基于USB的虚拟示波器设计

宋国林　周伟　薛迪杰

摘要：本文介绍一款USB接口的虚拟示波器的设计方案，重点介绍了采用MICROCHIP公司单片机PIC18F2550制作的USB虚拟示波器。 PIC18F2550是一款采用纳瓦技术的28引脚高性能增强型闪存USB单片机，非常适合做简易虚拟示波器。本示波器与其他示波器比较，最大的特点是可以定量地给出信号的各种参量，比如最大、最小值和频率等，特别适合于学校教学实验以及无线电爱好者日常制作的需求。在学校教学中可以直连投影机，使全体学生都可以远距离看到信号波形的演示。

关键词：USB PIC18F2550 虚拟示波器

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）08-0167-02

1 引言

智能仪器（VI）是计算机技术向测量仪器移植的产物，是含有微计算机或微处理器的测量仪器。由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，因而被称之为智能仪器。自从“智能仪器”概念产生以来，智能仪器在测量过程自动化、测量结果的数据处理及一机多用（多功能化）等方面已经取得了巨大的进展。可以说，在高准确度、高性能、多功能的测量中都采用智能仪器。

示波器是电子测量行业最常用的测量仪器之一，主要用来测量并显示被测信号的参数和波形，在科学研究、科学实验以及现场监测等领域被广泛应用。随着科学研究的不断深入和各种高新技术的不断发展，传统示波器的许多缺陷诸如测量不方便、波形处理简单、不便于携带等逐渐显露出来，越来越不能满足现代应用的需要。随着技术的发展，越来越多的人把测量仪器设计的眼光投向虚拟仪器的开发设计上。虚拟仪器以其软硬结合，体积小，携带方便，价格低廉等优势受到更多测量从业者及爱好者的青睐，并且能够利用模块化硬件结合软件来完成各种测试、测量和自动化等应用。灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。

2 设计方案

本设计采用了基于数据采集系统上的虚拟仪器系统组建方案来实现虚拟示波器的功能，使用功能强大的微型计算机来完成信号的处理和波形的显示，并且利用软件技术在屏幕上设计出逼真的仪器面板，来进行各种信号的处理、加工和分析，用各种不同的方式（如数据、图形、图表等）表示测量结果，完成各种规模的测量任务。当前流行的是基于USB接口的虚拟示波器。这种设计不用担心热插拨可能给计算机带来的损害，无需额外提供电源。本文采用MICROCHIP公司的USB单片机PIC18F2550来制作虚拟示波器。PIC18F2550是一款采用纳瓦技术的28引脚高性能增强型闪存USB单片机，拥有32KB闪存，2KB RAM，256字节EEPROM，3个外部中断，4个定时器模块（Timer0 到Timer3），2个捕捉/ 比较/PWM （CCP）模块，其USB接口兼容USB V2.0，支持低速（1.5 Mbit/s）和全速（12 Mbit/s）数据传输，支持控制、中断、计时和批量数据传输模式，特别是内置有10路10位模数转换器非常适合用于虚拟示波器。本示波器与其他示波器比较，最大的特点是可以定量地给出各种参量，比如最大、最小值和频率等，无需使用者再去数格子，然后还要计算。因此，特别适合于学校教学实验以及无线电爱好者日常制作的需求。在学校教学中可以直连投影机，使全体学生都可以远距离看到信号波形的演示。

本设计支持直流测量，可以定量测量信号，其中主要技术指标如下：

（1）采样频率：323.53kHz、100kHz、50kHz、20kHz、10kHz、5kHz、2kHz、1kHz 8挡可调。

（2）最高输入电压分两挡：±2.5V，±12.5V，如果接入10：1示波器探棒，最大输入电压可达±125V。

（3）输入阻抗：1MΩ。

（4）供电电压：无需外部供电，直接从PC机的USB接口取电。

（5）触发范围：0%～100%。

（6）接口：USB接口。

3 硬件设计

硬件电路设计如图1所示，从图中可以看出电路的输入信号调理部分和信号转换部分与并口示波器相同，R11、R12、R13、R14、C19、C20和C21构成输入交直流切换和衰减网络，提供交直流输入切换和1：1、1：5的输入信号切换功能。TL074中的一个运放U1A和其周边原件构成一个跟随放大器，提供了输入保护和阻抗转换功能；TL074中的另一个运放U1B构成一个正相放大器，提供-2.5V～+2.5V 向0～2.5V的转换功能；同时依据实际操作的经验，取消了不实用的外触发部分，简化了电路。电路的主体部分以PIC18F2550为核心，PIC18F2550与周边电路共同构成了模数转换采样和USB接口部分，其中TL431和接在其阴极的680Ω电阻构成了一个2.5V电压基准，供单片机作为模数转换和运放电平转换的电压基准。由于USB仅能提供5V电源，不能满足前两级运放的工作条件，为此采用一片34063构成了5V～-5V的转换电路供运放使用。

4 设计调试

本设计软件程序采用的是USBScope。USBScope Basic 具有双频道示波器操作模式，可进行标志（marker）测量、触发（含绝对式、差动式与外部式）及可调整的预触发（pretrigger）、信号电压及频率测量、滤波（filtering）等。在调试时可以不用外加电源，只需使用 USB接口即可完全解决所有传统仪器的不便。调试方法即用虚拟示波器测量信号发生器输出信号的各个参量及波形，调试过程中如图2、图3、图4所示。

通过测试，本设计不但可以显示方波、三角波、正弦波等常用波形，还可以通过菜单进行波形幅度、频率、周期等参数的测量。另外，还可以软件功能方便地进行存储或调用波形、个性化设置界面等操作。

参考文献

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