DIY手持多用示波表，系統(tǒng)解決方案，軟硬件實(shí)現(xiàn)

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

示波器自1933年誕生至今已經(jīng)有70多年的歷史。它是電子電路設(shè)計(jì)人員用來(lái)觀察波形的主要工具，它可以讓設(shè)計(jì)人員直觀的看到所要觀測(cè)到的波形。因此，示波器在信號(hào)觀測(cè)領(lǐng)域一直都扮演著非常重要的角色。傳統(tǒng)的模擬示波器信號(hào)帶寬頻率受到陰極射線管的限制而不可能太高，難以測(cè)量慢速信號(hào)或單次瞬變信號(hào)，預(yù)觸發(fā)功能難以實(shí)現(xiàn)和不便對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理分析等等，因而在許多應(yīng)用領(lǐng)域中存在著局限性。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，單次信號(hào)的捕捉，測(cè)量和研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注和重視，在信息領(lǐng)域、高速計(jì)算機(jī)、高速數(shù)據(jù)通信和高速數(shù)字集成電路及其系統(tǒng)內(nèi)，面臨著硬件、軟件、以及由軟硬件共同作用而產(chǎn)生的偶發(fā)性故障，迫切需要更高速的示波器才能得心應(yīng)手的解決這些難題。隨著數(shù)字集成電路和高性能微處理器技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)出現(xiàn)了。數(shù)字存儲(chǔ)示波器整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)全部由微處理器在相應(yīng)的軟件支持下自動(dòng)進(jìn)行，包括自動(dòng)設(shè)置、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)校正、波形存儲(chǔ)、計(jì)算機(jī)I/O和打印輸出等一系列優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字存儲(chǔ)示波器的出現(xiàn)開創(chuàng)了示波器的新紀(jì)元，它為示波器的智能化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)它還標(biāo)志著示波器的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。

與此同時(shí)，波形發(fā)生器也是電子工程人員不可或缺的一種工具，常被稱作信號(hào)發(fā)生器，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H工作中作為信號(hào)源為電路提供所需的激勵(lì)信號(hào)，因而是一種必不可少的工具。現(xiàn)代新型信號(hào)發(fā)生器的研制都采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)進(jìn)行，這種技術(shù)是第三代頻率合成技術(shù)的標(biāo)志，主要特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)參與頻率合成，既可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者二者結(jié)合。

本設(shè)計(jì)研制的多用手持示波表基于美國(guó)賽普拉斯公司生產(chǎn)的混合信號(hào)可編程芯片PSoC平臺(tái)。該芯片內(nèi)不僅集成了51微控制器，還集成了各種數(shù)字模塊和模擬模塊，各個(gè)模塊可以通過系統(tǒng)內(nèi)部總線相互通信，所以只用一顆芯片和少許的外圍電路就能夠完成整個(gè)系統(tǒng)的研制。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

現(xiàn)在市面上的大多數(shù)示波器都是臺(tái)式的，體形過于龐大和笨重，難以攜帶，對(duì)于狹小的場(chǎng)合應(yīng)用很不方便，在高空作業(yè)和其他特殊場(chǎng)合的應(yīng)用受到很大的限制，加上價(jià)格昂貴，動(dòng)輒幾千上萬(wàn)甚至數(shù)萬(wàn)元的價(jià)格不是每個(gè)人都能接受的，另外市面上手持示波表較少，并且功能單一，價(jià)格高昂，大部分采樣率等較低，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大。

本項(xiàng)目就是基于這種背景下開展的，采用美國(guó)賽普拉斯公司生產(chǎn)的混合信號(hào)可編程芯片PSoC平臺(tái)來(lái)進(jìn)行開發(fā)，可以有效的減少外圍電路，使得示波器可以輕巧玲瓏，另外增加了低頻率的信號(hào)發(fā)生器功能，使得該示波器不僅具有示波器功能，還集成了信號(hào)發(fā)生器的功能。

二、需求分析

2.1 功能要求

(1) 設(shè)計(jì)一個(gè)可以準(zhǔn)確顯示波形并且能夠觀察波形參數(shù)的示波器，采集電壓范圍為-20V——20V，分辨率為100mV，可以準(zhǔn)確分析信號(hào)的頻率，電壓，功率等參數(shù)。

