基于USB的虛擬示波器設計

宋國林　周偉　薛迪杰

摘要：本文介紹一款USB接口的虛擬示波器的設計方案，重點介紹了采用MICROCHIP公司單片機PIC18F2550制作的USB虛擬示波器。 PIC18F2550是一款采用納瓦技術的28引腳高性能增強型閃存USB單片機，非常適合做簡易虛擬示波器。本示波器與其他示波器比較，最大的特點是可以定量地給出信號的各種參量，比如最大、最小值和頻率等，特別適合于學校教學實驗以及無線電愛好者日常制作的需求。在學校教學中可以直連投影機，使全體學生都可以遠距離看到信號波形的演示。

關鍵詞：USB PIC18F2550 虛擬示波器

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0167-02

1 引言

智能儀器（VI）是計算機技術向測量儀器移植的產物，是含有微計算機或微處理器的測量儀器。由于它擁有對數據的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能，因而被稱之為智能儀器。自從“智能儀器”概念產生以來，智能儀器在測量過程自動化、測量結果的數據處理及一機多用（多功能化）等方面已經取得了巨大的進展。可以說，在高準確度、高性能、多功能的測量中都采用智能儀器。

示波器是電子測量行業最常用的測量儀器之一，主要用來測量并顯示被測信號的參數和波形，在科學研究、科學實驗以及現場監測等領域被廣泛應用。隨著科學研究的不斷深入和各種高新技術的不斷發展，傳統示波器的許多缺陷諸如測量不方便、波形處理簡單、不便于攜帶等逐漸顯露出來，越來越不能滿足現代應用的需要。隨著技術的發展，越來越多的人把測量儀器設計的眼光投向虛擬儀器的開發設計上。虛擬儀器以其軟硬結合，體積小，攜帶方便，價格低廉等優勢受到更多測量從業者及愛好者的青睞，并且能夠利用模塊化硬件結合軟件來完成各種測試、測量和自動化等應用。靈活高效的軟件能創建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統集成，標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應用的需求。

2 設計方案

本設計采用了基于數據采集系統上的虛擬儀器系統組建方案來實現虛擬示波器的功能，使用功能強大的微型計算機來完成信號的處理和波形的顯示，并且利用軟件技術在屏幕上設計出逼真的儀器面板，來進行各種信號的處理、加工和分析，用各種不同的方式（如數據、圖形、圖表等）表示測量結果，完成各種規模的測量任務。當前流行的是基于USB接口的虛擬示波器。這種設計不用擔心熱插撥可能給計算機帶來的損害，無需額外提供電源。本文采用MICROCHIP公司的USB單片機PIC18F2550來制作虛擬示波器。PIC18F2550是一款采用納瓦技術的28引腳高性能增強型閃存USB單片機，擁有32KB閃存，2KB RAM，256字節EEPROM，3個外部中斷，4個定時器模塊（Timer0 到Timer3），2個捕捉/ 比較/PWM （CCP）模塊，其USB接口兼容USB V2.0，支持低速（1.5 Mbit/s）和全速（12 Mbit/s）數據傳輸，支持控制、中斷、計時和批量數據傳輸模式，特別是內置有10路10位模數轉換器非常適合用于虛擬示波器。本示波器與其他示波器比較，最大的特點是可以定量地給出各種參量，比如最大、最小值和頻率等，無需使用者再去數格子，然后還要計算。因此，特別適合于學校教學實驗以及無線電愛好者日常制作的需求。在學校教學中可以直連投影機，使全體學生都可以遠距離看到信號波形的演示。

本設計支持直流測量，可以定量測量信號，其中主要技術指標如下：

（1）采樣頻率：323.53kHz、100kHz、50kHz、20kHz、10kHz、5kHz、2kHz、1kHz 8擋可調。

（2）最高輸入電壓分兩擋：±2.5V，±12.5V，如果接入10：1示波器探棒，最大輸入電壓可達±125V。

（3）輸入阻抗：1MΩ。

（4）供電電壓：無需外部供電，直接從PC機的USB接口取電。

（5）觸發范圍：0%～100%。

（6）接口：USB接口。

3 硬件設計

硬件電路設計如圖1所示，從圖中可以看出電路的輸入信號調理部分和信號轉換部分與并口示波器相同，R11、R12、R13、R14、C19、C20和C21構成輸入交直流切換和衰減網絡，提供交直流輸入切換和1：1、1：5的輸入信號切換功能。TL074中的一個運放U1A和其周邊原件構成一個跟隨放大器，提供了輸入保護和阻抗轉換功能；TL074中的另一個運放U1B構成一個正相放大器，提供-2.5V～+2.5V 向0～2.5V的轉換功能；同時依據實際操作的經驗，取消了不實用的外觸發部分，簡化了電路。電路的主體部分以PIC18F2550為核心，PIC18F2550與周邊電路共同構成了模數轉換采樣和USB接口部分，其中TL431和接在其陰極的680Ω電阻構成了一個2.5V電壓基準，供單片機作為模數轉換和運放電平轉換的電壓基準。由于USB僅能提供5V電源，不能滿足前兩級運放的工作條件，為此采用一片34063構成了5V～-5V的轉換電路供運放使用。

4 設計調試

本設計軟件程序采用的是USBScope。USBScope Basic 具有雙頻道示波器操作模式，可進行標志（marker）測量、觸發（含絕對式、差動式與外部式）及可調整的預觸發（pretrigger）、信號電壓及頻率測量、濾波（filtering）等。在調試時可以不用外加電源，只需使用 USB接口即可完全解決所有傳統儀器的不便。調試方法即用虛擬示波器測量信號發生器輸出信號的各個參量及波形，調試過程中如圖2、圖3、圖4所示。

通過測試，本設計不但可以顯示方波、三角波、正弦波等常用波形，還可以通過菜單進行波形幅度、頻率、周期等參數的測量。另外，還可以軟件功能方便地進行存儲或調用波形、個性化設置界面等操作。

參考文獻

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