用單片機PIC18F2550設計示波器

一、性能指標
(1)采降速率：334kHz，100kHz，50kHz，20kHz，10kHz．5kHz，2kHz，1kHz，500Hz等9檔可調。
(2)工作電壓：3.5—5V，采用內置可充電鋰電池供電，使用計算機USB口充電。
(3)輸入阻抗：1MΩ。
(4)輸入電壓：±2.5V，±12.5V兩檔可調，如果接入10:1示波器探棒，最大輸入電壓可達±125V。
(5)觸發(fā)方式：邊沿觸發(fā)，無(wú)、上升沿、下降沿三檔可調，觸發(fā)電壓通過(guò)按鍵循環(huán)調整。
(6)具有波形凍結功能。

二、電路原理
電路原理圖如下圖所示，從圖中可以看出微型示波器由電源電路、測量信號輸入、信號整理、信號采集、顯示及鍵盤(pán)處理等6部分構成。

1．電源電路
為滿(mǎn)足便攜的需要采用了可充電鋰電池作為本機的電源，由于可充電鋰電池內置了保護芯片，所以充電電路僅使用了R302一只15Ω的限流電阻構成簡(jiǎn)易充電電路，經(jīng)過(guò)一個(gè)月的試用，情況良好，充滿(mǎn)電后本機可以連續工作2個(gè)小時(shí)，一般情況下本機都是間斷使用，可以工作很長(cháng)的時(shí)間。電量降低到一定的時(shí)候，由于電池內置保護電路的作用，本機自動(dòng)斷電。由于鋰電基本上沒(méi)有記憶效應，所以可隨時(shí)將USB電纜的一端插入本機，另一端插入普通PC機的任意一個(gè)USB口，為本機充電，充滿(mǎn)自停。運放所需的負電源由一片34063及周邊電路構成，提供-4.2V電源給運放使用。
2．信號輸入電路
信號輸入電路由R10、R11、R12、R13、R14、C11、C12和D5、D6構成，完成輸入信號的1:1和1:5切換、阻抗匹配以及對后級電路的保護，由于信號輸入電壓分±2.5V，±12.5V兩檔可調，所以本機未設交直流切換電路。
3．信號整理電路
T1072中的兩級運放及周邊電路完成信號整理工作，其中一級運放完成輸入阻抗轉換工作，另一級完成±2.5V到0～2.5V的信號轉換工作以滿(mǎn)足信號采集電路的工作需要。
4、信息采集電路
本機的核心是一片PIC18F2550單片機，PIC18F2550是一款采用納瓦技術(shù)的28引腳RAM,256強型閃存USB單片機，擁有32KB閃存，2KBRAM，256字節EEPROM,3個(gè)外部中斷，4個(gè)定時(shí)器模塊(Timer0到Timer3),2Mb/s)數據傳輸，支持控制、中斷、等時(shí)和批量數據傳輸模式，特別是內置有10路10位模數轉換器非常適合制作簡(jiǎn)易示波器，PIC18F2550的數據手冊可到www.
microChip.com.cn下載。信號采集電路由PIC18F2550的內置模數轉換電路和R27與TIA31構成的電壓基準構成，將0～2.5V模擬信號轉換為0～255的數字信號。
5．顯示電路
顯示電路使用了一片128×64的圖形點(diǎn)陣液晶模塊，這是一片帶有SPI串型接口的黑白點(diǎn)陣液晶。
模塊通過(guò)7針接口與單片機通信，由于本機只使用了一片顯示模塊，所以其中的CS1腳可以真接接地，去除電源和地，本機只使用了單片機PB口的PBO～PB3共4個(gè)引腳就完成了顯示模塊的控制。
6．鍵盤(pán)電路
示波器的控制主要有采樣率調整、測量量程切換、觸發(fā)電平調整、觸發(fā)方式調整、波形快照等，這里測量量程切換使用了一個(gè)l×2的撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，其他功能通過(guò)4個(gè)接在單片機PB4-PB7引腳上的微動(dòng)開(kāi)關(guān)完成，所有按鍵均為循環(huán)功能鍵，第一個(gè)按鍵為觸發(fā)方式循環(huán)功能鍵，按動(dòng)此鍵，觸發(fā)方式在無(wú)、上升沿和下降沿間切換；第二個(gè)按鍵為觸發(fā)電平功能鍵，觸發(fā)電平可以從+2.5—2.5V間變化，當然，當量程開(kāi)關(guān)在±12.5V檔時(shí)觸發(fā)電平可以從+12.5～12.5V間變化；第三個(gè)按鍵為采樣率切換鍵，采樣率可以從67.5μs/div-50ms/div間切換；第4個(gè)按鍵為波形快照鍵，按下此鍵畫(huà)面顯示凍結，方便仔細觀(guān)察波形，再次按動(dòng)此鍵，重新開(kāi)始采樣。

