YB4365／YB4345數(shù)字光標(biāo)直讀示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

【摘　要】　設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)W78E58控制的YB4365／4345數(shù)字光標(biāo)直讀示波器系統(tǒng)，介紹了其功能特點(diǎn)及測(cè)試信號(hào)與字符顯示原理，重點(diǎn)闡述了該示波器的硬件設(shè)計(jì)。

引　言
　　YB4365／4345數(shù)字光標(biāo)直讀示波器是2001年國(guó)家級(jí)重點(diǎn)新產(chǎn)品，該產(chǎn)品是采用單片機(jī)控制技術(shù)和雙時(shí)基掃描技術(shù)的寬帶示波器。該機(jī)不僅具備通用示波器的作用，還具備數(shù)字頻率計(jì)和高頻毫伏表等多種功能。
2　主要性能指標(biāo)與特點(diǎn)
　　YB4365／4345數(shù)字光標(biāo)直讀示波器垂直偏轉(zhuǎn)系數(shù)為1mV／div～5V／div，頻帶寬度為100MHz／40MHz，上升時(shí)間≤3． 5ns／8．8ns。掃描偏轉(zhuǎn)系數(shù)0．5s／div～50ns／div。擴(kuò)展×10后最快掃速為5ns／div，輸入阻抗為1MΩ／25P，該機(jī)的主要性能特點(diǎn)如下：
　 （1）屏幕顯示設(shè)定狀態(tài)。掃描速度、掃描延遲時(shí)間、非校準(zhǔn)狀態(tài)、垂直靈敏度等參數(shù)均可在屏幕上以字符形式顯示，簡(jiǎn)化了測(cè)試操作設(shè)定狀態(tài)的確定過(guò)程。
　 （2）測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示。采用電子光標(biāo)卡尺，可以對(duì)光標(biāo)線之間的電壓（△v），光標(biāo)線之間的時(shí)間（△t），光標(biāo)線之間的頻率（1／△t）等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。避免對(duì)信號(hào)波形的目測(cè)、計(jì)算、換算等人工操作造成的誤差。
　 （3）自動(dòng)掃描速度功能設(shè)定?？勺詣?dòng)設(shè)定最佳掃描速度（顯示約2～5周期的信號(hào)波形）。并跟隨輸入信號(hào)自動(dòng)設(shè)定掃描速度的值。
　 （4）頻率計(jì)數(shù)器功能?？梢灾苯訙y(cè)定A掃描觸發(fā)信號(hào)頻率。
　 （5）觸發(fā)鎖定功能。測(cè)試難于取得的掃描同步的復(fù)雜脈沖序列時(shí)，在取得掃描同步的狀態(tài)下啟動(dòng)觸發(fā)鎖定功能，此后即使掃描被改變，儀器仍保持掃描同步。
　 （6）采用貼片工藝技術(shù)（SMT）和開(kāi)關(guān)電源。使得該機(jī)具有體積小，重量輕、功耗低、電源適應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。
3　測(cè)試波形與字符同時(shí)顯示的工作原理
　　圖1為波形和字符顯示過(guò)程。通用示波器對(duì)被測(cè)信號(hào)的測(cè)量，是通過(guò)屏幕的垂直、水平坐標(biāo)刻度線和面板開(kāi)關(guān)設(shè)置狀態(tài)，經(jīng)人工計(jì)算，才能讀出被測(cè)信號(hào)的電壓幅度和時(shí)間的有關(guān)參量，測(cè)量信號(hào)非常麻煩，且精度不高，測(cè)量結(jié)果常會(huì)因人而異。

　　YB4365／4345示波器是在單片機(jī)W78E58的控制下通過(guò)屏幕上的游標(biāo)卡尺的測(cè)量并自動(dòng)以字符方式顯示測(cè)量結(jié)果，被測(cè)信號(hào)波形是采用掃描顯示，字符（游標(biāo)卡尺、狀態(tài)設(shè)置、測(cè)試參數(shù)）采用光柵顯示。光柵顯示有階梯顯示和坐標(biāo)顯示兩種，為了提高示波器的顯示速度應(yīng)采用坐標(biāo)顯示，即對(duì)點(diǎn)陣中的亮點(diǎn)加亮顯示。波形、字符分時(shí)在屏幕顯示，并且規(guī)定字符顯示優(yōu)先。顯示字符的編碼放在單片機(jī)內(nèi)部存貯器ROM 中，編碼的地址即為ROM的地址，其數(shù)據(jù)就是ROM中的數(shù)據(jù)，一個(gè)字符在ROM中占一個(gè)區(qū)域，將要用到的字符依次放入ROM中。