便攜式數(shù)字存儲示波器的設(shè)計(jì)

徐巧玉，李 鵬，王軍委，趙傳鋒

（河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，洛陽 471003）

示波器是電子測量中一種最常用的儀器之一[1]，主要用來測量、記錄各種瞬時或連續(xù)的信號，并以直觀的方式顯示出來。模擬示波器常用于觀測周期性信號，很難觀測到非周期性的單次脈沖信號。而數(shù)字存儲示波器能夠長期存儲波形信號，便于觀測單次過程和緩變信號。

傳統(tǒng)的數(shù)字示波器具有體積大、笨重、成本高等缺點(diǎn)，現(xiàn)場測試和戶外檢測極其不便。便攜式數(shù)字存儲示波器具有體積小、使用靈活、便攜等優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)示波器在現(xiàn)場測試和戶外檢測的不便。目前，國外便攜式數(shù)字存儲示波器的主要生產(chǎn)商有Fluke、Metix、Svmmit等，國內(nèi)有廈門利利普科技有限公司、漳州東方電子有限公司等，但由于價格貴，不利于推廣，因此為了適應(yīng)市場亟需開發(fā)研究一款既便宜又小巧實(shí)用的示波器。

文中設(shè)計(jì)了一種基于STM32和FPGA的便攜式數(shù)字儲存示波器，該系統(tǒng)具有250 MSPS實(shí)時采樣率、100MHz模擬帶寬、9 KB的存儲深度、垂直分辨率為 8 bit、2mV～5 V 的垂直靈敏度、1 ns～1 s的時基范圍以及邊沿觸發(fā)的雙通道數(shù)據(jù)采集功能。目前已投入生產(chǎn)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

便攜式數(shù)字存儲示波器的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由電源模塊、預(yù)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、觸發(fā)電路、觸摸電路、LCD顯示、SSD1963芯片、FPGA（EP4CE6E144） 芯片、STM32F407T6V6 等組成。STM32作為整體系統(tǒng)的控制核心，F(xiàn)PGA作為數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理模塊，實(shí)現(xiàn)對外圍輸入模擬信號的采樣，對采樣的信號進(jìn)行處理，對波形參數(shù)的計(jì)算等[2]。通道1與通道2功能完全相同，被測信號首先經(jīng)過通道1或通道2進(jìn)入示波器的預(yù)處理電路，觸發(fā)電路觸發(fā)后由AD9481芯片對外圍輸入的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，F(xiàn)PGA內(nèi)部的FIFO負(fù)責(zé)數(shù)字信號的傳輸，其具有對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和緩存的作用，STM32微處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并控制SSD1963芯片驅(qū)動4.3寸液晶屏顯示被測信號。STM32外接FLASH實(shí)現(xiàn)存儲程序代碼、字庫和需要保存的波形數(shù)據(jù)等。STM32外接ADS7843使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)觸摸功能。

圖1 便攜式數(shù)字存儲示波器的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Over structure of the portable digital storage oscilloscope

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 電源模塊

該示波器采用內(nèi)部電池和外部USB接口兩種供電方式工作。內(nèi)部電池采用鋰電池，具有能量密度高、體積小、容量大和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。充電管理模塊[3]采用LTC4054ES充電芯片，該芯片是可編程的獨(dú)立的線性鋰電池充電器，鋰電池可通過USB接口直接進(jìn)行充電。內(nèi)部電池供電和外部USB供電這兩種供電方式可通過STM32控制電子繼電器SW進(jìn)行自由切換。電源選擇接口電路如圖2所示，當(dāng)SW斷開時，可通過外部USB接口為本系統(tǒng)供電，同時可對內(nèi)部電池進(jìn)行充電，當(dāng)SW閉合且Q1導(dǎo)通時，可由內(nèi)部鋰電池為系統(tǒng)供電。

圖2 電源選擇接口電路Fig.2 Power selection interface circuit

2.2 預(yù)處理電路

預(yù)處理電路的結(jié)構(gòu)主要由AC/DC耦合切換、衰減電路ATT、程控增益放大VGA及偏置調(diào)節(jié)等組成。被測信號經(jīng)過通道1或通道2進(jìn)入示波器的預(yù)處理電路即模擬通道，首先通過繼電器的開關(guān)對輸入信號進(jìn)行選擇，選擇直流信號或交流信號；然后再由衰減電路ATT（由繼電器控制完成10倍或100倍衰減）和程控增益放大VGA對信號進(jìn)行衰減或放大等處理（信號過小則放大，反之則衰減），使輸入信號在A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入范圍內(nèi)，模擬信號不能過大也不能過小，模擬信號過大可能會損壞ADC，過小則不能充分利用ADC的分辨率[4]。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換器是波形采集的關(guān)鍵部件，它決定了示波器的存儲帶寬、垂直分辨率、最大取樣速率等多項(xiàng)指標(biāo)[5]。模擬信號和數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換由A/D轉(zhuǎn)換器完成，為了實(shí)現(xiàn)示波器具有250MSPS的采樣率及100 M模擬帶寬的標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)采用AD9481轉(zhuǎn)換芯片。

