便攜式數(shù)字示波器設(shè)計(jì)

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便攜式數(shù)字示波器設(shè)計(jì)

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(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，必然會(huì)使得自動(dòng)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(shí)，數(shù)字示波器被廣泛應(yīng)用于各個(gè)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(guò)大，不適合在戶外進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)操作，己經(jīng)越來(lái)越不能滿足市場(chǎng)的需求。因此，基于使用者的需要，亟需開(kāi)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(jì)有了新的發(fā)展方向。本文設(shè)計(jì)了一種以微處理器為控制核心的新型實(shí)用的掌上型示波器，設(shè)計(jì)過(guò)程中軟硬件協(xié)同工作，較好的實(shí)現(xiàn)了波形的顯示及數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)對(duì)示波器各個(gè)模塊的優(yōu)化和調(diào)試，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)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(jì)劃項(xiàng)目結(jié)題項(xiàng)目項(xiàng)目編號(hào): 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(hào)從探頭輸入，進(jìn)入程控放大（衰減），再對(duì)被放大（衰減）的信號(hào)送入 A/D 轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),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(shí)際研制需要和性能指標(biāo)要求，確定了本文設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了同步觸發(fā), 僅上升沿時(shí)，才可觸發(fā),觸發(fā)沿和觸發(fā)電壓可變。

（6）被測(cè)信號(hào)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(hào)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(chǔ)器、時(shí)鐘控制電路、控制顯示電路、測(cè)頻與控制電路等六部分組成。信號(hào)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(hào)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(chǔ)，當(dāng)FIFO存滿后通知MCU2，MCU2將信號(hào)從FIFO讀取出來(lái)之后顯示在LCD顯示屏上。由程控放大電路調(diào)整后的信號(hào)另一路進(jìn)入整形電路后成為待測(cè)信號(hào)被送入MCU1中，進(jìn)行頻率測(cè)量。程控放大器的放大或者衰減倍數(shù)和時(shí)鐘電路的輸出頻率都由MCUI控制。MCU1和MCU2之間通過(guò)SPI連接。

此外，我們采用電源切換與充電管理模塊，通過(guò) USB充好電后，即可長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行戶外測(cè)試。

3　便攜式示波器主要硬件設(shè)計(jì)

3.1高速A/D轉(zhuǎn)換與FIFO存儲(chǔ)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(cè)信號(hào)采樣并存入存儲(chǔ)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(chǔ)器是一種沒(méi)有地址線的雙口靜態(tài)存儲(chǔ)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(duì)采樣所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存緩沖后送入FIFO存儲(chǔ)器。其原理圖如圖2所示：

3.2時(shí)鐘產(chǎn)生電路

時(shí)鐘產(chǎn)生電路產(chǎn)生了8種不同頻率的采樣時(shí)鐘信號(hào)，并提供給A/D轉(zhuǎn)換器，其中每一種頻率都有與其相對(duì)應(yīng)的水平掃速。時(shí)鐘產(chǎn)生電路由多種不同型號(hào)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(shí)鐘信號(hào)，其頻率大小為60MHZ,輸出的信號(hào)再由分頻器分頻，會(huì)得到8種不同大小的頻率，然后輸入到型號(hào)為74F151的多路選擇器當(dāng)中。最后，由MCU1對(duì)其三根選通信號(hào)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(yǔ)

本文所論述的數(shù)字存儲(chǔ)示波器，其控制核心是常見(jiàn)的單片機(jī)和可編輯邏輯器件，具有信號(hào)采集、參數(shù)處理、存儲(chǔ)和計(jì)算等功能，其小巧輕便，操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用且性價(jià)比極高。該示波器完全符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和科學(xué)研究的需要。在未來(lái)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和市場(chǎng)價(jià)格的持續(xù)下滑的趨勢(shì)下，其發(fā)展前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)

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圖2　高速AD轉(zhuǎn)換與FIFO存儲(chǔ)電路

圖3　時(shí)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