基于TLC5510的手持示波器设计

卢 贶

（武汉软件工程职业学院， 武汉 430205）

随着数字技术的发展，数字示波器得到较快的发展。数字示波器把外部输入的模拟电压经过衰减、放大、信号处理等电路后，再利用模数转换器件，将模拟电压信号变为数字量信号，通过显示屏展示出来，同时可保存在相应存储设备里。数字示波器还有触发功能，能捕获相关信号。利用一些程序算法，数字示波器可从时域分析扩展到数据域分析。现在的数字示波器具有功耗低、性价比高等特点，在很多领域都可使用，市场前景广阔。

一、总体设计

手持示波器采用MSP430F149为处理器，该处理器具有低功耗特点，适合在手持便携设备上使用。示波器由模拟通道、信号调理、A/D转换器、处理器以及键盘和LCD显示等部分组成，系统如图1所示。

1.模拟通道。示波器是用于显示信号波形的，由于要观察的信号有大有小，为了能有效显示常常要对信号进行放大或者衰减，这就是示波器模拟通道的作用。模拟通道主要由可以调节的衰减器和放大器组成，还有为了观察方便的耦合选择电路和垂直移位电路。

2.转换器。经过模拟通道处理的信号送到A/D转换器，变成数字信号，从而可以用数字的方法进行处理、储存和显示。

3.波形存储和显示。在本手持示波器中，波形的储存和显示是由处理器MSP430F149完成的，能将数字化后的信号按照设定的要求显示在LCD屏幕上。

4.触发电路。为了能稳定观察信号，示波器一般都配备了触发电路。

5.辅助功能。按键处理与PC通信等。

图1 手持示波器系统框图

二、硬件设计

示波器硬件系统由MSP430F149处理器、电源变换、时钟振荡、衰减放大、模数转换、按键处理、LCD显示等电路组成。硬件电路结构如图2所示。

图2 硬件电路结构框图

（一）处理器电路说明

本设计采用低功耗处理器，整体电路尽可能采用降低功率消耗的措施，减小芯片的发热和延长电池的使用时间。[1]处理器电路如图3所示。

图3 处理器电路

主处理器为低功耗单片机，在1 M赫兹频率、2.2 V正常工作模式时的工作电流只有280微安。内有包含电压源的12 bit模数转换器，能够实现Sample、Hold和自动扫描等功能。该单片机工作可靠、性能优良，适应工业级的运行环境。[2]

（二）TLC5510电路说明

模数转换器选择德仪公司的TLC5510，具有高速模数转换能力，最小采样率是20 000 ksps，在进行高速模数转换时具有功耗低的优点，此时功耗只有130毫瓦。芯片内部结构如图4所示。由图可知：该芯片包括CLK发生器、高4位和低4位Sampling比较器、基准电压分压器、Encoder和数据锁存器等电路。

图4 TLC5510内部结构框图

TLC5510通过8位数据连接线与MSP430F149处理器连接。为了减少系统噪声，从信号调理电路输出的模拟电压信号通过R28、C35组成的无源低通滤波器接到AD芯片内部。芯片外部的模拟和数字电路要做电气隔离，包括模拟和数字电路的VCC、地线之间加上去耦电容。这些防干扰措施可以减小各种噪声信号的影响，保证A/D转换的准确性。[3]AD转换部分电路如图5所示。

图5 AD转换电路图

（三）信号调理电路

信号调理电路如图6所示，包含有耦合方式选择，通过单刀波段开关S1可以选择交流、直流或频率测量等方式，开关S2实现衰减选择，开关S3实现放大倍数选择。S2和S3需要配合使用，其作用是调节送到A/D转换器的信号幅度。如果信号幅度过大会超出屏幕显示范围，过小观测波形误差会较大，所以要根据信号情况选择适当的幅度。U1有两个运放，实现了两级信号放大功能。[4]

（四）信号调理电路

其他电路还包括按键、128×64点阵显示屏接口等电路，这些电路比较成熟，在此就不再进行赘述。

三、软件设计

主程序流程如图7所示。最开始的步骤为初始化，该步骤包括示波器系统设置、设置全局变量、定时中断、端口外部中断等。定时中断中会完成数据采集工作，数据采集完成，会设置相应的采集完成标志变量。而后为主循环程序，有按键任务扫描，根据采集完成标志变量判断数据帧采集情况，只有采集到一帧完整的数据，才能做帧同步处理，并关闭中断。判断是否是交流档位，做直流滤波、数据映射等操作，然后在点阵显示屏上绘制相应的数据波形。当一帧数据处理完成后，再打开中断，开始下一帧数据的采集和处理操作。[5]

数据采集在定时中断中进行，其流程如图8所示。设置定时器定时时长要根据被采集信号的频率来确定，不同信号频率的定时时长也不同。当然定时器定时时长不能无限小，如果信号频率过高，则进入高速采样模式，即在定时中断处理程序中，连续采集一帧数据。

图6 信号调理电路图

图7 主程序流程图

频率测量程序处理原理：被测信号通过整形电路，输出矩形波，打开定时器，定时指定时长，再计数指定时间内矩形波高电平的次数，从而得到输入信号的频率。

图8 数据采集流程图

四、总结

本手持示波器采用MSP430F149为处理器、TLC5510为A/D转换芯片，设计符合性能要求的衰减、整形、放大、滤波等电路，外接LCD显示屏和按键模块，实现了被测信号从输入整形、信号调理、A/D转换、数据处理、波形显示等功能。具有便于携带、价格便宜、精度高等特点，具有广泛的市场应用价值。