基于TLC5510的手持示波器設(shè)計(jì)

盧 貺

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院， 武漢 430205）

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字示波器得到較快的發(fā)展。數(shù)字示波器把外部輸入的模擬電壓經(jīng)過(guò)衰減、放大、信號(hào)處理等電路后，再利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，將模擬電壓信號(hào)變?yōu)閿?shù)字量信號(hào)，通過(guò)顯示屏展示出來(lái)，同時(shí)可保存在相應(yīng)存儲(chǔ)設(shè)備里。數(shù)字示波器還有觸發(fā)功能，能捕獲相關(guān)信號(hào)。利用一些程序算法，數(shù)字示波器可從時(shí)域分析擴(kuò)展到數(shù)據(jù)域分析?，F(xiàn)在的數(shù)字示波器具有功耗低、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，在很多領(lǐng)域都可使用，市場(chǎng)前景廣闊。

一、總體設(shè)計(jì)

手持示波器采用MSP430F149為處理器，該處理器具有低功耗特點(diǎn)，適合在手持便攜設(shè)備上使用。示波器由模擬通道、信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換器、處理器以及鍵盤(pán)和LCD顯示等部分組成，系統(tǒng)如圖1所示。

1.模擬通道。示波器是用于顯示信號(hào)波形的，由于要觀察的信號(hào)有大有小，為了能有效顯示常常要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大或者衰減，這就是示波器模擬通道的作用。模擬通道主要由可以調(diào)節(jié)的衰減器和放大器組成，還有為了觀察方便的耦合選擇電路和垂直移位電路。

2.轉(zhuǎn)換器。經(jīng)過(guò)模擬通道處理的信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換器，變成數(shù)字信號(hào)，從而可以用數(shù)字的方法進(jìn)行處理、儲(chǔ)存和顯示。

3.波形存儲(chǔ)和顯示。在本手持示波器中，波形的儲(chǔ)存和顯示是由處理器MSP430F149完成的，能將數(shù)字化后的信號(hào)按照設(shè)定的要求顯示在LCD屏幕上。

4.觸發(fā)電路。為了能穩(wěn)定觀察信號(hào)，示波器一般都配備了觸發(fā)電路。

5.輔助功能。按鍵處理與PC通信等。

圖1 手持示波器系統(tǒng)框圖

二、硬件設(shè)計(jì)

示波器硬件系統(tǒng)由MSP430F149處理器、電源變換、時(shí)鐘振蕩、衰減放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、按鍵處理、LCD顯示等電路組成。硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

（一）處理器電路說(shuō)明

本設(shè)計(jì)采用低功耗處理器，整體電路盡可能采用降低功率消耗的措施，減小芯片的發(fā)熱和延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。[1]處理器電路如圖3所示。

圖3 處理器電路

主處理器為低功耗單片機(jī)，在1 M赫茲頻率、2.2 V正常工作模式時(shí)的工作電流只有280微安。內(nèi)有包含電壓源的12 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)崿F(xiàn)Sample、Hold和自動(dòng)掃描等功能。該單片機(jī)工作可靠、性能優(yōu)良，適應(yīng)工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境。[2]

（二）TLC5510電路說(shuō)明

模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇德儀公司的TLC5510，具有高速模數(shù)轉(zhuǎn)換能力，最小采樣率是20 000 ksps，在進(jìn)行高速模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)具有功耗低的優(yōu)點(diǎn)，此時(shí)功耗只有130毫瓦。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。由圖可知：該芯片包括CLK發(fā)生器、高4位和低4位Sampling比較器、基準(zhǔn)電壓分壓器、Encoder和數(shù)據(jù)鎖存器等電路。

