在電子技術(shù)領(lǐng)域中, 通常需要借助于一些輔助的儀器來觀察電路中信號的相互關(guān)系, 這些儀器的種類很多, 比如萬用表、信號源、示波器、頻譜儀等。其中, 示波器可以觀察到信號的全貌, 它可以在顯示屏幕上直接觀察到被測信號的波形, 并測量信號的幅度、頻率、周期等基本參量。除此之外, 其他的非電量也可以轉(zhuǎn)化為電量, 使用示波器進行觀測。因此, 示波器得到了廣泛的應(yīng)用。隨著電子設(shè)備復(fù)雜程度的增加, 對于示波器這樣的測量儀器也提出了更多的要求, 除了成本的限制以外, 在體積、性能以及使用的靈活性方面也有了新的要求。目前常用的示波器一般都是體積比較大, 成本高,這就使它的應(yīng)用受到了一些限制, 在這種情況下, 開發(fā)低成本便攜的手持示波器, 將會大大提高其應(yīng)用空間,為電子技術(shù)開發(fā)人員提供更多的便利。

液晶顯示器在便攜式儀器中有著廣泛的應(yīng)用, 使用液晶作為顯示器件具有顯示質(zhì)量高, 數(shù)字式接口, 體積小, 重量輕, 功耗小等優(yōu)點。本文設(shè)計的系統(tǒng), 以C8051F020 單片機為核心, 以TFT 彩屏液晶為顯示器件, 將輸入信號經(jīng)過必要的信號調(diào)理電路以后進行采樣, 采樣后的數(shù)字信號在單片機內(nèi)進行實時的數(shù)據(jù)處

理, 并按照一定的格式輸出到液晶屏幕。通過對液晶進行初始化, 并編寫相應(yīng)的程序, 實時顯示出輸入信號的波形, 并對信號進行相關(guān)參數(shù)的測量, 實現(xiàn)了手持示波器的功能。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

1. 1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要有信號調(diào)理電路, 采集處理模塊和液晶外圍電路組成。信號調(diào)理電路由繼電器、增益控制D/ A、兩級可變增益放大器AD603 和保護電路組成, 主要用于對輸入信號進行程控的衰減與放大, 使得信號在最佳的測量和顯示量程范圍內(nèi)。采集處理模塊負責(zé)采集調(diào)理電路輸出的信號, 并對信號進行編碼緩存, 得到適合LCD 顯示的數(shù)字編碼信號。液晶外圍電路為液晶顯示電路提供合適的工作電壓, 并且對液晶模塊與單片機的接口電路進行了設(shè)計。系統(tǒng)組成的總體框圖如圖1所示。

1. 2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)時鐘控制A/ D 采集波形數(shù)據(jù), 在單片機內(nèi)部配置兩塊RAM 緩存區(qū), 并采用循環(huán)存儲器結(jié)構(gòu)。也就是說, 存儲器的各存儲單元按串行方式依次尋址, 且首尾相連, 形成了一個環(huán)形結(jié)構(gòu)。采集開始時, 將采集數(shù)據(jù)按順序?qū)懭肫渲幸粋€存儲區(qū), 當所有單元都存滿以后, 將該存儲區(qū)的數(shù)據(jù)送到LCD 顯示, 與此同時, 下一輪的采樣數(shù)據(jù)不斷存儲到另一個存儲區(qū), 存滿以后2 個存儲區(qū)交換功能。如此輪換交替, 這樣接收A/ D 采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)顯示可以同時進行, 而數(shù)據(jù)顯示的速率大于A/ D 采集速率, 從而可以有效避免數(shù)據(jù)丟失。

系統(tǒng)的工作過程如下: 輸入信號經(jīng)前端信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換到合適的電平, 在單片機的控制下通過A/ D 對信號采集處理并存儲采集數(shù)據(jù)。對LCD 初始化編程接收單片機存儲的波形數(shù)據(jù), 將信號的波形實時顯示出來, 并測量信號的峰峰值電壓和頻率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要實現(xiàn)對輸入信號的程控衰減放大, 過壓保護, 信號的采集處理以及單片機與液晶模塊接口電路等, 系統(tǒng)硬件總體框圖如圖2 所示。

圖 2

2. 1 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路實現(xiàn)了對輸入信號的程控衰減放大,它由增益變化范圍線性連續(xù)可調(diào)的可控增益放大器AD603 組成。通過單片機, 結(jié)合8 位D/ A 轉(zhuǎn)換芯片CA3338E, 對兩片AD603 引腳端的輸入電壓進行控制。該芯片輸入控制電壓Vc 的范圍為- 0. 5~ + 0. 5 V,一級增益和控制電壓的關(guān)系為:

當使用兩級級聯(lián)時, 則增益和控制電壓關(guān)系為:

