基于C8051F120单片机的手持示波器的硬件设计

2010-11-22黄爱蓉江学焕

湖北汽车工业学院学报 2010年1期

黄爱蓉，江学焕

（湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，湖北十堰442002）

随着数字化测试技术朝着高速度、高精度、高集成度、低功耗方向的迅速发展，使用便于携带的手持式便携数字示波器将成为一种趋势。目前，国外数字示波器仍然是市场上的主流产品。其中美国TEK公司、安捷伦、HP公司，日本岩崎等几十家制造商的产品占据着国际示波器市场的大部分份额。

目前，高性能手持示波器技术上居领先地位的是美国Tektronix公司和FLUKE公司。FLUKE的手持示波器有2类：一类基于随机采样技术，典型产品有FLUKE123；另一类基于实时采样技术，其典型产品有FLUKE190系列。Tektronix公司的高性能手持示波器产品均采用实时采样的方式实现，典型产品有THS700系列，具有示波器加万用表功能，其中THS720P还具有谐波分析功能。

近10年来，国内数字示波器技术得到了相当的发展，但总体水平还较落后，国产示波器智能化、数字化、集成化还很低。本文提出了基于C8051F120单片机的手持示波器，该示波器以C8051F120单片机为核心控制单元，以EP2C8作为系统的外围控制器，实现对系统的存储器和采集的控制。该示波器可利用键盘输入实现对垂直灵敏度和水平扫描速度的调节，采用LCD显示波形，为用户提供友好界面并实现了系统的小型化和便携式。

1 总体设计

该系统设计总体框图如图1所示，它由输入调理电路、信号采集处理电路、存储控制、采样控制、显示等组成。整个系统以C8051F120作为核心控制，完成对数据的处理及调控整个系统的运行。Aletar公司EP2C8作为系统的外围控制器，实现对系统的存储器和采集时序的控制。键盘输入实现对垂直灵敏度和水平扫描速度的调节，并采用LCD显示波形，为用户提供友好界面并实现了系统的小型化和便携式。系统采用EP2C8FFPGA系统，这充分利用FPGA的逻辑阵列和嵌入式阵列，直接将双口RAM写入到FPGA内部，这样可以免除外接RAM。FPGA控制RAM的地址线，单片机协同控制读时钟和读使能，保证在单片机读取数据的正确性，不会出现数据被覆盖的情况。

图1 系统总体设计

系统的硬件电路设计主要包括对信号输入调理电路、信号采集处理电路和人机接口电路的设计。

2 信号输入调理电路

信号输入调理电路是示波器前级重要的处理电路，目的是使被测信号能够有效不失真地传输至采集电路。调理设计主要包括输入电路和程控放大电路的设计。

2.1 输入电路的设计

输入电路如图2～3所示。输入信号经过耦合电路后到达衰减电路。

图2中开关S1处于不同位置的对应的作用如表1。图2中电阻和电容的选择是根据设计指标容许通过的最低频率选择的。接地通路的另外一个作用是便于整个系统实现校零调节。

图3所示的衰减电路中的衰减器主要由3挡组成，分别是÷1、÷2、÷20挡。其中，电容 C2 和 C3均设置为可调电容，目的是使衰减器有一定的调节范围。

图2 耦合方式电路图

图3 系统衰减电路设计图

表1 开关S1不同位置对应的作用

2.2 程控放大电路的设计

输入信号为小信号时，必须进行程控放大。信号经过程控放大电路转换为合适的幅度，以便于A/D转换器的采集。程控放大电路图如图4所示，其中的放大倍数M必须依据输入信号的最大幅度（Vimax）和 A/D 转换输入电压最大幅度（Vrmax）确定。这三者关系满足式（1）。

图4中D2、D3起钳位电压的作用。经过阻抗变换电路后的信号如果输入幅度过大，会严重影响放大器的工作性能，甚至会烧毁芯片。输入信号经过钳位电路后，峰峰值不会超过10 V。这样可以有效的保护芯片。为了避免放大倍数过大，电路自激，电路的反馈回路并连可调电容Caj进行补偿放大器。另外，控制放大倍数的开关选择的是8路模拟开关CD4051，这款芯片在导通时有100左右的导通电阻，为了保证放大倍数的正确性，利用滑动变阻器进行调节校准放大倍数。