三、軟件設計
軟件采用PICC開(kāi)發(fā)，軟件包括按鍵處理、數據采樣和數據顯示三個(gè)主要功能。按鍵處理采用中斷方式，同時(shí)去抖動(dòng)；數據采樣采用了內部時(shí)鐘作為采樣率控制；數據顯示使用了軟件模擬SPI接口的方法控制液晶模塊的顯示，下面分別是數據寫(xiě)入和控制寫(xiě)入的基本函數：

具體編程過(guò)程中可以采用雙緩存技術(shù)提高顯示速度，即一個(gè)緩存寫(xiě)入數據的同時(shí)，使用另一緩存顯示數據。由于是數字示波器，可以充分利用單片機的計算能力，自動(dòng)計算出信號頻率、平均值、最大值、最小值等參數，其中頻率的計算可以通過(guò)信號通過(guò)平均值的次數，同時(shí)考慮當時(shí)的采樣率即可計算得出；其他值的計算均為簡(jiǎn)單的算數運算，不過(guò)其中要用到浮點(diǎn)數，幸好編譯器為我們提供了浮點(diǎn)函數庫，如果用匯編完成則會(huì )比較麻煩。

四、制作調試
制作過(guò)程中要盡量縮小體積以便攜帶，同時(shí)注意布線(xiàn)盡量短捷以減少自激的可能，上圖（略）為一種設計供參考：

圖中的BNC插座用于接入標準示波器探頭，也可以自制簡(jiǎn)易探頭，中圖中的探頭就是筆者使用標準BNC插頭加上一個(gè)從舊萬(wàn)用表筆中拆出的探針組裝了一個(gè)探頭，這樣手持示波器即可對電路進(jìn)行測量，下圖為插頭內部構造照片。左上邊的撥動(dòng)開(kāi)關(guān)用于1:5衰減切換，左下邊的撥動(dòng)開(kāi)關(guān)為電源開(kāi)關(guān)，右上側為USB接口，用于對內置鋰電池進(jìn)行充電，右邊的微動(dòng)開(kāi)關(guān)從上至下分別為觸發(fā)方式、觸發(fā)電平、采樣率和屏幕快照按鈕。讀者在制作過(guò)程中要注意盡量減少地線(xiàn)的長(cháng)度，同時(shí)要注意輸入信號的地線(xiàn)要與其他地線(xiàn)分開(kāi)并一點(diǎn)接地。制作過(guò)程可以分三步：第一步安裝好USB插座和DC-DC轉換部分，在使用萬(wàn)用表確認USB接口的1~4腳間無(wú)短路的情況下（各類(lèi)常見(jiàn)USB接口見(jiàn)圖8（略），其中1—4腳不可接反，將電路板接入計算機的USB口，這時(shí)在T1072的4腳和8腳應該可以分別測到士4~5V的電壓，并且基本相等，如不等，可以通過(guò)調整R202的值使之相等。同時(shí)測一下PIC18F2550的20腳也應有4—5v的電壓，以上電壓隨著(zhù)計算機的不同而略有差別。接入鋰電池，即可開(kāi)始對電池充電。第二步安裝T1072、電壓基準T1431及其周邊元件和輸入網(wǎng)絡(luò )，安裝完成后接入計算機，在輸入端接上1.5V的干電池，同時(shí)將1:5的輸入信號切換開(kāi)關(guān)撥向上側，在T1072的1腳應該可以測到與電池相等的電壓，7腳可以測到約2V的電壓。第三步將LCDOscilloscope.hex燒寫(xiě)進(jìn)PIC18F2550，單片機程序可以采用icd2寫(xiě)入單片機。安裝PIC18F2550及其周邊相關(guān)元件，安裝完成后，接入液晶屏，應可看到www.sunxd.com的LOGO顯示，過(guò)3s給出波形顯示，如果沒(méi)有，可以檢查一下單片機周邊的晶振，C301、R301等，可以檢查相關(guān)的部分即可。
五、安裝使用
依據電路板設計選用外殼，右圖為裝入外殼后的情形，使用中主要的可調部分只有兩只撥動(dòng)開(kāi)關(guān)和四只微動(dòng)開(kāi)關(guān)，可以在使用中略加摸索即可上手。
使用過(guò)程中如果屏幕不亮應首先考慮可能是需要充電了。