單片機輸出控制信號, 使繼電器對輸入信號進行100 倍衰減。衰減后的信號經(jīng)A/ D 轉(zhuǎn)換后采集到單片機中, 根據(jù)預(yù)先設(shè)置的檔位判斷信號所屬的范圍。如果

信號幅度過低, 不在這些范圍之內(nèi), 則單片機重新發(fā)出控制信號, 減小對輸入信號的衰減倍數(shù), 直到衰減后的信號滿足最佳測量范圍為止。對應(yīng)于每個檔位的信號,輸出一個8 位的數(shù)字信號至CA3338E 芯片, 并將其輸出的模擬信號加到AD603 的輸入端, 得到不同的放大倍數(shù), 完成信號的程控衰減放大。

這樣設(shè)計, 一方面可以實現(xiàn)自動增益控制。系統(tǒng)會根據(jù)程序的設(shè)定對輸入信號的幅度自動選擇放大衰減的倍數(shù), 來得到滿足信號采集部分電路要求的最佳信號電平, 在進行信號電壓的測量時, 只需要將采集到的信號電壓與相應(yīng)的程控倍數(shù)相乘, 就可以顯示出準確的電壓值。另一方面, 也可以大大擴展輸入信號的動態(tài)范圍。信號采集電路允許的最大輸入電壓為4 V 左右, 這樣, 當輸入峰峰值為400 V 信號時, 由于存在100 倍的衰減, 調(diào)理以后的輸出信號仍然不超過采集電路的范圍。

2. 2 過壓保護電路

在A/ D 的輸入通路前并聯(lián)了兩個鉗位穩(wěn)壓二極管, 保證在輸入交流信號過壓時鉗位在安全范圍內(nèi), 此時程序判斷到A/ D 的輸出大于量程, 也會自動切換衰減倍數(shù), 轉(zhuǎn)到更高檔位, 起到保護A/ D 和單片機芯片的作用。

2. 3 單片機與液晶模塊接口電路

單片機使用C8051F020, 它是一種高集成度的混合信號片上系統(tǒng), 有按8 位端口組織的64 個數(shù)字I/ O 引腳, 所有引腳都耐5 V 電壓, 都可以被配置為漏極開路或推挽輸出方式和弱上拉。液晶模塊采用TFT 液晶,TFT( Thin Film T ransistor) 為薄膜晶體管有源矩陣液晶顯示器件。每個液晶像素點都是由集成在像素點后面的薄膜晶體管來驅(qū)動, 從而可以做到高速度、高亮度、高對比度顯示屏幕信息。它以行掃描信號和列尋址信號控制作用于被寫入像素電極上的薄膜晶體管有源電路, 使有源電路產(chǎn)生足夠大的通斷比, 從而間接控制像素間呈TN 型的液晶分子排列, 達到顯示目的。

液晶模塊采用ILI9320 片上系統(tǒng)( SoC) 驅(qū)動器, 支持26 萬色顯示, 分辨率為240RGB@320 像素, 圖像數(shù)據(jù)存儲區(qū)的大小為172, 800 字節(jié), 同時還集成了電源電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖 3

ILI9320 與MCU 之間有4 種總線接口方法, 分別為i80 系統(tǒng)總線, 串行總線, RGB 總線和VSYNC 總線。在此采用i80 系統(tǒng)總線進行控制, 通過讀使能( RDB) 和寫使能(WRB) 兩條控制線進行讀寫操作, 其中數(shù)據(jù)寬度為8 位。由于LCD 模塊中的數(shù)據(jù)線為16 位, 實際中只用到了8 位, 因此要對低8 位接地。液晶模塊中,DB8~ DB15 為雙向數(shù)據(jù)總線, RS 為數(shù)據(jù)/ 寄存器的選擇信號, 當RS 為低電平時, 表示對液晶模塊內(nèi)部的寄存器操作, 為高電平時對顯存中的數(shù)據(jù)進行操作, CS 為片選信號, RESET 為復(fù)位信號。這些信號線直接與單片機的GPIO 總線相連, 不需要設(shè)計外圍的電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要完成對程控衰減放大電路的控制, 波形數(shù)據(jù)的處理與存儲, 觸發(fā)設(shè)置以及LCD 模塊的波形顯示功能初始化編程, 軟件設(shè)計總體框圖如圖4所示。[!--empirenews.page--]

3. 1 觸發(fā)器的軟件實現(xiàn)

