基于单片机的数字光标直读示波器的设计与实现

1　引　言
　　YB4365／4345数字光标直读示波器是2001年国家级重点新产品，该产品是采用单片机控制技术和双时基扫描技术的宽带示波器。该机不仅具备通用示波器的作用，还具备数字频率计和高频毫伏表等多种功能。
2　主要性能指标与特点
　　YB4365／4345数字光标直读示波器垂直偏转系数为1mV／div～5V／div，频带宽度为100MHz／40MHz，上升时间≤3．5ns／8．8ns。扫描偏转系数0．5s／div～50ns／div。扩展×10后最快扫速为5ns／div，输入阻抗为1MΩ／25P，该机的主要性能特点如下：
　 （1）屏幕显示设定状态。扫描速度、扫描延迟时间、非校准状态、垂直灵敏度等参数均可在屏幕上以字符形式显示，简化了测试操作设定状态的确定过程。
　 （2）测量数据的显示。采用电子光标卡尺，可以对光标线之间的电压（△v），光标线之间的时间（△t），光标线之间的频率（1／△t）等参数进行测量。避免对信号波形的目测、计算、换算等人工操作造成的误差。
　 （3）自动扫描速度功能设定。可自动设定最佳扫描速度（显示约2～5周期的信号波形）。并跟随输入信号自动设定扫描速度的值。
　 （4）频率计数器功能。可以直接测定A扫描触发信号频率。
　 （5）触发锁定功能。测试难于取得的扫描同步的复杂脉冲序列时，在取得扫描同步的状态下启动触发锁定功能，此后即使扫描被改变，仪器仍保持扫描同步。
　 （6）采用贴片工艺技术（SMT）和开关电源。使得该机具有体积小，重量轻、功耗低、电源适应范围宽等优点。
3　测试波形与字符同时显示的工作原理
　　图1为波形和字符显示过程。通用示波器对被测信号的测量，是通过屏幕的垂直、水平坐标刻度线和面板开关设置状态，经人工计算，才能读出被测信号的电压幅度和时间的有关参量，测量信号非常麻烦，且精度不高，测量结果常会因人而异。
　　YB4365／4345示波器是在单片机W78E58的控制下通过屏幕上的游标卡尺的测量并自动以字符方式显示测量结果，被测信号波形是采用扫描显示，字符（游标卡尺、状态设置、测试参数）采用光栅显示。光栅显示有阶梯显示和坐标显示两种，为了提高 示波器的显示速度应采用坐标显示，即对点阵中的亮点加亮显示。波形、字符分时在屏幕显示，并且规定字符显示优先。显示字符的编码放在单片机内部存贮器ROM中，编码的地址即为ROM的地址，其数据就是ROM中的数据，一个字符在ROM中占一个区域，将要用到的字符依次放入ROM中。显示过程如图1所示。图中波形a为示波器的被测信号，b为水平扫描信号，c表示字符和波形的显示过程，图形中设字符波形的显示周期为T，其中T4时间用于显示波形，而T3时间（即T3＝T—T4）则用于显示字符和波形。在T3时间内要显示字符（包括全部字符点阵的各个点）按照字符优先原则进行显示，其间隙时间仍用于显示波形。T1为点阵中一个点的显示周期。T2为显示点的有效时间，因此，在显示字符期间被测信号仍可得到断续显示。为了在显示字符期间所显示的波形不产生断续现象，要求在各个显示周期中字符点所截取的波形点各不相同。适当选择T3使T3／T1不为整数，即可获得稳定显示。
4　系统的总体结构
　　该系统的总体结构框图如图2所示，即包括Y垂直放大系统，X水平触发扫描系统，Z轴加亮系统，高低电压电源系统，单片机控制系统等。
4．1　Y垂直放大系统
　　Y垂直放大系统由垂直输入衰减电路、前置放大器、通道选择电路、垂直主放大器等组成。
　 （1）输入衰减电路采用了新型的继电器衰减开关电路，取代了传统的机械衰减开关电路。即由数字脉冲编码开关、继电器等元器件组成，该电路由单片机控制转换。量程范围为1mV／div～5V／div。由于该电路分布参数变化很小，使得被测信号的暂态特性和稳态特性都非常理想。数字脉冲编码开关使用寿命是普通机械开关的五倍以上，且操作轻巧。
　 （2）前置放大器采用了高低频交叠放大电路，该电路将被测信号的高低频分量分别放大后再叠加，10kHz以下的低频信号由LF运算放大器放大输出，10kHz以上的信号由高fT的贴片晶体管组成的HF放大器放大输出。该电路可大大降低温度引起的直流电平漂移。
　 （3）通道选择电路采用二级管门控电路，控制通道输入信号的显示，通道的选择由仪器面板上垂直工作方式开关控制。
　 （4）垂直主放大器主要供给示波管偏转所需要的电压，该放大器基本电路形式是共射共基放大和串并联负反馈放大，该机最高灵敏度为1mV／div，带宽为100MHz。而放大电路仅采用三级放大，这种情况过去很少用，由于采用贴片元器件才能做到，且放大器的单管fT都高达3kMHz以上，这样，通过提高元器件的高频特性来减少放大的级数，从而达到简化放大电路的目的。

