DIY手持多用示波表，系統解決方案，軟硬件實(shí)現

一、項目概述

1.1 引言

示波器自1933年誕生至今已經(jīng)有70多年的歷史。它是電子電路設計人員用來(lái)觀(guān)察波形的主要工具，它可以讓設計人員直觀(guān)的看到所要觀(guān)測到的波形。因此，示波器在信號觀(guān)測領(lǐng)域一直都扮演著(zhù)非常重要的角色。傳統的模擬示波器信號帶寬頻率受到陰極射線(xiàn)管的限制而不可能太高，難以測量慢速信號或單次瞬變信號，預觸發(fā)功能難以實(shí)現和不便對波形數據進(jìn)行數字處理分析等等，因而在許多應用領(lǐng)域中存在著(zhù)局限性。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，單次信號的捕捉，測量和研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注和重視，在信息領(lǐng)域、高速計算機、高速數據通信和高速數字集成電路及其系統內，面臨著(zhù)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手的解決這些難題。隨著(zhù)數字集成電路和高性能微處理器技術(shù)的發(fā)展，數字存儲示波器(DSO)出現了。數字存儲示波器整個(gè)系統的調節全部由微處理器在相應的軟件支持下自動(dòng)進(jìn)行，包括自動(dòng)設置、自動(dòng)測量、自動(dòng)校正、波形存儲、計算機I/O和打印輸出等一系列優(yōu)點(diǎn)。數字存儲示波器的出現開(kāi)創(chuàng )了示波器的新紀元，它為示波器的智能化打下了堅實(shí)的基礎，同時(shí)它還標志著(zhù)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(chēng)作信號發(fā)生器，在教學(xué)實(shí)驗或實(shí)際工作中作為信號源為電路提供所需的激勵信號，因而是一種必不可少的工具?，F代新型信號發(fā)生器的研制都采用直接數字頻率合成(DDS)技術(shù)進(jìn)行，這種技術(shù)是第三代頻率合成技術(shù)的標志，主要特點(diǎn)是計算機參與頻率合成，既可以用軟件來(lái)實(shí)現，也可以用硬件來(lái)實(shí)現，或者二者結合。

本設計研制的多用手持示波表基于美國賽普拉斯公司生產(chǎn)的混合信號可編程芯片PSoC平臺。該芯片內不僅集成了51微控制器，還集成了各種數字模塊和模擬模塊，各個(gè)模塊可以通過(guò)系統內部總線(xiàn)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)系統的研制。

1.2 項目背景/選題動(dòng)機

現在市面上的大多數示波器都是臺式的，體形過(guò)于龐大和笨重，難以攜帶，對于狹小的場(chǎng)合應用很不方便，在高空作業(yè)和其他特殊場(chǎng)合的應用受到很大的限制，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)際應用價(jià)值不大。

本項目就是基于這種背景下開(kāi)展的，采用美國賽普拉斯公司生產(chǎn)的混合信號可編程芯片PSoC平臺來(lái)進(jìn)行開(kāi)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，還集成了信號發(fā)生器的功能。

二、需求分析

2.1 功能要求

(1) 設計一個(gè)可以準確顯示波形并且能夠觀(guān)察波形參數的示波器，采集電壓范圍為-20V——20V，分辨率為100mV，可以準確分析信號的頻率，電壓，功率等參數。

(3)使用PSOC的DAC模塊、PGA模塊和LPF2模塊來(lái)實(shí)現正弦，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)完成對信號的采集，爭取能夠達到模擬帶寬10M以上，實(shí)時(shí)采樣率達到40M以上，實(shí)現儀器內觸發(fā)方式，要求上升沿觸發(fā)，觸發(fā)電平可調,并且垂直靈敏度能達到1V， 100mV兩檔，掃描速度含20ms/div、2μs/div、100ns/div三檔，波形周期測量誤差≤5%，且被測信號的顯示波形應無(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，水平位置可調并有指示，存儲深度達到5K。