觸發(fā)器是示波器的重要組成部分, 通過觸發(fā)器產(chǎn)生的控制信號, 控制示波器對波形數(shù)據(jù)的存儲和顯示, 達到穩(wěn)定同步的目的。本系統(tǒng)設(shè)計的觸發(fā)器, 采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu), 大大降低了系統(tǒng)硬件電路的復(fù)雜性, 并且觸發(fā)條件的調(diào)整比較方便。觸發(fā)器通過引用單片機內(nèi)部的RAM 資源定制了一個FIFO 作為采集數(shù)據(jù)的暫存區(qū),將波形數(shù)讀入該緩存區(qū), 按照預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)門限,將緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)讀出, 如果滿足觸發(fā)條件, 則將數(shù)據(jù)在屏幕上顯示出來。

圖4 軟件設(shè)計總體框圖

3. 2 波形顯示的插值算法

采樣得到的波形數(shù)據(jù)可以直接顯示, 這樣在屏幕上看到的是一些離散的亮點, 波形的顯示不是連續(xù)的, 不利于觀察分析信號, 因此需要進行插值算法, 也就是說利用少數(shù)采樣點來推算出完整波形數(shù)據(jù)的處理方法。插值的方法有多種, 比如矢量式內(nèi)插、正弦內(nèi)插、抽樣函數(shù)內(nèi)插等, 結(jié)合各自的特點, 本系統(tǒng)使用了正弦內(nèi)插技術(shù), 使得波形的顯示具有很好的連續(xù)性, 提高了視覺效果。正弦內(nèi)插是一種專門用于信號重建的方法, 一般情況下, 每個周期使用2. 5 個數(shù)據(jù)字就可以構(gòu)成一個較完整的正弦波形。它的理論基礎(chǔ)是信號重建的抽樣內(nèi)插公式, 即:

式中: T 為采樣周期; x(mT ) 為A/ D 采樣得到的數(shù)據(jù)。式( 3) 表明, 可以通過抽樣信號恢復(fù)出原始的連續(xù)時間信號。本文中不需要恢復(fù)原始信號, 只是為了增加采樣點數(shù)據(jù), 因此要對時間t 離散化, 一般來說, t 為0. 1T ~0. 2T, 也就是說每一個采樣周期內(nèi)要插入5 ~ 10 個波形數(shù)據(jù), 同時, 求和范圍也要進行限制, 計算點區(qū)間為( 0, m) , m的取值不能太大, 否則會降低運算速度[ 9] 。使用Matlab 對插值算法進行仿真, 仿真結(jié)果如圖5 所示, 其中圖5( a) 、圖5( b) 、圖( c) 分別為原始信號、采樣以后的離散信號以及經(jīng)插值算法處理以后的采樣信號,可見, 正弦內(nèi)插算法插入的數(shù)據(jù)點接近原始信號的幅值。經(jīng)理論計算可知, 當求和區(qū)間為( 0, 30) 時, 引起的幅度顯示誤差小于0. 9%。

圖5 正弦內(nèi)插算法仿真

4 系統(tǒng)調(diào)試和測試

在完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計以后, 需要進行綜合調(diào)試和測試。通過調(diào)試, 不斷優(yōu)化程序代碼, 對程序中的問題及時更正修改, 使系統(tǒng)的性能得以提高,工作狀態(tài)更加穩(wěn)定。測試的過程中可以修正電路中元器件的參數(shù)等, 以免理論分析與實際狀態(tài)的差距引起的波形顯示效果不佳以及顯示中噪聲的影響。

在進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時, 要不斷修正程控衰減放大電路的程序, 將輸入信號調(diào)整到最佳的顯示量程范圍內(nèi), 手持示波器的實物圖如圖6 所示。

圖6 手持示波器實物圖

當輸入500 Hz, 峰峰值為3. 2 V 的正弦信號時, 在TFT 彩屏上顯示的波形如圖7 所示, 其中屏幕的水平方向表示時間, 每一格為1 ms; 垂直方向表示輸入信號幅度, 每格為0. 6 V。從圖中可以看出, 波形顯示穩(wěn)定連續(xù), 測量信號參數(shù)的精度高, 且彩色信息豐富。

圖7 TFT 液晶顯示的正弦信號

5 結(jié) 語

研究了以TFT 液晶作為顯示器件的手持數(shù)字存儲示波器的總體方案, 即由信號調(diào)理電路, 采集處理模塊和液晶外圍電路組成。在確定總體方案的同時,給出了實現(xiàn)此總體方案的具體方法。采用CA3338E和兩級AD603 電路, 配合單片機控制繼電器的衰減倍數(shù), 實現(xiàn)了程控的衰減放大并且兼有自動增益控制的功能。通過軟件設(shè)計了數(shù)字觸發(fā)器, 取代了一般示波器中常用的觸發(fā)電路, 降低了系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度。波形顯示時, 綜合利用了內(nèi)插函數(shù)和線性插入兩種插值法, 使顯示波形連續(xù)穩(wěn)定。該數(shù)字存儲示波器允許輸入信號的動態(tài)范圍大, 體積小, 便于攜帶, 具有很高的應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展空間。