数字示波器的制作

数字示波器的制作,数字,示波器,制作 今越电子工作室 - 1 - 什么是示波器的触发？ 今越电子工作室 刘泽民 初学电子的朋友可能会觉得示波器触发的概念比较模糊，而在实际中，充分理解示波器 触发的概念往往是有效使用示波器的前提。本文试图以模拟示波器为例，说明触发的概念。 示波器的同步 要明白触发的概念，首先要了解示波器同步的概 念。那么什么是示波器的同步呢？我们 这里所说的示波器同步是指示波器的扫描信号与被观测的信号同步，也就是说它们的频率之 间存在着整数倍的关系。为什么要这样？不这样会有什么结果？带着这样的问题让我们来考 察图 1 的情况。 我们先了解一下示波器的工作原理。 我们知道，示波器是通过在 X 和 Y 偏转板上加上 控制电压，控制由电子枪射出电子束的偏转从而在屏幕上描绘出轨迹的，一般在 X 偏转板 加的是正向锯齿波信号，线性上升的电压控制电子束从左到右移动，形成水平扫描。因为上 升的电压与时间成线性关系，扫描得到的轨迹就可以模拟时间轴。如果同时在 Y 偏转板加 上与被测信号成比例的电压，使电子束在水平移动的同时也在垂直方向移动，这样电子束就 描绘出了被测信号与时间的关系，也就是信号的 波形。这是示波器显示波形的基本原理。 现在我们来看图 1。图 1 中的 Y 是一周期性信 号， X 是扫描信号，显然它们是不同步的。当将 这样的信号同时分别加到示波器的 Y 和 X 偏转系 统时，显示的波形如图 2 所示，其中当 X 从 T0 扫描到 T1 时描绘出的波形是 A，从 T1 到 T2 扫描 时描绘出的波形是 B，而从 T2 到 T3 扫描时描绘 出的是 C，显然它们在屏幕上的位置都不同，而且 先后出现，所以您会看到的是它们的混合， 得不 到一个稳定的波形。这就是示波器的扫描与信号 不同步的结果。 如果我们设法将 X 信号变成图 3 所示的情 形，使每一次扫描开始时刻都对应于 Y 信号一个 周期的同一点，使得每一次扫描对应的 Y 信号都 相同，也就是让示波器的扫描信号与被测信号“同 步”。当将这样的信号同时分别加到示波器的 X 和 Y 偏转系统时，由于每一个扫描周期 X 和 Y 的信 号都相同，电子束受到同样的偏转控制，因而每 一次扫描的电子束都打在屏幕上的同样的轨迹 图 1 图 2 什么是示波器的触发？ 今越电子工作室 - 2 - 上，也就是说我们可以得到图 4 所示的波形。这是您能看到的唯一波形，因为每一个扫描周 期电子束都打在这个波形的轨 迹上，而不是其他位置，因而这个波形是稳定的。这就是示波 器扫描与信号同步的结果。 综上所述，如果我们要在示波器的屏幕上观察到稳定的波形，必要的条件是示波器的扫 描信号要与被观察的信号保持同步关系。 那么，我们怎样才能使示波器的扫描信号与被观测信号保持同步关系呢？ 触发的作用 为了使扫描信号与被测信号同步，我们可以设定一些条件，将被测信号不断地与这些条 件相比较，只有当被测信号满足这些条件时才启动扫描，从而使得扫描的频率与被测信号相 同或存在整数倍的关系，也就是同步。这种技术我们就称为“触发”，而这些条件我们称其 为 “触发条件” 。 用作触发条件的形式很多，最常用最基本的就是“边沿触发”，即将被测信号的变化 (即 信号上升或下降的边沿 ) 与某一电平相比较，当信号的变化以某种选定的方式达到这一电平 时，产生一个触发信号，启动一次扫描。例如在图 3 中，我们可以将触发电平选在 0V，当 被测信号从低到高跨越这个电平时，就产生一次扫描，这样我们就得到了与被测信号同步的 扫描信号。其他的触发条件有“脉宽触发” 、“斜率触发” 、“状态触发” 等等，这些触 发条件通常会在比较高档的示波器中出现。 有关触发的调节 有关触发的调节包括触发源、触发方 式、触发条件即相应参数的选择等等，比较多和复 杂，这些是示波器使用中最重要的操作，也是许多初学者感到较难掌握的地方，我们将另觅 篇幅详细介绍。 图 3 图 4 DN062-01v01 今越电子制作 - 1 - Tel. 15078386021 LCD 单板示波器使用说明 适用型号 ： 06201 1. 工作原理简述 图 1 为该示波器的原理框图 。 输入信号经耦合电路后经过由衰减器 、 放大器和选择开关组成的模拟信 号通道处理后 ， 送到 A/D 转换器变成数字信号 ， 再由处理器转换成适当的波形由 LCD 显示出来 。 模拟通 道的作用主要是调节信号的大小 ， 以便适合屏幕显示 。 2. 操作说明 该示波器的使用并不复杂 ， 操作上与专业的示波器没有什么不同 ， 使用时 ， 只要将电源插上就可以开 始了 。 当用按键调节参数时 ， 先选择要调节的参数 ， 这时屏幕上 的亮块会移到相应的参数指示 ， 然后用 + 和 - 键作调节 。 下面着重说明各开关和按键的功能 （ 见图 2）。 耦合选择开关 该开关选择信号的耦合方式 。 为什么要选择耦合方式呢 ？ 这是因为有时候被测信号是交流直流混合的 ， 如果我们只想观察它的交流成分的话 （ 特别是在直流成分大交流成分小的时候 ）， 我们可以采用交流耦合 ， 即让信号通过一个电容器 ， 隔断直流成分 ， 这样我们就可以只观察交流 。 