數字光標直讀示波器的設計與實(shí)現
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YB4365／4345數字光標直讀示波器是2001年國家級重點(diǎn)新產(chǎn)品，該產(chǎn)品是采用單片機控制技術(shù)和雙時(shí)基掃描技術(shù)的寬帶示波器。該機不僅具備通用示波器的作用，還具備數字頻率計和高頻毫伏表等多種功能。
2 主要性能指標與特點(diǎn)
YB4365／4345數字光標直讀示波器垂直偏轉系數為1mV／div～5V／div，頻帶寬度為100MHz／40MHz，上升時(shí)間≤3．5ns／8．8ns。掃描偏轉系數0．5s／div～50ns／div。擴展×10后最快掃速為5ns／div，輸入阻抗為1MΩ／25P，該機的主要性能特點(diǎn)如下：
（1）屏幕顯示設定狀態(tài)。掃描速度、掃描延遲時(shí)間、非校準狀態(tài)、垂直靈敏度等參數均可在屏幕上以字符形式顯示，簡(jiǎn)化了測試操作設定狀態(tài)的確定過(guò)程。
（2）測量數據的顯示。采用電子光標卡尺，可以對光標線(xiàn)之間的電壓（△v），光標線(xiàn)之間的時(shí)間（△t），光標線(xiàn)之間的頻率（1／△t）等參數進(jìn)行測量。避免對信號波形的目測、計算、換算等人工操作造成的誤差。
（3）自動(dòng)掃描速度功能設定?？勺詣?dòng)設定最佳掃描速度（顯示約2～5周期的信號波形）。并跟隨輸入信號自動(dòng)設定掃描速度的值。
（4）頻率計數器功能?？梢灾苯訙y定A掃描觸發(fā)信號頻率。
（5）觸發(fā)鎖定功能。測試難于取得的掃描同步的復雜脈沖序列時(shí)，在取得掃描同步的狀態(tài)下啟動(dòng)觸發(fā)鎖定功能，此后即使掃描被改變，儀器仍保持掃描同步。
（6）采用貼片工藝技術(shù)（SMT）和開(kāi)關(guān)電源。使得該機具有體積小，重量輕、功耗低、電源適應范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。
3 測試波形與字符同時(shí)顯示的工作原理
圖1為波形和字符顯示過(guò)程。通用示波器對被測信號的測量，是通過(guò)屏幕的垂直、水平坐標刻度線(xiàn)和面板開(kāi)關(guān)設置狀態(tài)，經(jīng)人工計算，才能讀出被測信號的電壓幅度和時(shí)間的有關(guān)參量，測量信號非常麻煩，且精度不高，測量結果常會(huì )因人而異。
YB4365／4345示波器是在單片機W78E58的控制下通過(guò)屏幕上的游標卡尺的測量并自動(dòng)以字符方式顯示測量結果，被測信號波形是采用掃描顯示，字符（游標卡尺、狀態(tài)設置、測試參數）采用光柵顯示。光柵顯示有階梯顯示和坐標顯示兩種，為了提高
4 系統的總體結構
該系統的總體結構框圖如圖2所示，即包括Y垂直放大系統，X水平觸發(fā)掃描系統，Z軸加亮系統，高低電壓電源系統，單片機控制系統等。
4．1 Y垂直放大系統
Y垂直放大系統由垂直輸入衰減電路、前置放大器、通道選擇電路、垂直主放大器等組成。
（1）輸入衰減電路采用了新型的繼電器衰減開(kāi)關(guān)電路，取代了傳統的機械衰減開(kāi)關(guān)電路。即由數字脈沖編碼開(kāi)關(guān)、繼電器等元器件組成，該電路由單片機控制轉換。量程范圍為1mV／div～5V／div。由于該電路分布參數變化很小，使得被測信號的暫態(tài)特性和穩態(tài)特性都非常理想。數字脈沖編碼開(kāi)關(guān)使用壽命是普通機械開(kāi)關(guān)的五倍以上，且操作輕巧。
（2）前置放大器采用了高低頻交疊放大電路，該電路將被測信號的高低頻分量分別放大后再疊加，10kHz以下的低頻信號由LF運算放大器放大輸出，10kHz以上的信號由高fT的貼片晶體管組成的HF放大器放大輸出。該電路可大大降低溫度引起的直流電平漂移。
（3）通道選擇電路采用二級管門(mén)控電路，控制通道輸入信號的顯示，通道的選擇由儀器面板上垂直工作方式開(kāi)關(guān)控制。
（4）垂直主放大器主要供給示波管偏轉所需要的電壓，該放大器基本電路形式是共射共基放大和串并聯(lián)負反饋放大，該機最高靈敏度為1mV／div，帶寬為100MHz。而放大電路僅采用三級放大，這種情況過(guò)去很少用，由于采用貼片元器件才能做到，且放大器的單管fT都高達3kMHz以上，這樣，通過(guò)提高元器件的高頻特性來(lái)減少放大的級數，從而達到簡(jiǎn)化放大電路的目的。