顯示過(guò)程如圖1所示。圖中波形a為示波器的被測(cè)信號(hào)，b為水平掃描信號(hào)，c表示字符和波形的顯示過(guò)程，圖形中設(shè)字符波形的顯示周期為T(mén)，其中T4時(shí)間用于顯示波形，而T3時(shí)間（即 T3＝T—T4）則用于顯示字符和波形。在T3時(shí)間內(nèi)要顯示字符（包括全部字符點(diǎn)陣的各個(gè)點(diǎn)）按照字符優(yōu)先原則進(jìn)行顯示，其間隙時(shí)間仍用于顯示波形。T1 為點(diǎn)陣中一個(gè)點(diǎn)的顯示周期。T2為顯示點(diǎn)的有效時(shí)間，因此，在顯示字符期間被測(cè)信號(hào)仍可得到斷續(xù)顯示。為了在顯示字符期間所顯示的波形不產(chǎn)生斷續(xù)現(xiàn)象，要求在各個(gè)顯示周期中字符點(diǎn)所截取的波形點(diǎn)各不相同。適當(dāng)選擇T3使T3／T1不為整數(shù)，即可獲得穩(wěn)定顯示。
4　系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
　　該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，即包括Y垂直放大系統(tǒng)，X水平觸發(fā)掃描系統(tǒng)，Z軸加亮系統(tǒng)，高低電壓電源系統(tǒng)，單片機(jī)控制系統(tǒng)等。
4．1　Y垂直放大系統(tǒng)
　　Y垂直放大系統(tǒng)由垂直輸入衰減電路、前置放大器、通道選擇電路、垂直主放大器等組成。
?。?）輸入衰減電路采用了新型的繼電器衰減開(kāi)關(guān)電路，取代了傳統(tǒng)的機(jī)械衰減開(kāi)關(guān)電路。即由數(shù)字脈沖編碼開(kāi)關(guān)、繼電器等元器件組成，該電路由單片機(jī)控制轉(zhuǎn)換。量程范圍為1mV／div～5V／div。由于該電路分布參數(shù)變化很小，使得被測(cè)信號(hào)的暫態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性都非常理想。數(shù)字脈沖編碼開(kāi)關(guān)使用壽命是普通機(jī)械開(kāi)關(guān)的五倍以上，且操作輕巧。
　 （2）前置放大器采用了高低頻交疊放大電路，該電路將被測(cè)信號(hào)的高低頻分量分別放大后再疊加，10kHz以下的低頻信號(hào)由LF運(yùn)算放大器放大輸出，10kHz以上的信號(hào)由高fT的貼片晶體管組成的HF放大器放大輸出。該電路可大大降低溫度引起的直流電平漂移。
　 （3）通道選擇電路采用二級(jí)管門(mén)控電路，控制通道輸入信號(hào)的顯示，通道的選擇由儀器面板上垂直工作方式開(kāi)關(guān)控制。
?。?）垂直主放大器主要供給示波管偏轉(zhuǎn)所需要的電壓，該放大器基本電路形式是共射共基放大和串并聯(lián)負(fù)反饋放大，該機(jī)最高靈敏度為1mV／div，帶寬為 100MHz。而放大電路僅采用三級(jí)放大，這種情況過(guò)去很少用，由于采用貼片元器件才能做到，且放大器的單管fT都高達(dá)3kMHz以上，這樣，通過(guò)提高元器件的高頻特性來(lái)減少放大的級(jí)數(shù)，從而達(dá)到簡(jiǎn)化放大電路的目的。

4．2　X水平觸發(fā)掃描系統(tǒng)
　　X水平觸發(fā)掃描系統(tǒng)主要有觸發(fā)電路、掃描電路和水平放大器組成。
　 （1）觸發(fā)電路是將被測(cè)信號(hào)的同步信號(hào)放大整形，處理成TTL門(mén)信號(hào)，控制A、B掃描閘門(mén)。
?。?）掃描電路由數(shù)字脈沖編碼開(kāi)關(guān)、門(mén)控電路、掃描閘門(mén)電路、充電電阻、充電電容等組成。掃描選擇開(kāi)關(guān)將控制信號(hào)送到單片機(jī)控制輸入接口電路，由單片機(jī)控制門(mén)控電路，選通相應(yīng)的量程設(shè)置，產(chǎn)生一個(gè)與時(shí)間成線性關(guān)系的掃描電壓，送給水平放大器。A掃描電路在水平方式開(kāi)關(guān)控制下，產(chǎn)生相關(guān)信號(hào)去啟動(dòng)B掃描閘門(mén)，B掃描電路受B掃描閘門(mén)控制，產(chǎn)生延掃描電壓送水平放大器。A、B掃描控制電路根據(jù)水平方式控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)，選通A和B掃描信號(hào)，或按時(shí)序交替選通。
