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自制低成本USB接口虚拟示波器

[日期:2011-12-14] 来源:  作者: [字体: ]

  采用MICROChip公司的USB单片机PICl8F255O制作一个USB接口的虚拟示波器,PICl8F255O是一款采用纳瓦技术的28引脚高性能增强型闪存USB单片机,拥有32KB闪存,2I{BRAM,256字节EEPROM,3个外部中断,4个;芝时器模块(TimerO到Timer3),2个捕捉/比较/PWM(CCP)模块,其USB接口兼容USBV2.0,支持低速(1.5Mbit/s)和全速(l2Mbit/s)数据传输,支持控制、中断、等时和批量数据传输模式,特别是内置有10路10位模数转换器,非常适合做简易虚拟示波器。

 

  PlCl8F255O的数据手册可到www.microchip.com.cn下、载。

  本示波器与常见的示波器比较,最大的特点是可以定量地结出信号的各种参量,比如最大、最小值和频率等,无需使用者再去数格子,然后还要计算。当前市面上的USB接口虚拟示波器最便宜的也要1200元以上,而本示波的成本基本可以控制在100元左右,其中不包括示波器探棒,特别适合于学校教学实验以及无线电爱好者日常制作的需求,在学校教学中可以直联投影机,使全体学生都可以远距离看到信号波形的演示。

  性能指标

  这里介绍的示波器采样频率比并口示波器略高,同样支持直流獭量,可以定量测量信号,主要技术指标如下:

  采样频率:323.53KHz、lOOkHz、50kHz, 20kHz, 10kHz, 5kHz, 2kHz,lkHz 8挡可调,本机测量的信号频率应在70kHz以下。

  最高输入电压分两挡:± 2.5V,±12.5V,如果接入10:1 示波器探棒,最大输入电压可达± l25V。

  输入阻抗:1MΩ。

  供电电压:无需外部供电,直接从PC机的USB 口取电。

  触发范围:0%一 100%。

  接口:USB接口。

  下图所示分别为2.4576MHz晶振128分频后19.2kHz方波和50Hz

  市电显示情况:

  电路原理电原理图见下图,从图中可以看出电路的输入信号调理部分和信号转换部分与并口示波器相同,R1O、R11、Rl2、Rl3、Rl4、Cl9、C20和C21构成输入交直流切换和衰减网络,提供交直流输入切换和1:1、1:5的输入信号切换功能;TLO74中的一个运放U1A和其周边元件构成一个跟随放大器,提供了输入保护和阻抗转换功能;TLO74中的另一个运放U1B构成一个正相放大器,提供-2.5V一+2.5V向0-2.5V的转换功能,同时依据实际操作的经验,取消了不实用的外触发部分,简化了电路。电路的主体部分以PICl8F255O为核心,PICl8F255O与周边电路共同构成了模数转换采样和USB接口部分,其中TL431和接在其阴极的200Ω电阻构成了一个2.5V电压基准,供单片机作为模数转换和运放电平转换的电压基准。由于USB仅能提供5V电源,不能满足前两级运放的工作条件,为此采用一片34063构成了5V~一5V的转换电路供运放使用。

  制作调试读者可以根据自己能找到的外壳的实际情况参照电原理图自行设计印制电路板,下图(左)为笔者在单面PCB上安装完成的电路板,布局与并口示波器基本相同。下图(右)为使用工业标准外壳组装完成后的照片。

  插座用于接入标准示波器探头,也可以自制简易探头,下图中的探头就是笔者使用标准BNC插头加上一个从旧万用表笔中拆出的探针组装了一个探头,这样手持示波器即可对电路进行测量,图6为插头内部构造照片。

  左边的拨动开关用于直流、交流输入转换,右边的拨动开关用于 1:5衰减切换,右上侧为 USB接口,图中的两个跳线主要是用于减小地线电阻,以减小干扰,不接也可。读者在制作过程中要注意尽量减少地线的长度,同时要注意输入信号的地线要与其他地线分开并一点接地。