圖4 TLC5510內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

TLC5510通過(guò)8位數(shù)據(jù)連接線(xiàn)與MSP430F149處理器連接。為了減少系統(tǒng)噪聲，從信號(hào)調(diào)理電路輸出的模擬電壓信號(hào)通過(guò)R28、C35組成的無(wú)源低通濾波器接到AD芯片內(nèi)部。芯片外部的模擬和數(shù)字電路要做電氣隔離，包括模擬和數(shù)字電路的VCC、地線(xiàn)之間加上去耦電容。這些防干擾措施可以減小各種噪聲信號(hào)的影響，保證A/D轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。[3]AD轉(zhuǎn)換部分電路如圖5所示。

圖5 AD轉(zhuǎn)換電路圖

（三）信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路如圖6所示，包含有耦合方式選擇，通過(guò)單刀波段開(kāi)關(guān)S1可以選擇交流、直流或頻率測(cè)量等方式，開(kāi)關(guān)S2實(shí)現(xiàn)衰減選擇，開(kāi)關(guān)S3實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)選擇。S2和S3需要配合使用，其作用是調(diào)節(jié)送到A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)幅度。如果信號(hào)幅度過(guò)大會(huì)超出屏幕顯示范圍，過(guò)小觀測(cè)波形誤差會(huì)較大，所以要根據(jù)信號(hào)情況選擇適當(dāng)?shù)姆?。U1有兩個(gè)運(yùn)放，實(shí)現(xiàn)了兩級(jí)信號(hào)放大功能。[4]

（四）信號(hào)調(diào)理電路

其他電路還包括按鍵、128×64點(diǎn)陣顯示屏接口等電路，這些電路比較成熟，在此就不再進(jìn)行贅述。

三、軟件設(shè)計(jì)

主程序流程如圖7所示。最開(kāi)始的步驟為初始化，該步驟包括示波器系統(tǒng)設(shè)置、設(shè)置全局變量、定時(shí)中斷、端口外部中斷等。定時(shí)中斷中會(huì)完成數(shù)據(jù)采集工作，數(shù)據(jù)采集完成，會(huì)設(shè)置相應(yīng)的采集完成標(biāo)志變量。而后為主循環(huán)程序，有按鍵任務(wù)掃描，根據(jù)采集完成標(biāo)志變量判斷數(shù)據(jù)幀采集情況，只有采集到一幀完整的數(shù)據(jù)，才能做幀同步處理，并關(guān)閉中斷。判斷是否是交流檔位，做直流濾波、數(shù)據(jù)映射等操作，然后在點(diǎn)陣顯示屏上繪制相應(yīng)的數(shù)據(jù)波形。當(dāng)一幀數(shù)據(jù)處理完成后，再打開(kāi)中斷，開(kāi)始下一幀數(shù)據(jù)的采集和處理操作。[5]

數(shù)據(jù)采集在定時(shí)中斷中進(jìn)行，其流程如圖8所示。設(shè)置定時(shí)器定時(shí)時(shí)長(zhǎng)要根據(jù)被采集信號(hào)的頻率來(lái)確定，不同信號(hào)頻率的定時(shí)時(shí)長(zhǎng)也不同。當(dāng)然定時(shí)器定時(shí)時(shí)長(zhǎng)不能無(wú)限小，如果信號(hào)頻率過(guò)高，則進(jìn)入高速采樣模式，即在定時(shí)中斷處理程序中，連續(xù)采集一幀數(shù)據(jù)。

圖6 信號(hào)調(diào)理電路圖

圖7 主程序流程圖

頻率測(cè)量程序處理原理：被測(cè)信號(hào)通過(guò)整形電路，輸出矩形波，打開(kāi)定時(shí)器，定時(shí)指定時(shí)長(zhǎng)，再計(jì)數(shù)指定時(shí)間內(nèi)矩形波高電平的次數(shù)，從而得到輸入信號(hào)的頻率。

圖8 數(shù)據(jù)采集流程圖

四、總結(jié)

本手持示波器采用MSP430F149為處理器、TLC5510為A/D轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計(jì)符合性能要求的衰減、整形、放大、濾波等電路，外接LCD顯示屏和按鍵模塊，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)信號(hào)從輸入整形、信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、波形顯示等功能。具有便于攜帶、價(jià)格便宜、精度高等特點(diǎn)，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。