(3)使用PSOC的DAC模塊、PGA模塊和LPF2模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)正弦，三角波，方波輸出。

(4)帶有鋰電池充放電管理，便攜的，手持的多功能示波表。

2.2 性能要求

(1)用外置A/D(實(shí)時(shí)采樣率最高為60Mbps)完成對(duì)信號(hào)的采集，爭(zhēng)取能夠達(dá)到模擬帶寬10M以上，實(shí)時(shí)采樣率達(dá)到40M以上，實(shí)現(xiàn)儀器內(nèi)觸發(fā)方式，要求上升沿觸發(fā)，觸發(fā)電平可調(diào),并且垂直靈敏度能達(dá)到1V， 100mV兩檔，掃描速度含20ms/div、2μs/div、100ns/div三檔，波形周期測(cè)量誤差≤5%，且被測(cè)信號(hào)的顯示波形應(yīng)無(wú)明顯失真，帶有FFT，余輝顯示等功能。

(2)水平時(shí)基可以達(dá)到以下范圍：2S,1S,500Ms,200Ms，100Ms，50Ms，20Ms，10Ms，5Ms，2Ms，1Ms，500uS，200uS，100uS，50uS，20uS，10uS，5uS，2uS，1uS，500nS，水平位置可調(diào)并有指示，存儲(chǔ)深度達(dá)到5K。

(3)該信號(hào)發(fā)生器能夠產(chǎn)生波形頻率范圍為0.1Hz~100kHz，頻率分辨率為0.1%，輸出的電壓幅度為0V~5V的波形。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理(除圖片外需有文字介紹)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

下面就各個(gè)模塊電路做以簡(jiǎn)單介紹

1.程控放大電路和電源電路：

將程控放大電路與電源電路放在一塊講，是因?yàn)樗麄冇兄芮械穆?lián)系。

程控放大器的作用是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減或放大調(diào)整，使輸出信號(hào)電壓在AD轉(zhuǎn)換器輸入電壓要求范圍內(nèi)，達(dá)到最好的測(cè)量與觀察效果，所以程控放大器電路在規(guī)定帶寬內(nèi)的增益一定要平坦，故對(duì)運(yùn)算放大器的要求比較高，在本電路中我選用的是NSC公司生產(chǎn)的高速運(yùn)算放大器LM6172雙運(yùn)放，帶寬為100MHz，轉(zhuǎn)換速率3000v/μs,每通道消耗電流2.3mA，輸出電流可達(dá)50mA，完全滿足本電路的要求，選擇該芯片的另一個(gè)原因是價(jià)格，郵購(gòu)價(jià)格為8元一片，相比ADI,MAX等公司幾十元一片的高速運(yùn)放芯片來(lái)說(shuō)算是很廉價(jià)了，電源采用正負(fù)雙電源供電，由于整個(gè)電路總的電源輸入為單8v，所以專門用一片dc/dc電路MC34063為其構(gòu)成了負(fù)壓轉(zhuǎn)換器再經(jīng)穩(wěn)壓得到-5v電壓，+5v通過對(duì)輸入電壓穩(wěn)壓得到。