AD9481是ADI公司推出的雙8位單片模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由一個跟蹤/保持放大器、一個A/D變換器、一個邏輯控制器、一個時鐘模塊、一個內(nèi)部參考電壓模塊和兩個數(shù)據(jù)輸出模塊組成。AD9481的最高轉(zhuǎn)換速率為250MSPS，其具有轉(zhuǎn)換速率高、功耗低、小尺寸等優(yōu)點(diǎn)，它有內(nèi)部基準(zhǔn)和跟蹤/保持電路，用戶只需提供3.3 V電源盒差分時鐘，無需外基準(zhǔn)或驅(qū)動元件。AD9481的數(shù)字輸出與TTL/MOS兼容，并可選用偏移二進(jìn)制碼或二進(jìn)制補(bǔ)碼，具有良好的線性和動態(tài)性能，方便與FPGA芯片連接[6]。

AD9481操作時序圖中[7]，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在數(shù)據(jù)同步（DS）建立以后開始，在時鐘脈沖信號的控制下完成。當(dāng)信號輸入后，信號會經(jīng)跟蹤/保持電路送往A/D變換器，此時，若DS+為高電平（DS-為低電平），則A/D變換器不會進(jìn)行采樣量化編碼，數(shù)據(jù)和時鐘輸出無效；若DS+信號位于要求的同步建立時間內(nèi)，且在時鐘脈沖上升沿之前由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，則數(shù)據(jù)同步建立，A/D轉(zhuǎn)換器開始工作。當(dāng)時鐘脈沖上升沿到來后，A/D變換器將對該時刻的信號值（記為第N點(diǎn)）進(jìn)行采樣量化編碼，并于8個脈沖之后從AD9481的A通道輸出；當(dāng)下一個時鐘脈沖的上升沿到來后，再對下一個時刻信號（記為第N+1點(diǎn)）值采樣量化編碼，同樣于8個脈沖之后從通道B輸出。這樣AD9481就實(shí)現(xiàn)了對模擬信號的數(shù)字化。

2.4 觸發(fā)電路

觸發(fā)電路是DSO和其它信號采集系統(tǒng)的重要功能電路。觸發(fā)電路的接口電路如圖3所示，比較器是示波器的一個重點(diǎn)電路，系統(tǒng)何時開始采樣大部分都取決于這個比較器。比較器選用LMV7235M5，比較器的兩個輸入分別加載示波器波形和直流電平TRIG_DC。示波器波形先經(jīng)過LMH6643MA再加載到比較器上，LMH6643MA起隔離和增加驅(qū)動能力的作用，直流電平TRIG_DC是由STM32經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到的一個直流模擬信號，它可以正負(fù)調(diào)節(jié)，該示波器的觸發(fā)電平的調(diào)節(jié)就是通過調(diào)節(jié)這個直流電平實(shí)現(xiàn)的。在運(yùn)算放大器中，正反饋是不穩(wěn)定的，但是文中通過電阻R2實(shí)現(xiàn)了一個正反饋，來達(dá)到一個遲滯的效果，在比較電平中實(shí)現(xiàn)了一個遲滯電壓。如果沒有正反饋電路，當(dāng)示波器測量低頻吸納后（如10 Hz）的正弦波時，會發(fā)生抖動的現(xiàn)象，而且速度越快的比較器，抖動的越厲害。示波器波形與直流電平相比較，輸出一個數(shù)字信號（高電平或低電平）進(jìn)入FPGA，實(shí)現(xiàn)上升沿或下降沿的觸發(fā)，完成采樣控制，同時利用比較器的滯回特性消除抖動的影響。

圖3 觸發(fā)電路的接口電路Fig.3 Interface circuit of the trigger circuit

2.5 觸摸電路及LCD顯示

該示波器的所有功能都基于觸摸屏完成，觸摸電路在該系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。系統(tǒng)采用4.3寸電阻式觸摸屏作為示波器顯示界面的硬件平臺，電阻屏靈敏，輕輕觸摸即可觸發(fā)對應(yīng)的功能。采用ADS7843觸摸芯片作為觸摸屏的驅(qū)動芯片，ADS7843是一個內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換、低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)的串行接口芯片，并通過SPI總線方式與STM32連接。

