用單片機(jī)PIC18F2550設(shè)計(jì)示波器

一、性能指標(biāo)
(1)采降速率：334kHz，100kHz，50kHz，20kHz，10kHz．5kHz，2kHz，1kHz，500Hz等9檔可調(diào)。
(2)工作電壓：3.5—5V，采用內(nèi)置可充電鋰電池供電，使用計(jì)算機(jī)USB口充電。
(3)輸入阻抗：1MΩ。
(4)輸入電壓：±2.5V，±12.5V兩檔可調(diào)，如果接入10:1示波器探棒，最大輸入電壓可達(dá)±125V。
(5)觸發(fā)方式：邊沿觸發(fā)，無、上升沿、下降沿三檔可調(diào)，觸發(fā)電壓通過按鍵循環(huán)調(diào)整。
(6)具有波形凍結(jié)功能。

二、電路原理
電路原理圖如下圖所示，從圖中可以看出微型示波器由電源電路、測量信號輸入、信號整理、信號采集、顯示及鍵盤處理等6部分構(gòu)成。

1．電源電路
為滿足便攜的需要采用了可充電鋰電池作為本機(jī)的電源，由于可充電鋰電池內(nèi)置了保護(hù)芯片，所以充電電路僅使用了R302一只15Ω的限流電阻構(gòu)成簡易充電電路，經(jīng)過一個(gè)月的試用，情況良好，充滿電后本機(jī)可以連續(xù)工作2個(gè)小時(shí)，一般情況下本機(jī)都是間斷使用，可以工作很長的時(shí)間。電量降低到一定的時(shí)候，由于電池內(nèi)置保護(hù)電路的作用，本機(jī)自動斷電。由于鋰電基本上沒有記憶效應(yīng)，所以可隨時(shí)將USB電纜的一端插入本機(jī)，另一端插入普通PC機(jī)的任意一個(gè)USB口，為本機(jī)充電，充滿自停。運(yùn)放所需的負(fù)電源由一片34063及周邊電路構(gòu)成，提供-4.2V電源給運(yùn)放使用。
2．信號輸入電路
信號輸入電路由R10、R11、R12、R13、R14、C11、C12和D5、D6構(gòu)成，完成輸入信號的1:1和1:5切換、阻抗匹配以及對后級電路的保護(hù)，由于信號輸入電壓分±2.5V，±12.5V兩檔可調(diào)，所以本機(jī)未設(shè)交直流切換電路。
3．信號整理電路
T1072中的兩級運(yùn)放及周邊電路完成信號整理工作，其中一級運(yùn)放完成輸入阻抗轉(zhuǎn)換工作，另一級完成±2.5V到0～2.5V的信號轉(zhuǎn)換工作以滿足信號采集電路的工作需要。
4、信息采集電路
本機(jī)的核心是一片PIC18F2550單片機(jī)，PIC18F2550是一款采用納瓦技術(shù)的28引腳RAM,256強(qiáng)型閃存USB單片機(jī)，擁有32KB閃存，2KBRAM，256字節(jié)EEPROM,3個(gè)外部中斷，4個(gè)定時(shí)器模塊(Timer0到Timer3),2Mb/s)數(shù)據(jù)傳輸，支持控制、中斷、等時(shí)和批量數(shù)據(jù)傳輸模式，特別是內(nèi)置有10路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器非常適合制作簡易示波器，PIC18F2550的數(shù)據(jù)手冊可到www.
microChip.com.cn下載。信號采集電路由PIC18F2550的內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和R27與TIA31構(gòu)成的電壓基準(zhǔn)構(gòu)成，將0～2.5V模擬信號轉(zhuǎn)換為0～255的數(shù)字信號。
5．顯示電路
顯示電路使用了一片128×64的圖形點(diǎn)陣液晶模塊，這是一片帶有SPI串型接口的黑白點(diǎn)陣液晶。
模塊通過7針接口與單片機(jī)通信，由于本機(jī)只使用了一片顯示模塊，所以其中的CS1腳可以真接接地，去除電源和地，本機(jī)只使用了單片機(jī)PB口的PBO～PB3共4個(gè)引腳就完成了顯示模塊的控制。
6．鍵盤電路
示波器的控制主要有采樣率調(diào)整、測量量程切換、觸發(fā)電平調(diào)整、觸發(fā)方式調(diào)整、波形快照等，這里測量量程切換使用了一個(gè)l×2的撥動開關(guān)，其他功能通過4個(gè)接在單片機(jī)PB4-PB7引腳上的微動開關(guān)完成，所有按鍵均為循環(huán)功能鍵，第一個(gè)按鍵為觸發(fā)方式循環(huán)功能鍵，按動此鍵，觸發(fā)方式在無、上升沿和下降沿間切換；第二個(gè)按鍵為觸發(fā)電平功能鍵，觸發(fā)電平可以從+2.5—2.5V間變化，當(dāng)然，當(dāng)量程開關(guān)在±12.5V檔時(shí)觸發(fā)電平可以從+12.5～12.5V間變化；第三個(gè)按鍵為采樣率切換鍵，采樣率可以從67.5μs/div-50ms/div間切換；第4個(gè)按鍵為波形快照鍵，按下此鍵畫面顯示凍結(jié)，方便仔細(xì)觀察波形，再次按動此鍵，重新開始采樣。