衰减选择和倍率选择开关 这两个开关经常是配合使用的 ， 其作用是调节送到 A/D 转换器的信号的幅度 ， 因为如果信号幅度太大 会超过屏幕的范围 ， 太小 观察起来误差比较大 ， 所以要根据信号情况选择适当的幅度 。 衰减开关选择衰减 比 ， 可以是 1 或 1/10， 对应的刻度分别是 0.1V 和 1V。 倍率开关实际也是改变衰减比 ， 它可以选择 1、 1/2 和 1/5， 分别对应于倍率 1、 2 和 5， 因为当一个信号被衰减了 N 倍 ， 那么屏幕上纵坐标的一格所对应信号 图 1 图 2 DN062-01v01 今越电子制作 - 2 - 幅度就扩大了 N 倍 。 两个开关的组合决定了整个模拟通道的总放大倍数 ， 对应的刻度范围是 0.1V、 0.2V、 0.5V、 1V、 2V 和 5V。 SEC/DIV（ 时基 ） 该参数决定屏幕上水平方向的一格长度所代表的时间长短 。 例如 ， 如果你选的时基是 5ms， 那么就 意 味着水平方向一格代表 5ms， 假如你观察的信号是 50Hz 的交流信号 ， 那么你会看到信号一个周期的长度是 4 格 ， 既 20ms。 V.POS（ 垂直位置 ） 该参数用于调整波形在屏幕上垂直方向的高低 ， 屏幕左侧边沿有一个小三角形 ， 它对应着 0V 电平的 位置 。 H.POS（ 水平位置 ） 该参数用于改变波形的水平位置 ， 既将波形在水平方向前后移 。 采集到的波形是有一定长度的 ， 而屏 幕上只是显示出来它的一部分 ， 通过改变这个参数就可以观察其他部分 。 在屏幕下方有屏幕窗口位置指示 ， 两端竖线之间的区间代表波形区的长度 ， 内部短线代表当前显示的部分 。 MODE（ 触发模式 ） 这个参数用于改变示波器波形采集的模式 ， 分别可以选自动 （ AUTO） 、 常规 （ NORM） 和单次 （ SING）， 有关这些触发方式的含义和使用方法请参阅网站 （ ） 上 “ 应用文章 ” 栏目下的有关文章 。 SLOPE（ 触发边沿 ） 该参数用于选择产生触发的边沿 。 LEVEL（ 触发电平 ） 该参数改变触发电平的高低 ， 其大小在屏幕右侧边沿的小三角形指示 。 OK 在示波器模式下 ， 该键的作用是冻结或解冻波形 ， 如果 长按此键 （ 按下保持 2 秒以上 ）， 则仪器切换到 频率计模式 。 在频率计模式下 ， 长按此键切换回示波器模式 。 3. 注意事项 1) 不要用该示波器直接测量市电 。 2) 输入被测信号的峰峰值不要超过 50V。 3) 电源电压不要超过 16V。 4. 指 标 示波器 ： l 最高实时取样率 ： 2M 点 / 秒 ， 精度 8Bit l 模拟频带宽度 ： 0 1MHz l 垂直灵敏度 ： 10 0 mV/Div 5V/Div ( 按 1 - 2 - 5 方式递进 ) l 输入阻抗 ： 1M l 耦合方式 ： DC/AC l 信号电压范围 ： +/ - 50V l 水平时基范围 ： 5 s/Div - 10m( 分钟 )/Div ( 按 1 - 2 - 5 方式递进 ) l 触发方式 ： 自动 、 常规和单次 l 触发边沿 ： 上升 / 下降 频率计 ： l 频率测量范围 ： 10MHz l 周期测量范围 ： 100 秒 l 灵敏度 ： 3V （ 峰值 ） DN062-01v01 今越电子制作 - 3 - 总 体 ： l 电源电压 ： 9 12V DC 或 AC l 尺寸 ： 105mm X 65mm X 25mm 5. 示波器使用练习实例 例 1 观察测试信号 该练习的目的是熟悉耦合 、 衰减 、 倍率等开关的使用和时基 、 垂直位置 、 水平位置等参数的调节方法 。 操作步骤如下 ： 1) 将探头 （ 红色 ） 连接到示波器面板左上角的 500Hz 测试信号 。 2) 将衰减开关置于 1V 位置 。 3) 将耦合 开关置于 DC 位置 。 4) 按 V.POS 键 ， 将垂直位置指示符调整到倒数 第一格的位置 。 5) 按 SEC/DIV 键 ， 将时基设为 1ms。 6) 当将倍率开关置于 X2 的位置时 ， 你应能看到图 3 的波形 。 7) 改变倍率开关 ， 可以看到屏幕上波形的幅度随着 改变 。 试根据不同的倍率读取信号幅度 。 8) 改变时基设置 ， 例如将其改为 0.5ms， 可以看到 屏幕波形的宽度发生变化 。 试读取信号的周期 。 如果信号的边沿不是与纵线对齐 ， 可以用改变水 平位置的方法使其对齐 ， 以便容易读数 。 做法是 ： 按 H.POS， 然后用 + 和 - 调节 。 9) 将耦合开关打到 AC 位置 ， 可以看到波形下移 ， 垂直位置指示标记位于波形幅度的中间 ， 屏幕看 到的是纯交流信号 。 例 2 观察锯齿波信号 该练习的目的是了解触发的用法 。 图 4 是一个锯齿波产 生电路 （ 对于购买套件的客户该电路的元件是免费附送的 ）， 它接上 10V 以上电源就可以产生锯齿波 。 练习操作步骤 ： 1) 按图 4 连接电路 ， 按图接上电源和示波器 。 2) 将示波器的耦合开关置于 DC， 衰减开关置于 1V， 倍率开关置于 X2， 将垂直位置调到倒数第一格的 位置 ， 将时基选为 0.1ms。 