(3)該信號發(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、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理(除圖片外需有文字介紹)

系統硬件結構框圖

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，是因為他們有著(zhù)密切的聯(lián)系。

程控放大器的作用是對輸入信號進(jìn)行衰減或放大調整，使輸出信號電壓在A(yíng)D轉換器輸入電壓要求范圍內，達到最好的測量與觀(guān)察效果，所以程控放大器電路在規定帶寬內的增益一定要平坦，故對運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)的高速運算放大器LM6172雙運放，帶寬為100MHz，轉換速率3000v/μs,每通道消耗電流2.3mA，輸出電流可達50mA，完全滿(mǎn)足本電路的要求，選擇該芯片的另一個(gè)原因是價(jià)格，郵購價(jià)格為8元一片，相比ADI,MAX等公司幾十元一片的高速運放芯片來(lái)說(shuō)算是很廉價(jià)了，電源采用正負雙電源供電，由于整個(gè)電路總的電源輸入為單8v，所以專(zhuān)門(mén)用一片dc/dc電路MC34063為其構成了負壓轉換器再經(jīng)穩壓得到-5v電壓，+5v通過(guò)對輸入電壓穩壓得到。

2. 高速AD轉換與FIFO存儲電路

數字示波器中最重要的電路是AD轉換電路，它的作用是將被測信號采樣并轉換成數字信號存入存儲器，說(shuō)它是數字示波器的咽喉一點(diǎn)也不為過(guò)，因為它直接決定著(zhù)數字示波器所能測量的最高頻率，根據乃奎斯特定理，采樣頻率至少是被測信號最高頻率的2倍才能復現出被測信號。而在數字示波器中采樣頻率至少應該是被測信號頻率的5~8倍才行，否則根本觀(guān)察不到信號的波形。在本電路中我選用的AD轉換芯片為BB公司的8位高速AD轉換器ADS830E,官方資料給出的采樣頻率為10kSa/s~60MSa/s, 通過(guò)實(shí)驗發(fā)現轉換速率在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轉換器一般都有高低端轉換速率的限制，比如TLC5540，8位AD轉換器，轉換速率為5MSa/s~40MSa/s，我試過(guò)當轉換頻率降到2M以下時(shí)就不能正常工作，所以選擇AD轉換芯片時(shí)不僅要注意最高轉換速率還要關(guān)注最低轉換速率，否則可能導致電路無(wú)法正常工作。有朋友也許會(huì )問(wèn)8位轉換精度會(huì )不會(huì )有點(diǎn)太低?其實(shí)8位轉換器對于示波器來(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為轉換精度的分辨率為256格，比顯示器的分辨率還高，所以絕對夠用。還有就是價(jià)格及電路的設計，在最高采樣率相同的情況下10位AD轉換芯片的價(jià)格是8位AD轉換芯片的幾倍，而且位數的增加也使電路的復雜程度大大增加，將直接影響處理速度，導致屏幕刷新過(guò)慢，反而影響性能。所以本著(zhù)夠用的原則本示波器選用60M的8位AD轉換芯片ADS830E。

3. 時(shí)鐘產(chǎn)生電路

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

4.信號發(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)直接數字頻率合成器由相位累加器、加法器、波形存儲ROM、D/A轉換器和低通濾波器(LPF)構成。

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(cháng)，D為ROM數據位及D/A轉換器的字長(cháng)。相位累加器在時(shí)鐘fc的控制下以步長(cháng)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波形。合成的信號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系統中除了D/A轉換和低通濾波電路外都是數字電路，以往的設計都基于純數字芯片設計，很難實(shí)現單芯片的解決方案，而PSoC的出現剛好滿(mǎn)足了這種單芯片、全集成的要求。

3.2 系統軟件流程

程序運行流程圖

3.3 系統預計實(shí)現結果

制作一個(gè)實(shí)時(shí)采樣率可以達到40M以上，模擬帶寬可以達到10M以上，帶有一定存儲深度，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，方波信號的手持的，便攜的示波表。