三、軟件設(shè)計(jì)
軟件采用PICC開發(fā)，軟件包括按鍵處理、數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)顯示三個(gè)主要功能。按鍵處理采用中斷方式，同時(shí)去抖動；數(shù)據(jù)采樣采用了內(nèi)部時(shí)鐘作為采樣率控制；數(shù)據(jù)顯示使用了軟件模擬SPI接口的方法控制液晶模塊的顯示，下面分別是數(shù)據(jù)寫入和控制寫入的基本函數(shù)：

具體編程過程中可以采用雙緩存技術(shù)提高顯示速度，即一個(gè)緩存寫入數(shù)據(jù)的同時(shí)，使用另一緩存顯示數(shù)據(jù)。由于是數(shù)字示波器，可以充分利用單片機(jī)的計(jì)算能力，自動計(jì)算出信號頻率、平均值、最大值、最小值等參數(shù)，其中頻率的計(jì)算可以通過信號通過平均值的次數(shù)，同時(shí)考慮當(dāng)時(shí)的采樣率即可計(jì)算得出；其他值的計(jì)算均為簡單的算數(shù)運(yùn)算，不過其中要用到浮點(diǎn)數(shù)，幸好編譯器為我們提供了浮點(diǎn)函數(shù)庫，如果用匯編完成則會比較麻煩。

四、制作調(diào)試
制作過程中要盡量縮小體積以便攜帶，同時(shí)注意布線盡量短捷以減少自激的可能，上圖（略）為一種設(shè)計(jì)供參考：

圖中的BNC插座用于接入標(biāo)準(zhǔn)示波器探頭，也可以自制簡易探頭，中圖中的探頭就是筆者使用標(biāo)準(zhǔn)BNC插頭加上一個(gè)從舊萬用表筆中拆出的探針組裝了一個(gè)探頭，這樣手持示波器即可對電路進(jìn)行測量，下圖為插頭內(nèi)部構(gòu)造照片。左上邊的撥動開關(guān)用于1:5衰減切換，左下邊的撥動開關(guān)為電源開關(guān)，右上側(cè)為USB接口，用于對內(nèi)置鋰電池進(jìn)行充電，右邊的微動開關(guān)從上至下分別為觸發(fā)方式、觸發(fā)電平、采樣率和屏幕快照按鈕。讀者在制作過程中要注意盡量減少地線的長度，同時(shí)要注意輸入信號的地線要與其他地線分開并一點(diǎn)接地。制作過程可以分三步：第一步安裝好USB插座和DC-DC轉(zhuǎn)換部分，在使用萬用表確認(rèn)USB接口的1~4腳間無短路的情況下（各類常見USB接口見圖8（略），其中1—4腳不可接反，將電路板接入計(jì)算機(jī)的USB口，這時(shí)在T1072的4腳和8腳應(yīng)該可以分別測到士4~5V的電壓，并且基本相等，如不等，可以通過調(diào)整R202的值使之相等。同時(shí)測一下PIC18F2550的20腳也應(yīng)有4—5v的電壓，以上電壓隨著計(jì)算機(jī)的不同而略有差別。接入鋰電池，即可開始對電池充電。第二步安裝T1072、電壓基準(zhǔn)T1431及其周邊元件和輸入網(wǎng)絡(luò)，安裝完成后接入計(jì)算機(jī)，在輸入端接上1.5V的干電池，同時(shí)將1:5的輸入信號切換開關(guān)撥向上側(cè)，在T1072的1腳應(yīng)該可以測到與電池相等的電壓，7腳可以測到約2V的電壓。第三步將LCDOscilloscope.hex燒寫進(jìn)PIC18F2550，單片機(jī)程序可以采用icd2寫入單片機(jī)。安裝PIC18F2550及其周邊相關(guān)元件，安裝完成后，接入液晶屏，應(yīng)可看到www.sunxd.com的LOGO顯示，過3s給出波形顯示，如果沒有，可以檢查一下單片機(jī)周邊的晶振，C301、R301等，可以檢查相關(guān)的部分即可。
五、安裝使用
依據(jù)電路板設(shè)計(jì)選用外殼，右圖為裝入外殼后的情形，使用中主要的可調(diào)部分只有兩只撥動開關(guān)和四只微動開關(guān)，可以在使用中略加摸索即可上手。
使用過程中如果屏幕不亮應(yīng)首先考慮可能是需要充電了。