3) 接通电源 ， 示波器屏幕上应看到类似于图 5 的波 形 。 4) 将触发模式选为 自动 （ AUTO）， 调节触发电平 ， 将可以发现 ： 当触发电平与信号波形相交时 ， 显 示波形稳定 ； 当不相交时 ， 显示的波形会移动 。 可 见 ， 触发可以帮助我们稳定波形 ， 进行有效观察 。 5) 将触发模式选为常规 （ NORM）， 调节触发电平 ， 将可以发现 ： 当触发电平与信号波形不相交时 （ 无 触发 ）， 屏幕上的波形不会更新 ； 当触发电平与信 号波形相交时 （ 有触发 ）， 波形更新 ， 也就是说只 有在有触发时示波器才进行信号采集 。 6) 按一下 OK， 屏幕右上角显示 “ HOLD” ， 这是屏 幕上的波形已冻结 ， 可以调节水平位置将其前后移 动观察屏幕之外的波形 。 再按一下 OK示 波器恢 复到正常工作状态 。 图 4 图 3 图 5 DN062-01v01 今越电子制作 - 4 - 6. 频率计使用 将耦合开关置于 “ F . Meter” 位置 ， 并按住 OK键 1 秒以上 ， 仪器即切换到频率计状态 ， 这时屏幕显 示信号的频率和周期 。 当需要回到示波器状态时 ， 再长按 OK键即可 。 哈尔滨工业大学2003年本科生科技创新活动获奖作品选编数字存储示波器设计制作报告孙吉吉 孙士友 周洪亮（控制科学系0004101）指导教师：蔡惟铮1立项依据1.1.1课题研究的目的、意义：（1）课题研究的目的： 通过课题的研究进一步巩固所学的知识，同时学习课程以外的知识，培养综合应用知识的能力。 锻炼动手能力与实际工作能力，将所学的理论与实践结合起来。 培养团队精神，加强协作能力，增进同学间的友谊。 尽力研究出预期成果，如有可能的话申报相关的知识产权，并使成果产业化。（2）课题研究的意义： 研究过程本身可以使参与者得到极大的锻炼，为将来参加实际工作做好准备。 研究的预期成果可以弥补现有示波器的不足，如能实现产业化，将在低档型方面有较大市场。1.1.2现状分析：示波器在电子、电气、控制等领域应用十分广泛。随着计算机技术的发展，数字示波器已经实现与计算机互联、共享数据，但市场现有的示波器也有诸多不足，如价格昂贵、体积重量偏大、携带不方便等，而齐全的功能在很多的场合并不一定能够得到充分的应用。本课题所研究的可存储虚拟示波器定位为低档型，即在性能上只需满足大多场合的基本应用，努力实现小型化，价格尽可能低廉，这样在财力有限的小用户（电子爱好者、小型企业）中能够普及，在大用户的使用中发挥便携性强的优势，与高档示波器配合使用，互相取长补短。2课题研究的主要内容及实施方案2.1.1课题研究的主要内容：本课题研究的主要内容是如何建立一套可存储虚拟示波器系统，其具体组成为： 硬件系统：硬件系统由计算机硬件系统和外部硬件系统组成。这里主要研究外部硬件系统，其主要目标是实现数据采集、AD转换、数据缓冲及压缩、数据存储、向计算机系统传输。 软件系统：软件系统的主要任务是通过计算机硬件系统读取由外部硬件设备传输来的数据，进行解压、变换、排除干扰信号、将波形显示在显示器上，并进行波形的存储、打印与分析。在实现以上基本功能的前提下，还可以进行进一步的扩展国，如硬件系统性能的担高、成本的降低、体积重量的减小、接口的扩展；软件系统功能的完善、用户界面的改进、数据的格式化、网络化，最终目标是产业化。2.1.2实施方案：本系统实施方案如下页图一所示：2.1.3工作条件：信号源、单片机编程器、普通数字示波器、带RS232串口的计算机系统。模数转换数据处理计算机系统波形显示、存储、后期处理模数转换 输入信号直接传输方式存储方式图一：实施方案示意图随着工作的进展对实验条件的要求可能会有所变化。3问题的分析与几种主要实施方案的讨论3.1.1问题的分析本课题的主要问题在于模拟信号向数字信号的转换。为了测试高频模拟信号，必须采用高速的模数转换技术。采样定理指出，要不失真地复现输入信号，采样频率必须大于等于输入信号频率上限的二倍，但在实际工作中，要得到较理想的输入信号的波形，在输入信号的每个周期必须采十个以上的数据点。这样绘制出的波形图才能比较准确地反映输入信号的特征。因此，高速采样及模数转换技术成为本课题的主要重难点。3.1.2几种方案的讨论在本课题的研究过程中，我们提出了以下的方案以解决该问题。（1） 直接AD采样该方案采用市售高速AD转换芯片，直接对输入信号进行采样、转换，然后存储在单片机或RAM中。该方案的主要优点是软硬件设计简单，且有很多现成的资料可以参考。缺点在于速度与价格难以兼顾，市售高速AD转换芯片的价格与速度基本成指数关系，而且有很多高速AD转换芯片难于购买。因此，以较低的价格只能得到较低的性能。另一方面，从科技创新本身来说，本方案的技术已经相当成熟，真正创新的内容不多。（2）取样示波器方案所谓取样示波器，就是在一个周期信号的不同周期采样，从而获得周期信号的信息。如图二所示：对于输入信号，设其周期为T，如果能够准确地得到其T/n的时间，那么就可以每隔时间采样一次，采n个数据点，实际上与在一个周期内采n个数据点是等价的。此外，如果将逐次比较AD转换的各次比较过程分在各个不同的周期，但都对应相同的相位，从理论上来说于在一个周期内采样是等价的，而每次比较的时间总比完整的转换时间短的多，因此分周期逐次比较可以对频率更高的输入信号进行采样。