便携式数字存储示波器的设计

2014-03-10徐巧玉王军委赵传锋

自动化与仪表 2014年4期

徐巧玉，李鹏，王军委，赵传锋

（河南科技大学机电工程学院，洛阳 471003）

示波器是电子测量中一种最常用的仪器之一[1]，主要用来测量、记录各种瞬时或连续的信号，并以直观的方式显示出来。模拟示波器常用于观测周期性信号，很难观测到非周期性的单次脉冲信号。而数字存储示波器能够长期存储波形信号，便于观测单次过程和缓变信号。

传统的数字示波器具有体积大、笨重、成本高等缺点，现场测试和户外检测极其不便。便携式数字存储示波器具有体积小、使用灵活、便携等优点，解决了传统示波器在现场测试和户外检测的不便。目前，国外便携式数字存储示波器的主要生产商有Fluke、Metix、Svmmit等，国内有厦门利利普科技有限公司、漳州东方电子有限公司等，但由于价格贵，不利于推广，因此为了适应市场亟需开发研究一款既便宜又小巧实用的示波器。

文中设计了一种基于STM32和FPGA的便携式数字储存示波器，该系统具有250 MSPS实时采样率、100MHz模拟带宽、9 KB的存储深度、垂直分辨率为 8 bit、2mV～5 V 的垂直灵敏度、1 ns～1 s的时基范围以及边沿触发的双通道数据采集功能。目前已投入生产。

1 总体方案设计

便携式数字存储示波器的总体结构如图1所示，它主要由电源模块、预处理电路、A/D转换电路、触发电路、触摸电路、LCD显示、SSD1963芯片、FPGA（EP4CE6E144）芯片、STM32F407T6V6 等组成。STM32作为整体系统的控制核心，FPGA作为数据采集和预处理模块，实现对外围输入模拟信号的采样，对采样的信号进行处理，对波形参数的计算等[2]。通道1与通道2功能完全相同，被测信号首先经过通道1或通道2进入示波器的预处理电路，触发电路触发后由AD9481芯片对外围输入的模拟信号进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号，FPGA内部的FIFO负责数字信号的传输，其具有对数据进行预处理和缓存的作用，STM32微处理器对数据进行处理并控制SSD1963芯片驱动4.3寸液晶屏显示被测信号。STM32外接FLASH实现存储程序代码、字库和需要保存的波形数据等。STM32外接ADS7843使系统实现触摸功能。

图1 便携式数字存储示波器的总体结构Fig.1 Over structure of the portable digital storage oscilloscope

2 系统硬件电路设计及实现

2.1 电源模块

该示波器采用内部电池和外部USB接口两种供电方式工作。内部电池采用锂电池，具有能量密度高、体积小、容量大和无记忆效应等优点。充电管理模块[3]采用LTC4054ES充电芯片，该芯片是可编程的独立的线性锂电池充电器，锂电池可通过USB接口直接进行充电。内部电池供电和外部USB供电这两种供电方式可通过STM32控制电子继电器SW进行自由切换。电源选择接口电路如图2所示，当SW断开时，可通过外部USB接口为本系统供电，同时可对内部电池进行充电，当SW闭合且Q1导通时，可由内部锂电池为系统供电。

图2 电源选择接口电路Fig.2 Power selection interface circuit

2.2 预处理电路

预处理电路的结构主要由AC/DC耦合切换、衰减电路ATT、程控增益放大VGA及偏置调节等组成。被测信号经过通道1或通道2进入示波器的预处理电路即模拟通道，首先通过继电器的开关对输入信号进行选择，选择直流信号或交流信号；然后再由衰减电路ATT（由继电器控制完成10倍或100倍衰减）和程控增益放大VGA对信号进行衰减或放大等处理（信号过小则放大，反之则衰减），使输入信号在A/D转换芯片的输入范围内，模拟信号不能过大也不能过小，模拟信号过大可能会损坏ADC，过小则不能充分利用ADC的分辨率[4]。

2.3 A/D转换

A/D转换器是波形采集的关键部件，它决定了示波器的存储带宽、垂直分辨率、最大取样速率等多项指标[5]。模拟信号和数字信号之间的转换由A/D转换器完成，为了实现示波器具有250MSPS的采样率及100 M模拟带宽的标准，本系统采用AD9481转换芯片。