图4 程控放大电路

3 信号采集处理电路

信号采集处理包括触发和测频电路、峰值检测电路和A/D转换器采集电路的设计。这部分是系统硬件和软件之间数据相互传输的重要途径，是整个硬件系统的核心处理电路。

3.1 触发及测频

本系统设计的外部触发方式为“边沿触发”，由高速比较器TL3016实现。比较器输入的一端通过2.5 V基准源分压得到触发参考电平，通过滑动变阻器调节分压比实现触发可调。测频电路如图5所示。由于受到比较器的性能限制，高频段500 kHz信号采用高速比较器TL3016进行整形，低频段500 kHz以下信号采用低速比较器LM311进行过零比较后输出。为提高整形效果，比较器输出均经过施密特触发器整形后送入FPGA进行等精度测频。使用触发器可以使脉冲边沿更加陡峭，进一步提高测频的精度。

图5 测频电路

3.2 峰值检测电路

峰值检测电路如图6所示，其核心是由高频检波二极管和电容组成，利用电容将信号的最大值保持下来，放电操作在开关控制下完成。本设计采用了TS5A3357模拟开关。这款模拟开关具有功耗低、导通内阻小、带宽高等特点。表2是其功能表。

图6 峰值检测电路

系统在设计时将IN2置为低电平，这样单片机只需要控制IN1便可以实现对开关的控制，从而实现了放电和充电操作。

表2 TS5A3357功能表

3.3 A/D 转换器采集电路

A/D转换器采集电路由采样/保持电路和A/D转换器电路组成。采样/保持（S/H）电路可实现对模拟信号的时间离散化，而时间离散化信号幅度的量化则由模数转换器（A/D）实现。

为保证采样输入信号的稳定，采用AD783构建采样保持电路，由FPGA控制其采样时钟，使其频率与ADC采样时钟保持同步。为满足A/D转换器单极性信号要求，需要在采样保持电路前增加一级直流偏置电路，使输入信号变为0～2 V单极性信号。

ADC器件的指标决定着手持式便携示波器的带宽、分辨率等主要技术指标。因此在选择ADC器件时必须综合考虑各种因素。ADC转换器类型很多，各有优点。在本系统中实际应用中选择的是美国德州仪器公司推出的8位高速A/D转换器TLC551O。这款转换器具有如下特性：最高转换速率可达到20 MB/S，最小转换速率10 kHz；采用了一种改进的半闪结构及CMOS工艺大大减少了器件中比较器的数量；高速转换的同时能够保持低功耗，在推进工作条件下，功耗为75 mW；高达75 MHz的模拟输入带宽以及内置的采样保持电路，适合欠采样应用；TLC5540内部还配备有标准的分压电阻，可获得2 V满刻度的参考电压。

TLC5510可广泛应用于数字电视、医学图像、视频会议、CDC扫描仪、高速数据变换以及QAM调制器等应用方面，TLC5510可以满足系统的要求。

4 人机交互接口电路

人机交互是本系统设计对外界最为直观的表现形式。本系统中的人机交互电路包含键盘扫描电路和LCD接口电路。在操作使用中，人么利用键盘可以直接输出水平扫描速度和垂直灵敏度来改变波形在LCD的显示。此处介绍一下LCD接口电路。

本系统处理数据部分采用的是中文字库128×64液晶显示，其接口电路如7所示。

图7 液晶接口电路

5 FPGA模块设计

FPGA作为数字电路设计的重要工具，主要应用于产生时基电路和对各种时序的控制。由于本系统涉及到要测量频率，所以FPGA必须和单片机进行通信，以便更好地处理测量数据。本系统中，FPGA模块的设计主要包括时基电路模块和时序控制模块2个部分。

5.1 时基电路模块

系统的时基电路结构图如图8所示。时钟信号首先进行倍频，然后进入分频模块，整个分频模块设置了6挡频率。紧接分频模块的是选择器，通过单片机按键控制选择不同的频率挡位、水平扫描时基。

图8 时基电路结构图

5.2 时序控制模块

FPGA时序控制模块包括控制A/D转换器时序、数据存储时序。FPGA对A/D转换器的控制时序主要是控制实时采样时序和顺序采样时序。FPGA对数据存储时序的控制主要是控制RAM的读写时序。RAM时序控制状态转换图如图9所示。FPGA进程条件满足时，开始对写满信号进行检测，如果写满，就对写触发检测，一旦有写触发到时，地址清零，发出未写满信号，不允许读，并启动地址计数，直至写满为止。其他情况均使地址清零，发送写满信号。