基于USB的虛擬示波器設(shè)計

宋國林　周偉　薛迪杰

摘要：本文介紹一款USB接口的虛擬示波器的設(shè)計方案，重點介紹了采用MICROCHIP公司單片機PIC18F2550制作的USB虛擬示波器。 PIC18F2550是一款采用納瓦技術(shù)的28引腳高性能增強型閃存USB單片機，非常適合做簡易虛擬示波器。本示波器與其他示波器比較，最大的特點是可以定量地給出信號的各種參量，比如最大、最小值和頻率等，特別適合于學校教學實驗以及無線電愛好者日常制作的需求。在學校教學中可以直連投影機，使全體學生都可以遠距離看到信號波形的演示。

關(guān)鍵詞：USB PIC18F2550 虛擬示波器

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0167-02

1 引言

智能儀器（VI）是計算機技術(shù)向測量儀器移植的產(chǎn)物，是含有微計算機或微處理器的測量儀器。由于它擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能，因而被稱之為智能儀器。自從“智能儀器”概念產(chǎn)生以來，智能儀器在測量過程自動化、測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理及一機多用（多功能化）等方面已經(jīng)取得了巨大的進展?？梢哉f，在高準確度、高性能、多功能的測量中都采用智能儀器。

示波器是電子測量行業(yè)最常用的測量儀器之一，主要用來測量并顯示被測信號的參數(shù)和波形，在科學研究、科學實驗以及現(xiàn)場監(jiān)測等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。隨著科學研究的不斷深入和各種高新技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)示波器的許多缺陷諸如測量不方便、波形處理簡單、不便于攜帶等逐漸顯露出來，越來越不能滿足現(xiàn)代應(yīng)用的需要。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的人把測量儀器設(shè)計的眼光投向虛擬儀器的開發(fā)設(shè)計上。虛擬儀器以其軟硬結(jié)合，體積小，攜帶方便，價格低廉等優(yōu)勢受到更多測量從業(yè)者及愛好者的青睞，并且能夠利用模塊化硬件結(jié)合軟件來完成各種測試、測量和自動化等應(yīng)用。靈活高效的軟件能創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應(yīng)用的需求。

2 設(shè)計方案

本設(shè)計采用了基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上的虛擬儀器系統(tǒng)組建方案來實現(xiàn)虛擬示波器的功能，使用功能強大的微型計算機來完成信號的處理和波形的顯示，并且利用軟件技術(shù)在屏幕上設(shè)計出逼真的儀器面板，來進行各種信號的處理、加工和分析，用各種不同的方式（如數(shù)據(jù)、圖形、圖表等）表示測量結(jié)果，完成各種規(guī)模的測量任務(wù)。當前流行的是基于USB接口的虛擬示波器。這種設(shè)計不用擔心熱插撥可能給計算機帶來的損害，無需額外提供電源。本文采用MICROCHIP公司的USB單片機PIC18F2550來制作虛擬示波器。PIC18F2550是一款采用納瓦技術(shù)的28引腳高性能增強型閃存USB單片機，擁有32KB閃存，2KB RAM，256字節(jié)EEPROM，3個外部中斷，4個定時器模塊（Timer0 到Timer3），2個捕捉/ 比較/PWM （CCP）模塊，其USB接口兼容USB V2.0，支持低速（1.5 Mbit/s）和全速（12 Mbit/s）數(shù)據(jù)傳輸，支持控制、中斷、計時和批量數(shù)據(jù)傳輸模式，特別是內(nèi)置有10路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器非常適合用于虛擬示波器。本示波器與其他示波器比較，最大的特點是可以定量地給出各種參量，比如最大、最小值和頻率等，無需使用者再去數(shù)格子，然后還要計算。因此，特別適合于學校教學實驗以及無線電愛好者日常制作的需求。在學校教學中可以直連投影機，使全體學生都可以遠距離看到信號波形的演示。

本設(shè)計支持直流測量，可以定量測量信號，其中主要技術(shù)指標如下：

（1）采樣頻率：323.53kHz、100kHz、50kHz、20kHz、10kHz、5kHz、2kHz、1kHz 8擋可調(diào)。

（2）最高輸入電壓分兩擋：±2.5V，±12.5V，如果接入10：1示波器探棒，最大輸入電壓可達±125V。

（3）輸入阻抗：1MΩ。

（4）供電電壓：無需外部供電，直接從PC機的USB接口取電。

（5）觸發(fā)范圍：0%～100%。

（6）接口：USB接口。

3 硬件設(shè)計

硬件電路設(shè)計如圖1所示，從圖中可以看出電路的輸入信號調(diào)理部分和信號轉(zhuǎn)換部分與并口示波器相同，R11、R12、R13、R14、C19、C20和C21構(gòu)成輸入交直流切換和衰減網(wǎng)絡(luò)，提供交直流輸入切換和1：1、1：5的輸入信號切換功能。TL074中的一個運放U1A和其周邊原件構(gòu)成一個跟隨放大器，提供了輸入保護和阻抗轉(zhuǎn)換功能；TL074中的另一個運放U1B構(gòu)成一個正相放大器，提供-2.5V～+2.5V 向0～2.5V的轉(zhuǎn)換功能；同時依據(jù)實際操作的經(jīng)驗，取消了不實用的外觸發(fā)部分，簡化了電路。電路的主體部分以PIC18F2550為核心，PIC18F2550與周邊電路共同構(gòu)成了模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣和USB接口部分，其中TL431和接在其陰極的680Ω電阻構(gòu)成了一個2.5V電壓基準，供單片機作為模數(shù)轉(zhuǎn)換和運放電平轉(zhuǎn)換的電壓基準。由于USB僅能提供5V電源，不能滿足前兩級運放的工作條件，為此采用一片34063構(gòu)成了5V～-5V的轉(zhuǎn)換電路供運放使用。

4 設(shè)計調(diào)試

本設(shè)計軟件程序采用的是USBScope。USBScope Basic 具有雙頻道示波器操作模式，可進行標志（marker）測量、觸發(fā)（含絕對式、差動式與外部式）及可調(diào)整的預觸發(fā)（pretrigger）、信號電壓及頻率測量、濾波（filtering）等。在調(diào)試時可以不用外加電源，只需使用 USB接口即可完全解決所有傳統(tǒng)儀器的不便。調(diào)試方法即用虛擬示波器測量信號發(fā)生器輸出信號的各個參量及波形，調(diào)試過程中如圖2、圖3、圖4所示。

通過測試，本設(shè)計不但可以顯示方波、三角波、正弦波等常用波形，還可以通過菜單進行波形幅度、頻率、周期等參數(shù)的測量。另外，還可以軟件功能方便地進行存儲或調(diào)用波形、個性化設(shè)置界面等操作。

參考文獻

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