2. 高速AD轉(zhuǎn)換與FIFO存儲(chǔ)電路

數(shù)字示波器中最重要的電路是AD轉(zhuǎn)換電路，它的作用是將被測(cè)信號(hào)采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)存入存儲(chǔ)器，說(shuō)它是數(shù)字示波器的咽喉一點(diǎn)也不為過，因?yàn)樗苯記Q定著數(shù)字示波器所能測(cè)量的最高頻率，根據(jù)乃奎斯特定理，采樣頻率至少是被測(cè)信號(hào)最高頻率的2倍才能復(fù)現(xiàn)出被測(cè)信號(hào)。而在數(shù)字示波器中采樣頻率至少應(yīng)該是被測(cè)信號(hào)頻率的5~8倍才行，否則根本觀察不到信號(hào)的波形。在本電路中我選用的AD轉(zhuǎn)換芯片為BB公司的8位高速AD轉(zhuǎn)換器ADS830E,官方資料給出的采樣頻率為10kSa/s~60MSa/s, 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換速率在1K以下工作也很正常，所以本示波器的最低采樣頻率為600Sa/s，要說(shuō)明的一點(diǎn)是高速AD轉(zhuǎn)換器一般都有高低端轉(zhuǎn)換速率的限制，比如TLC5540，8位AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率為5MSa/s~40MSa/s，我試過當(dāng)轉(zhuǎn)換頻率降到2M以下時(shí)就不能正常工作，所以選擇AD轉(zhuǎn)換芯片時(shí)不僅要注意最高轉(zhuǎn)換速率還要關(guān)注最低轉(zhuǎn)換速率，否則可能導(dǎo)致電路無(wú)法正常工作。有朋友也許會(huì)問8位轉(zhuǎn)換精度會(huì)不會(huì)有點(diǎn)太低?其實(shí)8位轉(zhuǎn)換器對(duì)于示波器來(lái)說(shuō)是夠用的，就拿這個(gè)電路來(lái)說(shuō)，我選用的LCD顯示模塊的分辨率為320*240，垂直分辨率為240格，而8為轉(zhuǎn)換精度的分辨率為256格，比顯示器的分辨率還高，所以絕對(duì)夠用。還有就是價(jià)格及電路的設(shè)計(jì)，在最高采樣率相同的情況下10位AD轉(zhuǎn)換芯片的價(jià)格是8位AD轉(zhuǎn)換芯片的幾倍，而且位數(shù)的增加也使電路的復(fù)雜程度大大增加，將直接影響處理速度，導(dǎo)致屏幕刷新過慢，反而影響性能。所以本著夠用的原則本示波器選用60M的8位AD轉(zhuǎn)換芯片ADS830E。

3. 時(shí)鐘產(chǎn)生電路

時(shí)鐘產(chǎn)生電路為AD轉(zhuǎn)換器提供一系列的采樣時(shí)鐘信號(hào)，分別為600Hz、6kHz、60kHz、600kHz、3MHz、6MHz、30MHz和60MHz，共8種，分別對(duì)應(yīng)著不同的水平水平掃速。

4.信號(hào)發(fā)生原理DDS介紹

DDS是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術(shù)。一個(gè)直接數(shù)字頻率合成器由相位累加器、加法器、波形存儲(chǔ)ROM、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器(LPF)構(gòu)成。

DDS的原理框圖如圖1所示。其中K為頻率控制字，P為相位控制字，W為波形控制字，fc為參考時(shí)鐘頻率，N為相位累加器的字長(zhǎng)，D為ROM數(shù)據(jù)位及D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)。相位累加器在時(shí)鐘fc的控制下以步長(zhǎng)K作累加，輸出的N位二進(jìn)制碼與相位控制字P、波形控制字W相加后作為波形ROM的地址，對(duì)波形ROM進(jìn)行尋址，波形ROM輸出D位幅度碼S(n)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變成階梯波形S(t)，再經(jīng)LPF平滑后就可以得到合成的信號(hào)波形。合成的信號(hào)波形的形狀取決于波形ROM中存放的幅度碼，因此用DDS可以產(chǎn)生任意波形。DDS系統(tǒng)中除了D/A轉(zhuǎn)換和低通濾波電路外都是數(shù)字電路，以往的設(shè)計(jì)都基于純數(shù)字芯片設(shè)計(jì)，很難實(shí)現(xiàn)單芯片的解決方案，而PSoC的出現(xiàn)剛好滿足了這種單芯片、全集成的要求。

3.2 系統(tǒng)軟件流程

程序運(yùn)行流程圖

3.3 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

制作一個(gè)實(shí)時(shí)采樣率可以達(dá)到40M以上，模擬帶寬可以達(dá)到10M以上，帶有一定存儲(chǔ)深度，顯示波形不失真，能夠顯示任意波形和產(chǎn)生頻率范圍為0.1Hz~100kHz，頻率分辨率為0.1%，輸出的電壓幅度為0V~5V的三角波，正弦波，方波信號(hào)的手持的，便攜的示波表。