采用SSD1963芯片驅(qū)動LCD顯示，SSD1963是一塊內(nèi)置1215 KB顯存，最大支持864*480*24位的LCD驅(qū)動芯片，它支持多種MCU接口。MCU接口可以是8位、16位、8080總線或6800總線模式。STM32提供FSMC總線接口與SSD1963搭配，驅(qū)動大屏幕速度要比模擬總線要快[8]。

LCD主要顯示CH1通道或CH2通道的波形、頻率、峰峰值、平均值、伏擊（每格電壓值）、時基（每格時間）和數(shù)字存儲示波器的標(biāo)題等。該數(shù)字存儲示波器中有波形上下移動、伏擊修改、時基修改等功能，這些功能分別對應(yīng)不同的觸摸按鍵。如果觸摸CH1通道顯示波形上移按鍵，CH1通道顯示的波形將上移，如果超過波形顯示區(qū)域，則超出部分將不顯示。波形下移時能夠達(dá)到同樣的效果。伏擊有2mV、5mV、10mV、20mV、50mV、100mV、200mV、500mV、1 V、2 V、5 V等11個檔位，觸摸伏擊的增加或減少按鍵在各個伏擊之間進(jìn)行切換。

3 實(shí)驗(yàn)測試

3.1 波形測試

對研制的樣機(jī)進(jìn)行測試，圖4和圖5是樣機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)示波器分別測量峰峰值和頻率為5 V、10 kHz的交流正弦波信號。

圖4 測量對比圖Fig.4 Measuring contrast figure

圖5 示波器界面圖Fig.5 Oscilloscope interface figure

3.2 垂直靈敏度測試

選擇正弦波信號，頻率為10 kHz，垂直靈敏度為0.1 v/div和1 v/div的測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 垂直靈敏度測試誤差表Tab.1 Vertical sensitivity test table error

通過垂直靈敏度測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的垂直靈敏度在0.1 v/div～1 v/div可準(zhǔn)確測量0 V～8 V的模擬信號，且誤差控制在0.05%～2.00%之間，在允許范圍之內(nèi)。

3.3 掃描速度測試

選擇正弦波信號，幅度為1 V，掃描速度為0.2 μs/div、0.2ms/div和0.2 s/div的測試數(shù)據(jù)如表2所示（0.2 s/div時時基過大，觸發(fā)采樣失敗，利用掃描采樣，依然能測量到波形的數(shù)據(jù)）。

表2 掃描速度測試誤差表Tab.2 Scanning speed test table error

通過掃描速度測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的掃描速度在 0.2μs/div～0.2 s/div可準(zhǔn)確測量 3000 Hz～5000 Hz的模擬信號，且誤差控制在0.00%～4.50%之間，在允許范圍之內(nèi)。

3.4 波形數(shù)據(jù)儲存測試

經(jīng)測試，當(dāng)需要儲存波形數(shù)據(jù)時可點(diǎn)擊觸摸屏上的“波形存儲”按鍵，波形數(shù)據(jù)就被儲存在Flash中，當(dāng)需要回放儲存的波形時可通過點(diǎn)擊“波形回放”按鍵，調(diào)出相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)，在顯示屏上顯示，輸出波形穩(wěn)定，沒有明顯失真，完成了波形數(shù)據(jù)到Flash儲存及波形數(shù)據(jù)的回放。

4 結(jié)語

文中基于STM32和FPGA進(jìn)行便攜式數(shù)字存儲示波器的設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)示波器在各種現(xiàn)場測試中的不便等問題。此系統(tǒng)完成后，測試表明該示波器能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)示波器的基本功能，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 張晨風(fēng).基于ARM平臺的數(shù)字示波器系統(tǒng)監(jiān)控軟件研究[D].電子科技大學(xué)，2006.

[2] 任慶.電子測量原理[M].四川：電子科技大學(xué)出版社，2006.

[3] 武莉，李濟(jì)順，張洛平.基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].河南科技大學(xué)學(xué)報，2003（2）：21-24.

[4] 馮國楠，張鵬云.基于FPGA的數(shù)字存儲示波表[J].河北工業(yè)科技，2010，27（6）：490-491.

[5] 溫鈞明，張鵬云，和志強(qiáng).基于DSP的數(shù)字存儲示波器設(shè)計(jì)[J].河北工業(yè)科技，2012，29（6）：474-475.

[6] AD9481 datasheet.8-Bit，250MSPS 3.3V A/D Converter[Z]，2009.

[7] 8b，250MSPS，3.3V，A/D，Converter AD9481[Z].Analog Devices，Inc，2004.

[8] SSD1963中文資料[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/d0dc12 ccaa00b52acfc7ca1a.htm l. ■