图二A：直接采样方案示意图图二B：隔周期采样方案示意图该方案的主要优点是可以采集很高频率的周期性输入信号。但该方案的难点也是很明显的：如何准确获取T/n的时间。在本课题的研究过程中，我们曾尝试用集成锁相环CC4046来实现此功能，通过计数器与CC4046可以实现对经过整形的输入信号2101分频，再21倍频，实质上就是锁定输入信号周期的的时间。但发现在倍频时CC4046很难锁定，几乎得不到稳定的输出波形。因此该方案最终被放弃。事实上，该方案还是有前景的。可以考虑使用稍高档的集成锁相环，可能可以解决失锁的问题，另外，如果采用数字锁相环，或者用单片机结合PLD，可以实现数字锁相，从而得到更精确更稳定的取样控制脉冲信号。（3）电压比较方案以上两个方案都是通过在特定的时刻对输入信号采样而得到输入信号的信息。但由于输入信号是模拟量，就必须进行AD转换，而AD转换的速度限制了整个采样及转换过程的速度的提高。与之相比，使用高频时钟（74LS系列的计数器理论最高时钟频率都可达到数十MHz）和多位计数器计时，可以非常容易地把时间变为数字量。该方案避开AD转换，而通过DA转换输出一个参考电压，将输入信号与参考电压进行比较，记录比较器输出翻转的时刻，这一时刻可以认为是输入信号与参考电压相同的时刻，而且可直接从计数器中读出该时刻对应的数字量；对于周期信号，与方案（2）中类似，在不同的周期中采样，可以采集非常频率高的周期信号。图三：电平比较方案示意图该方案的主要难点是比较器上的干扰如何抑制。在实验中，发现比较器的输入端干扰非常大，这与我们的实验条件有一定关系。最终还是没能克服这个问题而放弃了该方案。（4）频域分析方案该方案原理类似于频谱仪。对于周期输入信号，分析其各次谐波分量的幅值与幅角，就可以求出其波形。由于常用的周期信号高频分量衰减得都很快，因此只用分析几次谐波就可以得到较精确的结果。此方案的难点在于本级振荡中的频率合成，以及各次谐波的幅角的测量。由于我们没有学过相关的知识，因此未采用此方案。综上所述，四种方案各有优缺点。其中前三种方案我们都曾尝试过。由于时间、实验条件等诸多原因，最终我们采用了方案（1）。4本数字存储示波器系统概述本数字存储示波器系统。有两种工作状态：实时采集、存储输入。实时采集方式适用于输入信号频率较低（100Hz）的情况。工作在该方式时，输入信号经过AD转换，对应的数字量传入单片机，然后立即通过串行线传输到计算机中。存储输入方式则是用于输入频率信号较高（100Hz50kHz）的情况。工作在该方式时，采用DMA（直接存储器访问）技术，输入信号经过AD转换，对应数字量直接写入RAM中。转换完毕后，再通过串行线将RAM中的数据传输到计算机中。采集过程与传输过程可以分别进行，采集过程不需要计算机参与，只要不掉电，波形数据可以存储任意长时间。本数字存储示波器系统由硬件系统和软件系统组成。其中硬件系统实现输入信号的放大/衰减、AD转换、DMA控制等；软件系统又分为单片机软件与计算机软件两部分。单片机软件系统控制硬件系统以及串行数据的传输等；计算机软件处理数据，以实现绘制、打印波形、频谱分析等功能。5硬件系统硬件系统由以下几部分组成：（1）CPU及其外围设备本系统CPU采用Atmel AT89C52单片机，其外围设备包括RAM62256、串行传输电平变换芯片MAX232以及CPU时钟、键盘等。（2）AD转换、DMA控制电路这部分电路是本系统的核心部分，负责数据的采集和存储，同时根据两种不同的工作方式采用不同的逻辑。当用户指定工作方式后，CPU会给出相应的控制信号，这部分电路根据给出的信号控制各芯片的片选、锁存等。具体地说，CPU的P1.2与P1.4端提供AD的控制信号。具体逻辑如表一：表一：AD及DMA控制电路译码真值表P1.2P1.4AD工作状态缓冲器1片选缓冲器2片选62256WR来源AD时钟来源AD片选00存储输入10AD时序发生器001初始测偏移电压01CPU时序发生器010实时采集01CPUCPU-P1.3011不工作01CPU1说明: 1缓冲器1指CPU P0与62256低位地址线间的锁存器74HC573，缓冲器2指地址发生器与62256地址线间的缓冲器。 2实时采集时AD的控制信号由CPU P1.3端提供。 3以上三个片选均为低有效。本系统采用AD公司的高速AD转换芯片AD7820，原厂资料中该芯片的转换时间为2s，有两种工作模式。其中直通工作模式最简单，而且适合本系统工作要求，因此采用这种工作模式。如图三所示，工作在直通模式时，AD7820的RD端接低电平，MODE端接高电平。WR端为高电平时，输出保持不变，INT保持低电平；当WR变为低电平后，AD转换启动，同时INT变为高电平。WR低电平应保持twr=(600ns-50s)；当WR再次变为高电平后，AD转换的结果经输出缓冲器输出并锁存，同时INT变为低电平。从WR的上升沿到AD输出有效数字的时间为tint=700ns（典型值）,两次转换间隔时间为tp=600ns（最小值）。