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原创自制微型示波器[转]

 2008-6-15 17:26  6618 2 5 分类: 测试测量

自制微型示波器<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

电子爱好者在日常制作和维修过程中主要的仪器仪表就是一块指针或数字万用表，遇到稍微复杂一些的问题就会无从下手，作为另一个基本仪器----示波器，多数电子爱好者，特别是业余爱好者，都没有装备，普通示波器价格较高，体积较大，即使电子爱好者有这个经济能力，也不一定有工作台的空间来摆放。这里介绍一款微型示波器，大小仅为<?xml:namespace prefix = st2 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />100mm×60mm×25mm，比普通万用表还要小，可以装在上衣口袋中，不仅可以用于日常工作，更便于上门维修，可以满足大部分业余制作维修的需求，同时也适用于电子型企业的生产线上用于产品检测。

性能指标

1、采样速率334kHz，100kHz，50kHz，20kHz，10kHz，5kHz，2kHz，1kHz，500Hz9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。

图1、图2、图3分别为机器开启画面、50Hz交流电和为2.4576MHz晶振128分频后19.2kHz方波信号测量结果。

<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" />

图1

图2

图3

电路原理

电路原理图如图4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：

图4

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

TL072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、信号采集电路

本机的核心是一片PIC18F2550单片机，PIC18F2550是一款采用纳瓦技术的28引脚高性能增强型闪存USB单片机，拥有32KB闪存，2KB RAM，256字节EEPROM, 3个外部中断，4 个定时器模块（Timer0 到Timer3），2 个捕捉/ 比较/PWM （CCP）模块，其USB接口兼容USB V2.0，支持低速（1.5 Mbit/s）和全速（12 Mbit/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TL431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128×64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，外型封装见图5：

图5

模块通过7针接口与单片机通迅，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PB0-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1×2的拨动开关，其它功能通过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+2.5V--－2.5V间变化，当然，当量程开关在±12.5V档时触发电平可以从+12.5V--－12.5V间变化；第三个按键为采样率切换键，采样率可以从67.5us/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

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：

void LCD_DataWrite(int8 Dat)

{

int8 Num;

LCD_A0 = 1;

for(Num=0;Num<8;Num++)

{

if((Dat&0x80) == 0) LCD_SDI = 0;

else LCD_SDI = 1;

Dat = Dat << 1;

LCD_CLK = 0;

LCD_CLK = 1;

}

void LCD_RegWrite(int8 Command)

{

int8 Num;

LCD_A0 = 0;

for(Num=0;Num<8;Num++)

{

if((Command&0x80) == 0) LCD_SDI = 0;

else LCD_SDI = 1;

Command = Command << 1;

LCD_CLK = 0;

LCD_CLK = 1;

}

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；其它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。

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，图6为笔者的一种设计供参考：

图6

图7

图8

图9

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，图7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，图8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它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9，其中1-4脚不可接反，将电路板接入计算机的USB口，这时在TL072的4脚和8脚应该可以分别测到±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TL072、电压基准TL431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TL072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，如果您有其它的示波器，可以在输入端输入一个1V左右的50Hz交流电，在TL072的1脚和7脚应可以分别测到图10和图11的波形。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www.sunxd.com的LOGO显示，过3秒给出波形显示，如果没有，可以检查一下单片机周边的晶振，C301、R301等，如果您有逻辑分析仪在液晶显示器的2-5脚应能测得如12的波形。如果以上各步骤出现问题，可以检查相关的部分即可。