DIY手持多用示波表，系統解決方案，軟硬件實現

一、項目概述

1.1 引言

示波器自1933年誕生至今已經有70多年的歷史。它是電子電路設計人員用來觀察波形的主要工具，它可以讓設計人員直觀的看到所要觀測到的波形。因此，示波器在信號觀測領域一直都扮演著非常重要的角色。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，預觸發功能難以實現和不便對波形數據進行數字處理分析等等，因而在許多應用領域中存在著局限性。隨著科學技術的飛速發展，單次信號的捕捉，測量和研究越來越受到人們的關注和重視，在信息領域、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，面臨著硬件、軟件、以及由軟硬件共同作用而產生的偶發性故障，迫切需要更高速的示波器才能得心應手的解決這些難題。隨著數字集成電路和高性能微處理器技術的發展，數字存儲示波器(DSO)出現了。數字存儲示波器整個系統的調節全部由微處理器在相應的軟件支持下自動進行，包括自動設置、自動測量、自動校正、波形存儲、計算機I/O和打印輸出等一系列優點。數字存儲示波器的出現開創了示波器的新紀元，它為示波器的智能化打下了堅實的基礎，同時它還標志著示波器的發展進入了一個新的時代。

與此同時，波形發生器也是電子工程人員不可或缺的一種工具，常被稱作信號發生器，在教學實驗或實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。現代新型信號發生器的研制都采用直接數字頻率合成(DDS)技術進行，這種技術是第三代頻率合成技術的標志，主要特點是計算機參與頻率合成，既可以用軟件來實現，也可以用硬件來實現，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，各個模塊可以通過系統內部總線相互通信，所以只用一顆芯片和少許的外圍電路就能夠完成整個系統的研制。

1.2 項目背景/選題動機

現在市面上的大多數示波器都是臺式的，體形過于龐大和笨重，難以攜帶，對于狹小的場合應用很不方便，在高空作業和其他特殊場合的應用受到很大的限制，加上價格昂貴，動輒幾千上萬甚至數萬元的價格不是每個人都能接受的，另外市面上手持示波表較少，并且功能單一，價格高昂，大部分采樣率等較低，實際應用價值不大。

本項目就是基于這種背景下開展的，采用美國賽普拉斯公司生產的混合信號可編程芯片PSoC平臺來進行開發，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，還集成了信號發生器的功能。

二、需求分析

2.1 功能要求

(1) 設計一個可以準確顯示波形并且能夠觀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模塊來實現正弦，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(實時采樣率最高為60Mbps)完成對信號的采集，爭取能夠達到模擬帶寬10M以上，實時采樣率達到40M以上，實現儀器內觸發方式，要求上升沿觸發，觸發電平可調,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明顯失真，帶有FFT，余輝顯示等功能。

(2)水平時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)該信號發生器能夠產生波形頻率范圍為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

下面就各個模塊電路做以簡單介紹

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，是因為他們有著密切的聯系。

程控放大器的作用是對輸入信號進行衰減或放大調整，使輸出信號電壓在AD轉換器輸入電壓要求范圍內，達到最好的測量與觀察效果，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，完全滿足本電路的要求，選擇該芯片的另一個原因是價格，郵購價格為8元一片，相比ADI,MAX等公司幾十元一片的高速運放芯片來說算是很廉價了，電源采用正負雙電源供電，由于整個電路總的電源輸入為單8v，所以專門用一片dc/dc電路MC34063為其構成了負壓轉換器再經穩壓得到-5v電壓，+5v通過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，說它是數字示波器的咽喉一點也不為過，因為它直接決定著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, 通過實驗發現轉換速率在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，要說明的一點是高速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，我試過當轉換頻率降到2M以下時就不能正常工作，所以選擇AD轉換芯片時不僅要注意最高轉換速率還要關注最低轉換速率，否則可能導致電路無法正常工作。有朋友也許會問8位轉換精度會不會有點太低?其實8位轉換器對于示波器來說是夠用的，就拿這個電路來說，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，導致屏幕刷新過慢，反而影響性能。所以本著夠用的原則本示波器選用60M的8位AD轉換芯片ADS830E。

3. 時鐘產生電路

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

4.信號發生原理DDS介紹

DDS是從相位概念出發直接合成所需波形的一種頻率合成技術。一個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為參考時鐘頻率，N為相位累加器的字長，D為ROM數據位及D/A轉換器的字長。相位累加器在時鐘fc的控制下以步長K作累加，輸出的N位二進制碼與相位控制字P、波形控制字W相加后作為波形ROM的地址，對波形ROM進行尋址，波形ROM輸出D位幅度碼S(n)經D/A轉換器變成階梯波形S(t)，再經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，很難實現單芯片的解決方案，而PSoC的出現剛好滿足了這種單芯片、全集成的要求。

3.2 系統軟件流程

程序運行流程圖

3.3 系統預計實現結果

制作一個實時采樣率可以達到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。