示波器的實際研制需要和性能指標(biāo)要求，確定了本文設(shè)計的示波器的重要性能指標(biāo)和基本功能。

（1） 采樣速率：600Sa/s，6kSa/s，60kSa/s，600kSa/s，3MSa/s，，6MSa/s，30MSa/s，60MSa/s

（2）水平水平掃速：250 ns、500ns、1μs、5μs、10μs、50μs、500μs、5ms、50ms

（3） 垂直電壓靈敏度：10mV/div, 20mV/div, 50mV/div, 0.1V/div, 0,2V/div, 0.5V/div, 1V/div, 2V/div, 5V/div

（4）顯示器的分辨率：320*240，示波器帶寬：5MHZ

（5）利用軟件實現(xiàn)了同步觸發(fā), 僅上升沿時，才可觸發(fā),觸發(fā)沿和觸發(fā)電壓可變。

（6）被測信號的各種參數(shù)屏幕顯示，包括頻率、電壓峰峰值等。

（7）采用高性能A/D解決方案，提高信號輸出的精確性；功耗低，低噪聲，且有很強(qiáng)的抗干擾能力。

2　數(shù)字示波器的工作原理和總體框架

系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示,主要由程控衰減放大電路、高速A/D轉(zhuǎn)換器、FIFO存儲器、時鐘控制電路、控制顯示電路、測頻與控制電路等六部分組成。信號從探頭輸入以后進(jìn)入程控電路進(jìn)行衰減或者放大，將被采集的信號電壓調(diào)整到A/D轉(zhuǎn)換器要求的范圍內(nèi)，采集好的數(shù)據(jù)進(jìn)入FIFO電路中進(jìn)行緩沖并存儲，當(dāng)FIFO存滿后通知MCU2，MCU2將信號從FIFO讀取出來之后顯示在LCD顯示屏上。由程控放大電路調(diào)整后的信號另一路進(jìn)入整形電路后成為待測信號被送入MCU1中，進(jìn)行頻率測量。程控放大器的放大或者衰減倍數(shù)和時鐘電路的輸出頻率都由MCUI控制。MCU1和MCU2之間通過SPI連接。

此外，我們采用電源切換與充電管理模塊，通過 USB充好電后，即可長時間進(jìn)行戶外測試。

3　便攜式示波器主要硬件設(shè)計

3.1高速A/D轉(zhuǎn)換與FIFO存儲電路

數(shù)字示波器中最重要的部分就是A/D轉(zhuǎn)換電路，它的作用是將被測信號采樣并存入存儲器中。我們選用的是8位高速A/D轉(zhuǎn)換器，它決定了示波器的水平分辨率。FIFO存儲器是一種沒有地址線的雙口靜態(tài)存儲器。在A/D轉(zhuǎn)換器和MCU2中FIFO，起到高速數(shù)據(jù)緩沖的作用。其中，74LVC574的作用是對采樣所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存緩沖后送入FIFO存儲器。其原理圖如圖2所示：

3.2時鐘產(chǎn)生電路

時鐘產(chǎn)生電路產(chǎn)生了8種不同頻率的采樣時鐘信號，并提供給A/D轉(zhuǎn)換器，其中每一種頻率都有與其相對應(yīng)的水平掃速。時鐘產(chǎn)生電路由多種不同型號的分頻器和高穩(wěn)定度的溫補(bǔ)晶振。溫度補(bǔ)償有源晶體模塊提供了基準(zhǔn)時鐘信號，其頻率大小為60MHZ,輸出的信號再由分頻器分頻，會得到8種不同大小的頻率，然后輸入到型號為74F151的多路選擇器當(dāng)中。最后，由MCU1對其三根選通信號線進(jìn)行控制進(jìn)而可以選擇所需的采樣頻率。其原理圖如圖3所示：

圖1　系統(tǒng)原理圖

4　結(jié)束語

本文所論述的數(shù)字存儲示波器，其控制核心是常見的單片機(jī)和可編輯邏輯器件，具有信號采集、參數(shù)處理、存儲和計算等功能，其小巧輕便，操作簡單，經(jīng)濟(jì)實用且性價比極高。該示波器完全符合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用和科學(xué)研究的需要。在未來科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和市場價格的持續(xù)下滑的趨勢下，其發(fā)展前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]胡金發(fā).示波器在信號測量中的應(yīng)用[J].科技資訊,2011,(25):24.

[2]陳曉華.示波器探頭的使用及測量結(jié)果的誤差分析[J].半導(dǎo)體技術(shù),2010,35(7):634-636.

[3]劉永娜.示波器測量技術(shù)探討[J].科技致富向?qū)?2011,(22):34.

圖2　高速AD轉(zhuǎn)換與FIFO存儲電路

圖3　時鐘產(chǎn)生電路

Design of portable digital oscilloscope

Hu Xingmei，Zou Qipeng，Yang Wenren，Li Zihua，Ma Cuilian

（Tianjin University of Science & Technology，300457）

Abstract：The development of the electronic measuring technology,make automation,intelligent,digital and network become the new direction of development.At the same time,the digital oscilloscope is widely used in various industries and fields, and gradually tend to replace analog oscilloscope.But because of the traditional digital oscilloscope, the volume is too large, not suitable for on-site testing and onsite operation outdoors,has been increasingly unable to meet the needs of the market.Therefore,based on the needs of the users,it is necessary to develop a portable digital oscilloscope.Application of ARM processor and embedded operating system,the oscilloscope design is a new development direction.This paper describes the design of a microprocessor as the core of the utility model control on the oscilloscope,the software and hardware design process of collaborative work,better realization of the waveform display and data collection,through the optimization and debugging of each module of the oscilloscope,meet the design requirements.

Keywords：Portable oscilloscope;waveform