图四：AD7820工作时序图（摘自AD公司原厂资料）本系统工作在DMA方式时，采用6Mhz振荡器，经16分频后得到周期为2.67s、占空比为50%的方波，将其接至AD7820的WR端，则可满足上述时序的要求。工作在实时采集方式时，则由CPU P1.3端提供WR信号。本系统工作在DMA方式时，62256 WR端接AD7820 INT端，则每次采样完毕后，AD7820直接向62256写入数据。其他控制时序和控制逻辑较简单，用一片译码器74LS138和一片数据选择器74LS253按表一中的逻辑联接即可。（3）时钟及地址发生器本系统地址发生器由四片四位计数器74LS161级连而成，最低位计数器的时钟接AD7820 INT端（附加两个非门延时），这样AD每完成一次转换就向62256内写入一次数据，启动下一次转换的同时将地址计数器输出增一。四片74LS161共有16根输出线，其中低十五位通过缓冲器（表一中缓冲器2）接至62256地址线，最高位经反相后接CPU INT0端。当计满15位向第16位进位时，触发CPU中断0，CPU响应中断后即停止DMA控制器的工作，系统即完成一轮AD转换及向62256种存储数据的过程。本系统的时钟发生器及前面所述的6Mhz振荡器及16分频电路。振荡器由石英晶体振荡器及非门等构成，16分频采用计数器74LS161。这部分电路比较简单，不再赘述。6软件简介： 本软件主要完成数字示波器的数据后期处理工作；开发环境：Visual C+ 6.0 适用平台：Windows 9X/Me/2000/XP 可执行文件大小：2.26MB 附加文件：mfc42.dll, MSCOMM32.OCX, msvcrt.dll 主要功能如下：6.1.1串行数据接收:采用VC附带ActiveX控件Microsoft Communications Control, version 6.0实现串口数据的接收；如果内存允许，采集点数不限；因此，本软件也满足过程控制中大容量数据采集及图形处理的需要；6.1.2数字滤波：采用多项式光滑不等距插值，本方法是制定n个不等距节点xi(i=0,1,-,n-1)上的函数值yi=f(xi)及精度要求，利用阿克玛(Akima)方法，计算指定子区间上的三次插值多项式与指定插值点上的函数值；函数的调用格式为：GetValueAkima(int n, double x, double y, double t, double s, int k /*= -1*/)6.1.3图像处理：（1）波形图：完成采集波形的绘制，支持各种动态操作，包括：图像的整体放大，整体缩小，还原初始最佳大小，移动，X向放大、缩小，Y向放大、缩小；支持各种编辑操作，包括：图像数据的存储(存储成 .sun文件 )，波形图、频谱图的打印，波形图、频谱图的拷贝（可在Word等编辑软件中粘贴）； 支持波形图相及示波屏幕的视觉效果调整，包括：波形图、频谱图曲线颜色的任意调整条，线条宽度的调整，示波屏幕全屏化，背景模式的调整；支持波形图处理数据量的动态调整：以克服图像失真，及图形处理速度慢等问题；支持任意点电压值，时间值；两点之间电压差，时间差的动态读取；支持采集数据的十六进制，十进制现实，支持数据的拷贝（可转移到Excel等数据处理软件中处理）；（2）频谱图：采用离散Foriour变换，绘制周期图像的离散谱，非周期图像的连续谱，并给出相应频谱信息：对于以上功能，提供方波，正弦波，随机波，单位阶跃响应四组测试数据模拟采集数据，供使用者练习，以熟悉本软件；提供使用说明，供使用者参考; 6.1.4软件界面效果如下：（1） 主界面：图五：软件主界面（非实际大小，下同）（2）波形图界面：图六：波形显示界面（3）波形图示数面板界面：图七：波形读数面板界面（4）频谱图界面：图八：频谱图显示界面7. 测试结果测试方法：以信号源的输出作为本系统的输入，分别测试本系统在两种不同工作方式时对应各种频率、各种形式的输入信号的输出如下：7.1.1存储输入方式：（1）1kHz正弦波输入1，原图如下：图九：1kHz正弦波波形（原图）（1）（2）1kHz正弦波输入2，原图如下：图十：1kHz正弦波波形（原图）（2）（3）2kHz方波输入信号，原图经局部放大后如下：图十一：2kHz方波波形（局部放大图）（4）45kHz正弦波输入信号，原图经局部放大后如下：图十二：45kHz正弦波输入信号（局部放大图）（5）60kHz锯齿波输入信号，原图经局部放大后如下：图十三：60kHz锯齿波波形（局部放大图）7.1.2实时采集方式：（1）0.7Hz调节占空比后的正弦波，原图如下：图十四：0.7Hz调节占空比后的正弦波（原图）（2）5Hz正弦波输入信号，原图如下图十五：5Hz正弦波波形（原图）（3）60Hz方波输入信号，原图经过局部放大如下：图十六：60Hz方波（局部放大图）（4）100Hz正弦波输入信号，原图经过局部放大如下：图十七：100Hz正弦波（局部放大图）（5）100Hz方波输入信号，原图经过局部放大如下：图十八：100Hz方波（局部放大图）（6）200Hz正弦波输入信号，原图经过局部放大如下：图十九：200Hz正弦波（局部放大图）7.1.3关于测试结果的讨论：从以上各图中可以看出：（1）不论工作在那种方式时，当输入信号频率相对较高时，显示出的波形将很密集而难于观察，因此部分波形经过了局部放大以便于观察。