用單片機PIC18F2550設計示波器

一、性能指標
(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，使用計算機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±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的電源，由于可充電鋰電池內(nèi)置了保護芯片，所以充電電路僅使用了R302一只15Ω的限流電阻構成簡易充電電路，經(jīng)過一個月的試用，情況良好，充滿電后本機可以連續(xù)工作2個小時，一般情況下本機都是間斷使用，可以工作很長的時間。電量降低到一定的時候，由于電池內(nèi)置保護電路的作用，本機自動斷電。由于鋰電基本上沒有記憶效應，所以可隨時將USB電纜的一端插入本機，另一端插入普通PC機的任意一個USB口，為本機充電，充滿自停。運放所需的負電源由一片34063及周邊電路構成，提供-4.2V電源給運放使用。
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，由于信號輸入電壓分±2.5V，±12.5V兩檔可調(diào)，所以本機未設交直流切換電路。
3．信號整理電路
T1072中的兩級運放及周邊電路完成信號整理工作，其中一級運放完成輸入阻抗轉(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
本機的核心是一片PIC18F2550單片機，PIC18F2550是一款采用納瓦技術的28引腳RAM,256強型閃存USB單片機，擁有32KB閃存，2KBRAM，256字節(jié)EEPROM,3個外部中斷，4個定時器模塊(Timer0到Timer3),2Mb/s)數(shù)據(jù)傳輸，支持控制、中斷、等時和批量數(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構成的電壓基準構成，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的圖形點陣液晶模塊，這是一片帶有SPI串型接口的黑白點陣液晶。
模塊通過7針接口與單片機通信，由于本機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，本機只使用了單片機PB口的PBO～PB3共4個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l×2的撥動開關，其他功能通過4個接在單片機PB4-PB7引腳上的微動開關完成，所有按鍵均為循環(huán)功能鍵，第一個按鍵為觸發(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，當然，當量程開關在±12.5V檔時觸發(fā)電平可以從+12.5～12.5V間變化；第三個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個按鍵為波形快照鍵，按下此鍵畫面顯示凍結，方便仔細觀察波形，再次按動此鍵，重新開始采樣。

三、軟件設計
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)顯示三個主要功能。按鍵處理采用中斷方式，同時去抖動；數(shù)據(jù)采樣采用了內(nèi)部時鐘作為采樣率控制；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提高顯示速度，即一個緩存寫入數(shù)據(jù)的同時，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的計算能力，自動計算出信號頻率、平均值、最大值、最小值等參數(shù)，其中頻率的計算可以通過信號通過平均值的次數(shù)，同時考慮當時的采樣率即可計算得出；其他值的計算均為簡單的算數(shù)運算，不過其中要用到浮點數(shù)，幸好編譯器為我們提供了浮點函數(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，同時注意布線盡量短捷以減少自激的可能，上圖（略）為一種設計供參考：

圖中的BNC插座用于接入標準示波器探頭，也可以自制簡易探頭，中圖中的探頭就是筆者使用標準BNC插頭加上一個從舊萬用表筆中拆出的探針組裝了一個探頭，這樣手持示波器即可對電路進行測量，下圖為插頭內(nèi)部構造照片。左上邊的撥動開關用于1:5衰減切換，左下邊的撥動開關為電源開關，右上側為USB接口，用于對內(nèi)置鋰電池進行充電，右邊的微動開關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，同時要注意輸入信號的地線要與其他地線分開并一點接地。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，將電路板接入計算機的USB口，這時在T1072的4腳和8腳應該可以分別測到士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。同時測一下PIC18F2550的20腳也應有4—5v的電壓，以上電壓隨著計算機的不同而略有差別。接入鋰電池，即可開始對電池充電。第二步安裝T1072、電壓基準T1431及其周邊元件和輸入網(wǎng)絡，安裝完成后接入計算機，在輸入端接上1.5V的干電池，同時將1:5的輸入信號切換開關撥向上側，在T1072的1腳應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PIC18F2550，單片機程序可以采用icd2寫入單片機。安裝PIC18F2550及其周邊相關元件，安裝完成后，接入液晶屏，應可看到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周邊的晶振，C301、R301等，可以檢查相關的部分即可。
五、安裝使用
依據(jù)電路板設計選用外殼，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和四只微動開關，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首先考慮可能是需要充電了。