AD9481是ADI公司推出的双8位单片模数转换器，由一个跟踪/保持放大器、一个A/D变换器、一个逻辑控制器、一个时钟模块、一个内部参考电压模块和两个数据输出模块组成。AD9481的最高转换速率为250MSPS，其具有转换速率高、功耗低、小尺寸等优点，它有内部基准和跟踪/保持电路，用户只需提供3.3 V电源盒差分时钟，无需外基准或驱动元件。AD9481的数字输出与TTL/MOS兼容，并可选用偏移二进制码或二进制补码，具有良好的线性和动态性能，方便与FPGA芯片连接[6]。

AD9481操作时序图中[7]，数据转换在数据同步（DS）建立以后开始，在时钟脉冲信号的控制下完成。当信号输入后，信号会经跟踪/保持电路送往A/D变换器，此时，若DS+为高电平（DS-为低电平），则A/D变换器不会进行采样量化编码，数据和时钟输出无效；若DS+信号位于要求的同步建立时间内，且在时钟脉冲上升沿之前由高电平转变为低电平，则数据同步建立，A/D转换器开始工作。当时钟脉冲上升沿到来后，A/D变换器将对该时刻的信号值（记为第N点）进行采样量化编码，并于8个脉冲之后从AD9481的A通道输出；当下一个时钟脉冲的上升沿到来后，再对下一个时刻信号（记为第N+1点）值采样量化编码，同样于8个脉冲之后从通道B输出。这样AD9481就实现了对模拟信号的数字化。

2.4 触发电路

触发电路是DSO和其它信号采集系统的重要功能电路。触发电路的接口电路如图3所示，比较器是示波器的一个重点电路，系统何时开始采样大部分都取决于这个比较器。比较器选用LMV7235M5，比较器的两个输入分别加载示波器波形和直流电平TRIG_DC。示波器波形先经过LMH6643MA再加载到比较器上，LMH6643MA起隔离和增加驱动能力的作用，直流电平TRIG_DC是由STM32经D/A转换后得到的一个直流模拟信号，它可以正负调节，该示波器的触发电平的调节就是通过调节这个直流电平实现的。在运算放大器中，正反馈是不稳定的，但是文中通过电阻R2实现了一个正反馈，来达到一个迟滞的效果，在比较电平中实现了一个迟滞电压。如果没有正反馈电路，当示波器测量低频吸纳后（如10 Hz）的正弦波时，会发生抖动的现象，而且速度越快的比较器，抖动的越厉害。示波器波形与直流电平相比较，输出一个数字信号（高电平或低电平）进入FPGA，实现上升沿或下降沿的触发，完成采样控制，同时利用比较器的滞回特性消除抖动的影响。

图3 触发电路的接口电路Fig.3 Interface circuit of the trigger circuit

2.5 触摸电路及LCD显示

该示波器的所有功能都基于触摸屏完成，触摸电路在该系统中发挥着至关重要的作用。系统采用4.3寸电阻式触摸屏作为示波器显示界面的硬件平台，电阻屏灵敏，轻轻触摸即可触发对应的功能。采用ADS7843触摸芯片作为触摸屏的驱动芯片，ADS7843是一个内置12位模数转换、低导通电阻模拟开关的串行接口芯片，并通过SPI总线方式与STM32连接。

采用SSD1963芯片驱动LCD显示，SSD1963是一块内置1215 KB显存，最大支持864*480*24位的LCD驱动芯片，它支持多种MCU接口。MCU接口可以是8位、16位、8080总线或6800总线模式。STM32提供FSMC总线接口与SSD1963搭配，驱动大屏幕速度要比模拟总线要快[8]。

LCD主要显示CH1通道或CH2通道的波形、频率、峰峰值、平均值、伏击（每格电压值）、时基（每格时间）和数字存储示波器的标题等。该数字存储示波器中有波形上下移动、伏击修改、时基修改等功能，这些功能分别对应不同的触摸按键。如果触摸CH1通道显示波形上移按键，CH1通道显示的波形将上移，如果超过波形显示区域，则超出部分将不显示。波形下移时能够达到同样的效果。伏击有2mV、5mV、10mV、20mV、50mV、100mV、200mV、500mV、1 V、2 V、5 V等11个档位，触摸伏击的增加或减少按键在各个伏击之间进行切换。