（2） 实时采集方式得到的波形明显好于存储输入方式。这一方面是因为工作在实时采集方式时AD工作频率较低，采集的数据比较可靠；另一方面因为工作在实施采集方式时，所得数据立即经单片机传入计算机中，而工作在存储输入方式时，数据要先向62256中存储，经过步骤较多，而由实验条件所限，数据总线和地址总线上必然有诸多干扰，因此会影响存储的波形数据。（3） 注意图九、图十中的箭头所指处，在实验中观察到每次工作在存储方式时此处都有相同的尖峰。观察实验数据，发现每组数据中都有一段固定的地址（00F0H00FFH）对应的数据始终为常值（为我们以前所做的实验中向里写入的有规律的数据），不随输入信号而改变，反映在波形上正是图九、图十中的尖峰。由于在32k数据中只有这16个始终不正常，因此我们认为是62256对应存储单元损坏，使新的数据不能写入所致。（4） 根据以上分析，我们认为如果能够制作出成品PCB板，可能可以抑制总线上的干扰，效果应该会有所改善。另一方面，在软件中我们采用了插值算法，使得绘制出的曲线比较光滑。但是如果有个别数据点出现干扰，反映在图形上就会有一个很明显的尖峰。如图十二中的两处箭头所指出的，如果此处数据点在处，那么波形就很光滑，因此可以认为这两个点的数据是干扰数据。如果在改进软件中的数字滤波算法，滤掉数据中的高频干扰，效果应该也会有所改善。8. 心得体会我们在2002年十月份申报科技创新并得到批准，于是着手做这台虚拟存储示波器。在这近一年的时间中，我们三人在只有一些理论知识，没有什么工作经验的基础上，借鉴前人的经验，自己摸索，做了各种各样的实验，到现在已经基本完成。现在回顾以前的工作，有很多的感触。在动手工作之前，我们的知识面较窄，为了做好这个工作，必须去查资料，我们翻阅图书馆的大量藏书和许多期刊，找寻各种元件的不同用法，这极大地拓展了我们的视野，为我们以后的工作打下了一点基础。我们为了做这个工作想了很多的方法，也做了很多的实验，虽然各种创新的方案因为各种原因都失败了，但我们的思维大大的活跃了。我们相信，我们的很多方案时有可取之处的，如果实验条件较好，时间较充裕，可能有些方案可以实现。为此，我们还要继续努力，争取在目前成品的基础上进一步改进，进一步尝试各种方案。101 DN062-02v02 今越电子制作 - 1 - Tel. 15078386021 上点锡 焊上一端 一端焊好了 焊另一端 元件焊好了 示波器套件装配说明 适用型号 ： 06201 本说明以本站提供的 109-06200-00B 电路板为例 ， 对于自己做的电路板也可以作为参考 。 1. 需要工具 装配该示波器需要的工具并无什么特别 ， 但如果你原来没有焊接过贴片元件 ， 那么你可能要稍微准备 一下 。 下面这几样东西你是应该有的 ： 1) 比较尖的电烙铁 （ 尖头半径 0.5mm 左右 ）， 功率不用很大 ， 20W 就可以了 ， 例如广州黄花出的 TLN-20 NO.420。 2) 较细的焊锡丝 ， 用 0.3mm 的较好 ， 0.5mm 也行 ， 但不如 0.3mm 的 ， 不 要用 1mm 的 。 3) 吸锡用的编织带 ， 当相邻两引脚被锡短路时 ， 常用它清除 。 4) 不锈钢镊子 ， 因为贴片元件很轻 ， 镊子不能有磁性 。 5) 一片用于清洁烙铁头的海绵 6) 放大镜 ， 由于该示波器的元件并不十分小 ， 所以一般不需要 ， 但如果有没有坏处 。 2. 贴片元件手工焊接要领 说到贴片元件的焊接 ， 有些朋友可能以为会比较困难 ， 实际相当容易 ， 没有经验的朋友稍加练习很快 就可以掌握 。 而一旦掌握后你会不喜欢用引脚元件的 ， 因为就焊和拆来说 ， 贴片元件容易多了 ， 何况还有 其他显著的好处 。 该示波器用到的贴片元件分为两类 ， 一是电阻电容 ， 另一类是集成电路 ， 它们的焊 法说明如下 。 电阻电容的焊法 先在一个焊盘上上一点锡 ， 左手用镊子夹住元件 ， 右手用烙铁将元件焊在焊盘上 ， 焊接是尽量使元件 平整 。 焊好一端元件就不会动了 ， 另一端可以等所有同类元件焊完后统一焊好 。（ 见图 1） 集成电路的焊法 1) 先在电路板集成电路位置角上的一个焊盘上点锡 。 2) 将集成电路元件引脚与焊盘对齐 （ 这一点非常重要 ！）， 注意极性方向 。 3) 将刚才有锡的那个焊盘焊好 ， 这时元件已不会随便移动 ， 但仍非常不牢固 ， 要小心不要触碰它 ， 紧接着进行下一步 。 4) 用细锡丝和烙铁将对角线上另一角的一个焊盘焊好 ， 这样集成电路已完全固 定 。 一边用左手按住 IC， 一边用烙铁将两个已焊接的脚再焊一下 ， 使 IC 尽量贴近电路板 。 5) 最后用细锡丝和烙铁将其余引脚逐个焊好 。 该示波器所用的 IC 除核心处理器外其余都是 1.27mm 的引脚 ， 比较容易焊 。 而处理器 （ ATmega64） 的引脚间距是 0.8mm， 稍密 ， 但细心一点也不难焊 。 如果你是买套件的话该芯片是预先焊好的 。 3. 装配调试步骤 焊接装配时 ， 先焊接装配示波器的背面 ， 即有很多元件的一面 。 等背面装配完成后再安装正面的开关 、 LCD 屏等零件 。 