  制作过程分三步,第一步安装好USB插座和DC-DC转换部分,在使用万用表确认USB接口的卜4脚间无短路的情况下 (各类常见USB接口见下图,其中卜4脚不可接反,2-3脚如果接反,计算机会给出“不可识别的设备”提示),将电路板接人计算机的USB 口,这时在TLO74的4脚和11脚应该可以分别测到± 4V-5V的电压,并且基本相等,如不等,可以通过调整R202的值使之相等。同时测一下PICl8F255O的20脚也应有4V-5V的电压,以上电压随着计算机的不同而略有差别。第二步安装TLO74、电压基准TL431及其周边元件和输入网络,安装完成后接人计算机,在输入端接上1.5V 的干电池,同时将交直流输人切换和 1:5的输入信号切换开关拨向左侧,在TLO74的 1 脚应该可以测到与电池相等的电压,7脚可以测到约2V的电压。第三步将本期所附光盘中的USBOscilloscope.hex烧写进PICl8F255O,单片机程序可以采用icd2写入单片机。安装PICl8F255O及其周边相关元件,安装完成后接人计算机,这时计算机应该能够识别这一设备,设备名称为www.sunxd.com的人体学输入设备,如果不能识别可着重检查USB接口的2-3脚是否接反和晶振电路,运行USBScope.exe,选择工具栏中的开始按钮 (播放)即可看到输入的波形。如果以上各步骤出现问题,可以检查相关的部分即可。

  软件与使用单片机软件采用PICC编写,其中使用了MICROCHIP的USB库,软件首先作初始化操作,然后以查询方式工作,接收PC机的指令,采集信号,将采集结果发给PC机。

  配套的PC软件采用VC6.0开发完成,使用操作与并口示波器相似。软件提供了波形显示、单次波形捕捉,打印、时基调整、波形保存、波形比较等功能,虽然这是一个单踪示波器,但通过波形的保存和再现提供了准双踪示波器的功能,你可以测量某一点的信号,保存起来,然后L测量另一点的信号,再打开已保存的信号,同屏所显示两组信号进行信号的比较。启动本软件后,你会发现与并口示波器基本相同,首先会随机给出1 一组演示信号(如果取消了“启动时显示例画面”,下次启动后就不显示了),目前软件提供了无触发、内触发两种触发方式,同时对内触发提供了上升沿触发和下降沿触发两种选择;选择开始按钮 (播放)开始信号采集,暂停按钮停止信号采集,录制按钮采集一个周期的信号后暂停;采样周期可以有8种选择:

  最快、10μ s、20μs、50μs、100μs、200μs、500μs、1000μs;同时提供了 5挡波形展宽选择:x 1、x 2、x 5、x 10、x 20;屏幕下方的开关的显示一定要与电路板上的开关位置相对应,以获得正确的标注。注意:如果不知道信号电压请先使用交流,1:

  5挡输入信号;本设备的最高输入电压峰一峰值最好不要超过±12.5V。任意时刻均可选择保存信号,侃存 1时的波形。在屏幕上接下鼠标左键,拖动鼠标即可看到相应范范围内 的电压差差、频率和周期信息。软件界面的右下部分给出了所测信号的频率、最大值和最小值等信息。软件所有提示均为中文,简单摸索后即可上手应用。和并口示波器一样,在相同的硬件平台上我们还可以实现记录仪功能、可以提供和现在生产控制中常见的记录仪功能,一次可以记录某一生产参数几天的变化量,实现无人值守。

  PC 机与单片机之间通信来用USB 人体学输入设备接口,使用Windows内置的驱动程序,因此不第要专门的USB驱动程序 (经测试送--示波器 目前与极一个别 USB 鼠标不兼容,其中包括yandiao的个别型号,如果遇到这种情况可以通过更换其它品牌鼠标或使用ps2鼠标来解决,此外于各种PC机结出的 USB 电源的纯静度不同,从电路图上可以看出虽然采用了各种滤波措施,在个别机器上惩路输入端的情况下显示波形可能会有1%以下的细微毛刺。支持的操作系统包括 Windows200D、Windows2003、WindowsXP和Windows Vista,其他操作系统需要读者验证后使用。


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