基于TFT彩屏液晶的便攜數字存儲示波器

摘 要:設計了一種以TFT彩屏液晶模塊為顯示器件的新型便攜數字存儲示波器。示波器的信號調理電路通過CA3338E的輸出信號控制兩級AD603放大，結合單片機控制繼電器對信號進行衰減，實現了程控衰減放大和自動增益控制的功能。對于A/D采集到的信號，在單片機內部開辟RAM存儲區對波形數據進行循環緩存，達到了邊采集邊顯示的控制效果。在對波形顯示的控制中，使用數字化的觸發器代替傳統的硬件觸發電路，降低了系統的復雜度，借助于正弦插值技術，使屏幕顯示的波形連續穩定。該示波器可以用來顯示常用信號的波形，并進行相關參數的測量顯示，具有輸入信號的動態范圍大，體積小，便于攜帶的優點，具有廣泛的應用空間。關鍵詞:TFT液晶; 數字存儲示波器; 自動增益控制; 插值函數

中圖分類號:TN94-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)18-0166-04

Portable DSO Based on TFT Colorized LCD

DING Hao， SONG Jie， GUAN Jian

(Research Institute of Information Fusion， Naval Aeronautical and Astronautical University， Yantai 264001， China)

Abstract: A new kind of portable digital storage oscilloscope (DSO) with TFT colorized LCD as its display device is developed. The signal modulation circuit of the oscilloscope uses the output signal of CA3338E to control the amplification of the two-order AD603. The attenuation of input signal is implemented by relays controlled by MCU. The function of both program-controlled attenuation/amplification and automatic gain control are realized. For the digital signal acquired by A/D chips， two slices of RAM are adopted to restore the wave data in the form of cycle storage， thus the effect of acquisition while displaying is realized. As for the control of the waveform display， a digital trigger is designed instead of the traditional hardware triggering circuits. In this way， the complexity of the system is reduced. With the help of sinusoidal interpolation algorithm， the wave displayed on the screen is both continuous and stable. This kind of oscilloscope can be used to display the wave of common signals， and measure the relevant parameters in the meanwhile. It has a wide dynamic range for the input signal and a broad space of application， and is small in size and portable.

Keywords: TFT LCD; digital storage oscilloscope; AGC; interpolation function

收稿日期:2010-04-23

基金項目:國家自然科學基金資助項目(60672140);全國優秀博士學位論文作者專項基金資助項目(200237)

在電子技術領域中，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化為電量，使用示波器進行觀測[1]。因此，示波器得到了廣泛的應用。

隨著電子設備復雜程度的增加，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，這就使它的應用受到了一些限制，在這種情況下，開發低成本便攜的手持示波器，將會大大提高其應用空間，為電子技術開發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用，使用液晶作為顯示器件具有顯示質量高，數字式接口，體積小，重量輕，功耗小等優點[2]。本文設計的系統，以C8051F020單片機為核心，以TFT彩屏液晶為顯示器件，將輸入信號經過必要的信號調理電路以后進行采樣，采樣后的數字信號在單片機內進行實時的數據處理，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，并編寫相應的程序，實時顯示出輸入信號的波形，并對信號進行相關參數的測量，實現了手持示波器的功能。

1 系統組成與工作原理

1.1 系統組成

系統主要有信號調理電路，采集處理模塊和液晶外圍電路組成。信號調理電路由繼電器、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。采集處理模塊負責采集調理電路輸出的信號，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計。系統組成的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

1.2 系統工作原理

系統時鐘控制A/D采集波形數據，在單片機內部配置兩塊RAM緩存區，并采用循環存儲器結構。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，形成了一個環形結構。采集開始時，將采集數據按順序寫入其中一個存儲區，當所有單元都存滿以后，將該存儲區的數據送到LCD顯示，與此同時，下一輪的采樣數據不斷存儲到另一個存儲區，存滿以后2個存儲區交換功能。如此輪換交替，這樣接收A/D采集數據和數據顯示可以同時進行，而數據顯示的速率大于A/D采集速率，從而可以有效避免數據丟失[1，3]。

系統的工作過程如下:輸入信號經前端信號調理電路轉換到合適的電平，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據。對LCD初始化編程，接收單片機存儲的波形數據，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 系統硬件設計

系統硬件主要實現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，系統硬件總體框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件總體框圖

2.1 信號調理電路

信號調理電路實現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可調的可控增益放大器AD603組成。通過單片機，結合8位D/A轉換芯片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系為:

AG(dB)=40Vc+10(1)

當使用兩級級聯時，則增益和控制電壓關系為:

AG(dB)=40Vc1+40Vc2+20(2)

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A/D轉換后采集到單片機中，根據預先設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，則單片機重新發出控制信號，減小對輸入信號的衰減倍數，直到衰減后的信號滿足最佳測量范圍為止。對應于每個檔位的信號，輸出一個8位的數字信號至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，完成信號的程控衰減放大。

這樣設計，一方面可以實現自動增益控制。系統會根據程序的設定對輸入信號的幅度自動選擇放大衰減的倍數，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的程控倍數相乘，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的輸入通路前并聯了兩個鉗位穩壓二極管，保證在輸入交流信號過壓時鉗位在安全范圍內，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，轉到更高檔位，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，有按8位端口組織的64個數字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 Transistor)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[4]。

液晶模塊采用ILI9320片上系統(SoC)驅動器，支持26萬色顯示，分辨率為240RGB×320像素，圖像數據存儲區的大小為172，800字節，同時還集成了電源電路[5]。其內部結構框圖如圖3所示。

圖3 ILI9320內部結構框圖

ILI9320與MCU之間有4種總線接口方法，分別為i80系統總線，串行總線，RGB總線和VSYNC總線。在此采用i80系統總線進行控制，通過讀使能(RDB)和寫使能(WRB)兩條控制線進行讀寫操作，其中數據寬度為8位。由于LCD模塊中的數據線為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為雙向數據總線，RS為數據/寄存器的選擇信號，當RS為低電平時，表示對液晶模塊內部的寄存器操作，為高電平時對顯存中的數據進行操作，CS為片選信號，RESET為復位信號。這些信號線直接與單片機的GPIO總線相連，不需要設計外圍的電路。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要完成對程控衰減放大電路的控制，波形數據的處理與存儲，觸發設置以及LCD模塊的波形顯示功能初始化編程[6]，軟件設計總體框圖如圖4所示。

3.1 觸發器的軟件實現

觸發器是示波器的重要組成部分，通過觸發器產生的控制信號，控制示波器對波形數據的存儲和顯示，達到穩定同步的目的。本系統設計的觸發器，采用全數字化結構，大大降低了系統硬件電路的復雜性，并且觸發條件的調整比較方便。觸發器通過引用單片機內部的RAM資源定制了一個FIFO作為采集數據的暫存區，將波形數讀入該緩存區[7-8]，按照預先設定的觸發門限，將緩存區中的數據讀出，如果滿足觸發條件，則將數據在屏幕上顯示出來。

圖4 軟件設計總體框圖

3.2 波形顯示的插值算法

采樣得到的波形數據可以直接顯示，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，也就是說利用少數采樣點來推算出完整波形數據的處理方法。

插值的方法有多種，比如矢量式內插、正弦內插、抽樣函數內插等[1]，結合各自的特點，本系統使用了正弦內插技術，使得波形的顯示具有很好的連續性，提高了視覺效果。

正弦內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個數據字就可以構成一個較完整的正弦波形。它的理論基礎是信號重建的抽樣內插公式，即:

y(t)=∑∞m=-∞x(mT)sin[(π/T)(t-mT)](π/T)(t-mT)(3)

式中:T為采樣周期;x(mT)為A/D采樣得到的數據。式(3)表明，可以通過抽樣信號恢復出原始的連續時間信號。本文中不需要恢復原始信號，只是為了增加采樣點數據，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要插入5~10個波形數據，同時，求和范圍也要進行限制，計算點區間為(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插值算法處理以后的采樣信號，可見，正弦內插算法插入的數據點接近原始信號的幅值。經理論計算可知，當求和區間為(0， 30)時，引起的幅度顯示誤差小于0.9%。

圖5 正弦內插算法仿真

4 系統調試和測試

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

在進行系統聯調時，要不斷修正程控衰減放大電路的程序，將輸入信號調整到最佳的顯示量程范圍內，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，波形顯示穩定連續，測量信號參數的精度高，且彩色信息豐富。

5 結 語

研究了以TFT液晶作為顯示器件的手持數字存儲示波器的總體方案，即由信號調理電路，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，實現了程控的衰減放大并且兼有自動增益控制的功能。通過軟件設計了數字觸發器，取代了一般示波器中常用的觸發電路，降低了系統的硬件復雜度。波形顯示時，綜合利用了內插函數和線性插入兩種插值法，使顯示波形連續穩定。該數字存儲示波器允許輸入信號的動態范圍大，體積小，便于攜帶，具有很高的應用價值和廣闊的發展空間。

圖7 TFT液晶顯示的正弦信號

參考文獻

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