图 2 是示波器背面的零件位置图 ， 其中圈出的零件不用安装 。 装配时零件的焊接按 “ 从低到高 ” 的顺 图 1 DN062-02v02 今越电子制作 - 2 - Tel. 15078386021 序进行 ， 避免高元件妨碍低元件的焊接 ， 最后焊引脚元件 。 具体顺序如下 ： 1) 焊接贴片的电阻 、 电容 、 三极管 、 二极管等 。 焊接时按上面所说的方法 ， 先统一将所有元件的一 个焊盘上锡 ， 然后将贴片分立零件按上面说的方法先焊上一端 ， 等全部焊完后再统一把另一端焊 好 。 注意 ： 焊接时要特别留意 D1 和 D7 的极性 ， 不要焊错 ！ D1 的正极靠近 C12， 而 D7 的正极靠近 L2。（ 参见零件位置图 ） 2) 焊接贴片的集成电路 ， 请注意极性 。 3) 焊接带引线的二极管 、 三端稳压集成块和晶体 ， 三端稳压焊好后用螺丝上紧在电路版上 。 4) 焊接所有带引线的元件 ， 所 有电解电容方形焊盘对应的是正极 。 注意 ， 由于设计错误电路板 上 C14 的极性标记是反的 ， 焊接时要反过来 。 5) 焊接电源插座和莲花插座 。 全部焊完后 ， 将引脚元件过长的脚剪掉 ， 剪时要尽量剪贴一些 ， 因为安装 LCD 屏的地方只有很小的空 间 。 然后仔细检查是否有虚焊 、 假焊 、 漏焊 ， 如果一切无误则可以初步通电试验 。 6) 初步通电试验 。 先不要连接 JP1， 接上电源 ， 看 5V 指示的 LED 是否亮 。 如果不亮则要查找原 因 ， 如果亮则用万用表测量标有 “ +5V” 的测试点 ， 看电压是否为 +5V， 如果不是则要找出原因 ， 如果正常则继续下面的装配 。 7) 焊接示波器正面 的按键和开关 ， 这只要对着位置安装就行了 ， 按键要焊得尽量平整一些 。 8) 安装 LCD 显示屏 。 安装 LCD 屏的第一步是先将连接用的排针焊在 LCD 模块上 （ 见 图 3 和 图 4）， 注意 20 位的长排针要焊在有引脚 信 号 标记的那一排孔 ， 另两只两位的排针分别焊在另一排孔的 图 2 图 3 图 4 DN062-02v02 今越电子制作 - 3 - Tel. 15078386021 两端 ， 焊接时注意要使排针与 LCD 模块的电路板垂直 。 第二步是把 LCD 模块 焊到示波器的电路 板上 ， 将 LCD 模块插到电路板上 后先焊四角的针 ， 然 后检查整个 LCD 屏是否平整 ， 如果不平整则将其整平 。 第三步将其余的针一一焊好 。 9) 用元件剪下来的引线做一小环 ， 焊在示波器正面左上角 标有 “ 500Hz/5Vpp” 的两个孔上 ， 这是测试信号的输 出 。 10) 最后在 R28 靠近 R26 的一端与 J5 的 16 脚之间补焊一 条线 ， 如图 5 所示 。 至此焊接工作以全部完成 ， 将示波器背面的 JP1 用一小段引 线焊上 ， 通电 ， 看示波器是否正常启动 ， 如果不正常则仔细检查 焊接 ， 如果正常则可以投入使用了 。 4. 故障处理 1) 当发现示波器不能正常工作时 ， 首先检查电源 ， 检查的顺序依次是 VRAW+、 +5V、 AV+和 AV-， 用万用表分别测量这些电压的测试点 ， 看是否正常 ， 不正常则检查相关电路 。 它们的正常范围一 般是 ： VRAW+： +8V - +13V AV+： +8V - +13V AV-： -6V - -13V 2) 如果这些电压都正常 ， 示波器屏幕应该能正常显示 ， 如果不能正常显示则重点检查显示有关电路 焊接是否良好 ， 这主要是 LCD 屏与单片机的连接及显示负压产生电路 （ C26， C28， DN2， R27 和 R29）。 3) 如果显示正常 ， 则看看按键能否正常操作 ， 该部分电路较简单 ， 如果不正常一般是焊接的问题 。 按键能正常操作则说明示波器的数字部分已完全正常工作 。 4) 如果无波形显示或显示波形不正常 ， 一般是模拟同道的问题 ， 这时重点检查元件的焊接 ， 包括是 否接触良好 ， 极性是否正确等 。 版 本 历 史 版本 完 成 日期 摘 要 01 2008.08.22 初稿 02 2008.08.27 补 充 了 LCD 模 块 焊 接 的 照 片 ； 增 加 “ 故 障 处 理 ” 的 内 容 ； 对 多 处 文 字 作 了 修 改 。 图 5 今越电子工作室 版权所有 - 1 - 示波器触发模式及其使用 今越电子工作室 刘泽民 示波器的触发模式是另一个常常使初学电子的朋友感到困惑的概念，本文将着重解释基 本的示波器触发模式，并从实用的角度说明它们的选用方法，以期能帮助初学者有效地使用 这些模式。 示波器的基本触发模式 什么是示波器的触发模式 ？我们知道，示波器需要通过“触发” 这样一种办法来使得 示波器的扫描与被观测信号同步，从而显示稳定的波形 (见 什么是示波器的触发？ 一文 ) ， 所谓“触发模式” 是指一些为产生触发所选定的方式，以满足不同的观测需要。 示波器最常用最基本的触发模式有三种：第一种是“自动模式” ，示波器面板上一般 标为“ AUTO” 。在这种模式下，当触发没有发生时，示波器的扫描系统会 根据设定的扫 描速率自动进行扫描；而当有触发发生时，扫描系统会尽量按信号的频率进行扫描。