　 （3）水平放大器就是將A、B掃描電壓及字符信號(hào)無(wú)失真地饋給CRT的水平偏轉(zhuǎn)板。
4．3　Z軸加亮系統(tǒng)
　　Z軸加亮放大器是對(duì)信號(hào)亮度和字符亮度幅度放大，可通過(guò)亮度電位器控制信號(hào)和字符輝度變化。
4．4　高、低電壓電源系統(tǒng)
　　低壓電源有＋110V、＋55V、＋12V、＋5V、－12V共5檔。由于整機(jī)采用了低功耗設(shè)計(jì)和開(kāi)關(guān)電源，整機(jī)功耗約40W，從而降低了整機(jī)的溫升，提高了可靠性。高壓電路是由直流變換電路產(chǎn)生約1．5kV的高壓，供示波管電路工作。
4．5　單片機(jī)控制系統(tǒng)
　　本系統(tǒng)采用的單片機(jī)是臺(tái)灣華邦公司生產(chǎn)的W78E58八位可電擦除芯片。片內(nèi)含有32kBFLASHEEPROM。免去擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器的麻煩，使得單片機(jī)控制系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單。W78E58工作主頻設(shè)定為12MHz，P0口與P1口為系統(tǒng)的地址總線和數(shù)據(jù)總線，P3口為普通輸出口，輸出衰減電路量程和掃描速度等控制信號(hào)。片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用了美國(guó)Dallas公司生產(chǎn)的DS12C887芯片。該芯片內(nèi)含鋰電池、128BRAM，其中48個(gè)單元隨時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)信息。上電時(shí)自動(dòng)調(diào)出，掉電時(shí)自動(dòng)保護(hù)，保證了儀器斷電后現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)不丟失。該系統(tǒng)采用了三路八位梯形網(wǎng)絡(luò)D／A轉(zhuǎn)換器，D／A轉(zhuǎn)換器將緩沖存儲(chǔ)器里的數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成脈沖序列。單片機(jī)W78E58通過(guò)采樣保持電路，把控制面板上所設(shè)定的狀態(tài)量（垂直偏轉(zhuǎn)系數(shù)、掃描偏轉(zhuǎn)系數(shù)、光標(biāo)卡尺、校正狀態(tài)等）讀入。一方面通過(guò)P3口輸出調(diào)整結(jié)果，經(jīng)移位寄存器轉(zhuǎn)換去調(diào)整垂直系統(tǒng)的衰減電路的控制器（繼電器）和掃描電路的控制器（模擬開(kāi)關(guān)），使之和面板設(shè)定狀態(tài)一致。另一方面通過(guò)讀入采樣結(jié)果調(diào)用顯示程序模塊，從存貯器字庫(kù)中取出相應(yīng)代碼送入暫存器，當(dāng)顯示開(kāi)關(guān)置于導(dǎo)通時(shí)，輸出接口將程序運(yùn)算結(jié)果、狀態(tài)設(shè)置字符送入D／A變換器經(jīng)字符放大器分別饋入Y后置放大器、X水平放大器、Z軸加亮放大器。此時(shí)所需字符即可穩(wěn)定顯示在屏幕上。
　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化結(jié)構(gòu)，各模塊都有相應(yīng)的子程序完成。本系統(tǒng)軟件分主程序、電壓測(cè)量子程序、時(shí)間測(cè)量子程序、頻率測(cè)量直讀子程序、儀器狀態(tài)設(shè)置子程序、故障檢測(cè)子程序等模塊。程序設(shè)計(jì)略。
5　結(jié)束語(yǔ)
　　YB4365／4345數(shù)字光標(biāo)直讀示波器研制成功后，經(jīng)測(cè)試認(rèn)為該機(jī)性能穩(wěn)定可靠、指標(biāo)精度高、操作簡(jiǎn)便、性?xún)r(jià)比高，滿足了用戶(hù)對(duì)該測(cè)量?jī)x器的需求。該機(jī)已通過(guò)CE認(rèn)證，并打入國(guó)際市場(chǎng)，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。