4．2　X水平触发扫描系统
　　X水平触发扫描系统主要有触发电路、扫描电路和水平放大器组成。
　 （1）触发电路是将被测信号的同步信号放大整形，处理成TTL门信号，控制A、B扫描闸门。
　 （2）扫描电路由数字脉冲编码开关、门控电路、扫描闸门电路、充电电阻、充电电容等组成。扫描选择开关将控制信号送到单片机控制输入接口电路，由单片机控制门控电路，选通相应的量程设置，产生一个与时间成线性关系的扫描电压，送给水平放大器。A扫描电路在水平方式开关控制下，产生相关信号去启动B扫描闸门，B扫描电路受B扫描闸门控制，产生延扫描电压送水平放大器。A、B扫描控制电路根据水平方式控制开关状态，选通A和B扫描信号，或按时序交替选通。
　 （3）水平放大器就是将A、B扫描电压及字符信号无失真地馈给CRT的水平偏转板。
4．3　Z轴加亮系统
　　Z轴加亮放大器是对信号亮度和字符亮度幅度放大，可通过亮度电位器控制信号和字符辉度变化。
4．4　高、低电压电源系统
　　低压电源有＋110V、＋55V、＋12V、＋5V、－12V共5档。由于整机采用了低功耗设计和开关电源，整机功耗约40W，从而降低了整机的温升，提高了可靠性。高压电路是由直流变换电路产生约1．5kV的高压，供示波管电路工作。
4．5　单片机控制系统
　　本系统采用的单片机是台湾华邦公司生产的W78E58八位可电擦除芯片。片内含有32kBFLASHEEPROM。免去扩展外部存储器的麻烦，使得单片机控制系统更加简单。W78E58工作主频设定为12MHz，P0口与P1口为系统的地址总线和数据总线，P3口为普通输出口，输出衰减电路量程和扫描速度等控制信号。片外数据存储器采用了美国Dallas公司生产的DS12C887芯片。该芯片内含锂电池、128BRAM，其中48个单元随时采集现场信息。上电时自动调出，掉电时自动保护，保证了仪器断电后现场数据不丢失。该系统采用了三路八位梯形网络D／A转换器，D／A转换器将缓冲存储器里的数字信息转换成脉冲序列。单片机W78E58通过采样保持电路，把控制面板上所设定的状态量（垂直偏转系数、扫描偏转系数、光标卡尺、校正状态等）读入。一方面通过P3口输出调整结果，经移位寄存器转换去调整垂直系统的衰减电路的控制器（继电器）和扫描电路的控制器（模拟开关），使之和面板设定状态一致。另一方面通过读入采样结果调用显示程序模块，从存贮器字库中取出相应代码送入暂存器，当显示开关置于导通时，输出接口将程序运算结果、状态设置字符送入D／A变换器经字符放大器分别馈入Y后置放大器、X水平放大器、Z轴加亮放大器。此时所需字符即可稳定显示在屏幕上。
　　系统的软件设计采用了模块化结构，各模块都有相应的子程序完成。本系统软件分主程序、电压测量子程序、时间测量子程序、频率测量直读子程序、仪器状态设置子程序、故障检测子程序等模块。程序设计略。
5　结束语
　　YB4365／4345数字光标直读示波器研制成功后，经测试认为该机性能稳定可靠、指标精度高、操作简便、性价比高，满足了用户对该测量仪器的需求。该机已通过CE认证，并打入国际市场，具有较强的竞争力。

1　赖寿宏．微型计算机控制技术．武汉：华中理工大学出版社，1996