所以在 这种模式下不论触发条件是否满足，示波器都会产生扫描，都可以在屏幕上可以看到有变化 的扫描线，这是这种模式的特点。 第二种是“正常模式” ，也称为“常规模式” ，在面板上一般标为“ NORMAL” 或 “ NORM” 。这种模式与自动模式不同，在这种模式下示波器只有当触发条件满足了才进 行扫描，如果没有触发，就不进行扫描。因此在这种模式下如果没有触发的话，对于模拟示 波器而言您会看不到扫描线，屏幕上什么都没有，对于数字示波器而言您 会看不到波形更新， 不了解这一点还常常会以为是信号没连上或什么其他故障。 第三种是“单次模式” ，一般标为“ SINGLE” 或“ SIGL” 。这种模式与“正常模 式” 有一点类似，就是只有当触发条件满足时才产生扫描，否则不扫描。而不同在于，这 种扫描一但产生并完成后，示波器的扫描系统即进入一种休止状态，使得后面即使再有满足 触发条件的信号出现也不再进行扫描，也就是触发一次只扫描一次，即单次，必须通过手工 的方法将扫描系统重启，才能产生下一次触发。 显然，对于普通模拟示波器而言在这种模 式下您经常会发现什么也看不到，因为 波形一闪而过，示波器不能将其保留，因此除了与照 相机配合将一闪而过的波形拍下来，在多数场合这种模式没有什么用。 以上三种触发模式是绝大多数示波器都会提供的，那么，我们在实际中应该怎样选择和 使用呢？ 示波器触发模式的使用 在实际使用中，不同触发模式的选择常常是根据对被观测信号特性和要观测的内容作出 的，其间并没有什么固定的规则，而往往是一个交互的过程，即通过选择不同的触发模式了 解信号的特性，又根据信号的特性和想要观测的内容选择有效的触发模式。在这个过程中最 重要的是要理解不同触发模式的工作机制，了解被观测信号的特 点以及明确所要观测的内 示波器触发模式及其使用 今越电子工作室 版权所有 - 2 - 容。 一般来说，在对信号的特点不是很了解的时候，应该选择自动模式，因为这时不管信号 是什么样示波器都会扫描，您至少能在屏幕上看到一些东西，那怕仅仅是扫描线也好，而不 会什么都没有。有扫描线后可以通过调节垂直增益、垂直位置、时基速率等参数“找到” 波 形，然后通过选择触发源、触发边沿、触发电平等稳定波形。对于模拟示波器来说，只要信 号是周期性的，其频率在适合相应示波器观测的范围内并且不太复杂的话，通过这样的步骤 一般能达到对信号的大体了解，然后根据需要可作进一步的观测。 对于正常模式，许多朋友可能 会觉得与自动模式在观测效果上没有什么区别，常常有这 样的情况，将触发模式在自动与正常之间切换，屏幕波形并没有什么变化，不过这种情形往 往只发生在被观测信号是一些比较简单的周期性信号的情况下。正常模式的作用在于观测波 形的细节，特别是对于比较复杂的信号，例如视频同步信号。为什么这样说呢？这是因为为 了观测细节，我们必须将时基扫描速率调高，以便将波形展开。而当我们这样做的时候，就 会使得被观测信号的频率相对于示波器扫描速率而言变低，也就是说，在两次触发之间示波 器可能会作很多次扫描。在这种情形下，如果这时我们选择的是自动模 式，则示波器会实际 进行所有这些扫描，其结果是使这些扫描 (它们不是由触发产生 )所对应的波形与触发扫描所 对应的波形一起显示，造成显示波形的混叠，因而不能清晰地显示我们想看的波形。而如果 我们选择的是正常模式，则这些在触发之间的扫描示波器实际不会进行，只进行那些因触发 而产生的扫描，因而只显示我们想看到的与触发相联系的波形，从而使波形会比较清晰，这 就是正常触发模式的功用。图 1 是这种情况的图解，在图 1 中，左侧上方是被观测的波形， 下方是扫描波形，右侧是波形的显示。图 1a 中扫描速率较低，不便于观察波形的细节；图 1b 将扫描 速率提高，采用自动触发模式，这时显示的波形是不清晰的，有混叠现象；图 1c 中 的扫描速率与图 1b 相同，但采用正常触发方式，仅在有触发时才进行扫描，因而显示清晰 的波形。 对于单次模式，如上所述就普通模拟示波器而言我们基本上是难以利用的，但对于数字 存储示波器来说它是一种非常有用的触发模式。在数字存储示波器中，使用单次触发模式可 以捕捉单次出现或多次出现但不太具有周期性的信号。虽然使用正常模式也能够捕捉单次的 信号，但如果信号是多次而非单次时，在正常模式下后面出现的信号所触发的扫描就会将前 面捕获的结果抹去，因此反而得不 到稳定的波形。在这种时候如果采用单次模式就没有这个 问题，也就是说，单次模式的触发具有从多次出现的信号中挑选一个的能力。 以上我们简述了示波器的基本触发模式以及它们在实际使用中的考虑，以期对初学者掌 握示波器有帮助。除了本文所讨论的内容外，示波器的其他参数的调节也非常重要，使用者 一方面要对各种参数调节的含义有清晰的理解，另一方面也要了解被观测信号的特性和明确 所要观察目标，才能真正有效使用示波器达到测量测试的目的。 示波器触发模式及其使用 今越电子工作室 版权所有 - 3 - 图 1a. 扫描速率较低时的波形显示 图 1b. 扫描速率提高但采用自动触发模式时的波形显示 图 1c. 扫描速率提高但采 用正常触发模式时的波形显示