4．2 X水平觸發(fā)掃描系統
X水平觸發(fā)掃描系統主要有觸發(fā)電路、掃描電路和水平放大器組成。
（1）觸發(fā)電路是將被測信號的同步信號放大整形，處理成TTL門(mén)信號，控制A、B掃描閘門(mén)。
（2）掃描電路由數字脈沖編碼開(kāi)關(guān)、門(mén)控電路、掃描閘門(mén)電路、充電電阻、充電電容等組成。掃描選擇開(kāi)關(guān)將控制信號送到單片機控制輸入接口電路，由單片機控制門(mén)控電路，選通相應的量程設置，產(chǎn)生一個(gè)與時(shí)間成線(xiàn)性關(guān)系的掃描電壓，送給水平放大器。A掃描電路在水平方式開(kāi)關(guān)控制下，產(chǎn)生相關(guān)信號去啟動(dòng)B掃描閘門(mén)，B掃描電路受B掃描閘門(mén)控制，產(chǎn)生延掃描電壓送水平放大器。A、B掃描控制電路根據水平方式控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)，選通A和B掃描信號，或按時(shí)序交替選通。
（3）水平放大器就是將A、B掃描電壓及字符信號無(wú)失真地饋給CRT的水平偏轉板。
4．3 Z軸加亮系統
Z軸加亮放大器是對信號亮度和字符亮度幅度放大，可通過(guò)亮度電位器控制信號和字符輝度變化。
4．4 高、低電壓電源系統
低壓電源有＋110V、＋55V、＋12V、＋5V、－12V共5檔。由于整機采用了低功耗設計和開(kāi)關(guān)電源，整機功耗約40W，從而降低了整機的溫升，提高了可靠性。高壓電路是由直流變換電路產(chǎn)生約1．5kV的高壓，供示波管電路工作。
4．5 單片機控制系統
本系統采用的單片機是臺灣華邦公司生產(chǎn)的W78E58八位可電擦除芯片。片內含有32kBFLASHEEPROM。免去擴展外部存儲器的麻煩，使得單片機控制系統更加簡(jiǎn)單。W78E58工作主頻設定為12MHz，P0口與P1口為系統的地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)，P3口為普通輸出口，輸出衰減電路量程和掃描速度等控制信號。片外數據存儲器采用了美國Dallas公司生產(chǎn)的DS12C887芯片。該芯片內含鋰電池、128BRAM，其中48個(gè)單元隨時(shí)采集現場(chǎng)信息。上電時(shí)自動(dòng)調出，掉電時(shí)自動(dòng)保護，保證了儀器斷電后現場(chǎng)數據不丟失。該系統采用了三路八位梯形網(wǎng)絡(luò )D／A轉換器，D／A轉換器將緩沖存儲器里的數字信息轉換成脈沖序列。單片機W78E58通過(guò)采樣保持電路，把控制面板上所設定的狀態(tài)量（垂直偏轉系數、掃描偏轉系數、光標卡尺、校正狀態(tài)等）讀入。一方面通過(guò)P3口輸出調整結果，經(jīng)移位寄存器轉換去調整垂直系統的衰減電路的控制器（繼電器）和掃描電路的控制器（模擬開(kāi)關(guān)），使之和面板設定狀態(tài)一致。另一方面通過(guò)讀入采樣結果調用顯示程序模塊，從存貯器字庫中取出相應代碼送入暫存器，當顯示開(kāi)關(guān)置于導通時(shí)，輸出接口將程序運算結果、狀態(tài)設置字符送入D／A變換器經(jīng)字符放大器分別饋入Y后置放大器、X水平放大器、Z軸加亮放大器。此時(shí)所需字符即可穩定顯示在屏幕上。
系統的軟件設計采用了模塊化結構，各模塊都有相應的子程序完成。本系統軟件分主程序、電壓測量子程序、時(shí)間測量子程序、頻率測量直讀子程序、儀器狀態(tài)設置子程序、故障檢測子程序等模塊。程序設計略。
5 結束語(yǔ)
YB4365／4345數字光標直讀示波器研制成功后，經(jīng)測試認為該機性能穩定可靠、指標精度高、操作簡(jiǎn)便、性?xún)r(jià)比高，滿(mǎn)足了用戶(hù)對該測量?jì)x器的需求。該機已通過(guò)CE認證，并打入國際市場(chǎng)，具有較強的競爭力。
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