2020年01月21日 | 以单片机为核心的微型示波器设计

一、性能指标

（1）采降速率：334kHz，100kHz，50kHz，20kHz，10kHz．5kHz，2kHz，1kHz，500Hz等9档可调。

（2）工作电压：3.5—5V，采用内置可充电锂电池供电，使用计算机USB口充电。

（3）输入阻抗：1MΩ。

（4）输入电压：±2.5V，±12.5V两档可调，如果接入10:1示波器探棒，最大输入电压可达±125V。

（5）触发方式：边沿触发，无、上升沿、下降沿三档可调，触发电压通过按键循环调整。

（6）具有波形冻结功能。

二、电路原理

电路原理图如下图所示，从图中可以看出微型示波器由电源电路、测量信号输入、信号整理、信号采集、显示及键盘处理等6部分构成。

1．电源电路

为满足便携的需要采用了可充电锂电池作为本机的电源，由于可充电锂电池内置了保护芯片，所以充电电路仅使用了R302一只15Ω的限流电阻构成简易充电电路，经过一个月的试用，情况良好，充满电后本机可以连续工作2个小时，一般情况下本机都是间断使用，可以工作很长的时间。电量降低到一定的时候，由于电池内置保护电路的作用，本机自动断电。由于锂电基本上没有记忆效应，所以可随时将USB电缆的一端插入本机，另一端插入普通PC机的任意一个USB口，为本机充电，充满自停。运放所需的负电源由一片34063及周边电路构成，提供-4.2V电源给运放使用。

2．信号输入电路

信号输入电路由R10、R11、R12、R13、R14、C11、C12和D5、D6构成，完成输入信号的1:1和1:5切换、阻抗匹配以及对后级电路的保护，由于信号输入电压分±2.5V，±12.5V两档可调，所以本机未设交直流切换电路。

3．信号整理电路

T1072中的两级运放及周边电路完成信号整理工作，其中一级运放完成输入阻抗转换工作，另一级完成±2.5V到0～2.5V的信号转换工作以满足信号采集电路的工作需要。

4、信息采集电路

本机的核心是一片PIC18F2550单片机，PIC18F2550是一款采用纳瓦技术的28引脚RAM，256强型闪存USB单片机，拥有32KB闪存，2KBRAM，256字节EEPROM，3个外部中断，4个定时器模块（Timer0到TImer3），2Mb/s）数据传输，支持控制、中断、等时和批量数据传输模式，特别是内置有10路10位模数转换器非常适合制作简易示波器，PIC18F2550的数据手册可到www.

microChip.com.cn下载。信号采集电路由PIC18F2550的内置模数转换电路和R27与TIA31构成的电压基准构成，将0～2.5V模拟信号转换为0～255的数字信号。

5．显示电路

显示电路使用了一片128&TImes;64的图形点阵液晶模块，这是一片带有SPI串型接口的黑白点阵液晶。

模块通过7针接口与单片机通信，由于本机只使用了一片显示模块，所以其中的CS1脚可以真接接地，去除电源和地，本机只使用了单片机PB口的PBO～PB3共4个引脚就完成了显示模块的控制。

6．键盘电路

示波器的控制主要有采样率调整、测量量程切换、触发电平调整、触发方式调整、波形快照等，这里测量量程切换使用了一个l&TImes;2的拨动开关，其他功能通过4个接在单片机PB4-PB7引脚上的微动开关完成，所有按键均为循环功能键，第一个按键为触发方式循环功能键，按动此键，触发方式在无、上升沿和下降沿间切换；第二个按键为触发电平功能键，触发电平可以从+2.5—2.5V间变化，当然，当量程开关在±12.5V档时触发电平可以从+12.5～12.5V间变化；第三个按键为采样率切换键，采样率可以从67.5μs/div-50ms/div间切换；第4个按键为波形快照键，按下此键画面显示冻结，方便仔细观察波形，再次按动此键，重新开始采样。

三、软件设计

软件采用PICC开发，软件包括按键处理、数据采样和数据显示三个主要功能。按键处理采用中断方式，同时去抖动；数据采样采用了内部时钟作为采样率控制；数据显示使用了软件模拟SPI接口的方法控制液晶模块的显示，下面分别是数据写入和控制写入的基本函数：

具体编程过程中可以采用双缓存技术提高显示速度，即一个缓存写入数据的同时，使用另一缓存显示数据。由于是数字示波器，可以充分利用单片机的计算能力，自动计算出信号频率、平均值、最大值、最小值等参数，其中频率的计算可以通过信号通过平均值的次数，同时考虑当时的采样率即可计算得出；其他值的计算均为简单的算数运算，不过其中要用到浮点数，幸好编译器为我们提供了浮点函数库，如果用汇编完成则会比较麻烦。

四、制作调试

制作过程中要尽量缩小体积以便携带，同时注意布线尽量短捷以减少自激的可能，上图（略）为一种设计供参考：

图中的BNC插座用于接入标准示波器探头，也可以自制简易探头，中图中的探头就是笔者使用标准BNC插头加上一个从旧万用表笔中拆出的探针组装了一个探头，这样手持示波器即可对电路进行测量，下图为插头内部构造照片。左上边的拨动开关用于1:5衰减切换，左下边的拨动开关为电源开关，右上侧为USB接口，用于对内置锂电池进行充电，右边的微动开关从上至下分别为触发方式、触发电平、采样率和屏幕快照按钮。读者在制作过程中要注意尽量减少地线的长度，同时要注意输入信号的地线要与其他地线分开并一点接地。制作过程可以分三步：第一步安装好USB插座和DC-DC转换部分，在使用万用表确认USB接口的1~4脚间无短路的情况下（各类常见USB接口见图8（略），其中1—4脚不可接反，将电路板接入计算机的USB口，这时在T1072的4脚和8脚应该可以分别测到士4~5V的电压，并且基本相等，如不等，可以通过调整R202的值使之相等。同时测一下PIC18F2550的20脚也应有4—5v的电压，以上电压随着计算机的不同而略有差别。接入锂电池，即可开始对电池充电。第二步安装T1072、电压基准T1431及其周边元件和输入网络，安装完成后接入计算机，在输入端接上1.5V的干电池，同时将1:5的输入信号切换开关拨向上侧，在T1072的1脚应该可以测到与电池相等的电压，7脚可以测到约2V的电压。第三步将LCDOscilloscope.hex烧写进PIC18F2550，单片机程序可以采用icd2写入单片机。安装PIC18F2550及其周边相关元件，安装完成后，接入液晶屏，应可看到的LOGO显示，过3s给出波形显示，如果没有，可以检查一下单片机周边的晶振，C301、R301等，可以检查相关的部分即可。

五、安装使用

依据电路板设计选用外壳，右图为装入外壳后的情形，使用中主要的可调部分只有两只拨动开关和四只微动开关，可以在使用中略加摸索即可上手。

使用过程中如果屏幕不亮应首先考虑可能是需要充电了。