引言
　　
　　伴隨著電子技術(shù)快速的發(fā)展，越來越多的人加入電子開發(fā)的大軍。在學(xué)習(xí)電子技術(shù)和研發(fā)項(xiàng)目的過程中，避免不了要使用一些儀器，例如萬用表、示波器等等，然而對(duì)于一些非專業(yè)的愛好者，擁有一臺(tái)數(shù)字示波器是比較“”的。本設(shè)計(jì)介紹的數(shù)字示波器，因其具有成本低、制作簡單、測量精度高等優(yōu)勢，恰恰滿足了這一部分人的需求。制作出示波器簡單，但要想制作出高模擬輸入帶寬的示波器卻不易。主要器件的選擇是實(shí)現(xiàn)高模擬輸入帶寬設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵。本文選用C8051F020單片機(jī)作為CPU，它擁有簡單的51內(nèi)核且I／O資源豐富。A／D選用8位高速模／數(shù)轉(zhuǎn)換器TDA8703，zui高采樣率為40Msps。另外，采用雙口FIFO-IDT7202LA-12，它是*先出雙口存儲(chǔ)器，zui快的存入時(shí)間為12ns。
　　
　　本系統(tǒng)主要包括前端模擬信號(hào)電路調(diào)理模塊、信號(hào)采集電路模塊、信號(hào)傳輸模塊、各芯片邏輯控制電路模塊、顯示模塊等。
　　
　　1、前端模擬信號(hào)電路調(diào)理模塊
　　
　　該模塊采用高速運(yùn)放LM6361和高速比較器AD744，如圖1所示。　　
　　本設(shè)計(jì)選用成品探頭。為了防止過壓輸入，在高速比較器AD744前端加2個(gè)保護(hù)二極管，把輸入信號(hào)嵌位到±12V內(nèi)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起保護(hù)作用。然后經(jīng)過ICI反向放大，再經(jīng)IC2把相位倒回信號(hào)初始相位。由于本設(shè)計(jì)采用的AD電壓輸入范圍為1．55～3．26V，所以應(yīng)用IC3加一個(gè)直流分量把輸入信號(hào)“抬到”A／D的輸入范圍內(nèi)。
　　
 　　2、信號(hào)采集電路模塊
　　
　　該模塊采用的A／D轉(zhuǎn)換器是TDA8703。它是Philips公司生產(chǎn)的高速模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣率是40Msps，8位分辨率，信噪比很高，與TTL電平兼容，具有內(nèi)部參考電壓。
　　
　　TDA8703的輸入電壓和輸出二進(jìn)制碼如表1所列，采樣時(shí)序如圖2所示。　　
　　時(shí)鐘的上升沿到來時(shí)開始采樣，當(dāng)時(shí)鐘的下一個(gè)周期上升沿上升時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束。由于高達(dá)40Msps的采樣率，普通的單片機(jī)很難能“跟上節(jié)奏”，這時(shí)采用雙口RAM——IDT7202，與之配合使用，以達(dá)到與單片機(jī)同步的目的。IDT7202是AMD公司推出的一款*／先出雙口存儲(chǔ)器。本設(shè)計(jì)選用的型號(hào)是IDT7202-12，也就是存入數(shù)據(jù)的時(shí)間是12ns，即存入頻率高達(dá)83MHz，*可以與40Msps的AD匹配，所以兩塊芯片可以用同一時(shí)鐘采樣并存儲(chǔ)（如圖3所示）。IDT7202有1024字節(jié)的存儲(chǔ)深度，低功耗，CMOS工藝，有3種狀態(tài)標(biāo)志（空、半滿、滿），工業(yè)級(jí)溫度（一40～80℃）。
　　TDA8703的采樣時(shí)鐘與IDT7202的寫信號(hào)接同樣一個(gè)時(shí)鐘，這樣便使兩者同步。當(dāng)采樣1024個(gè)點(diǎn)時(shí)，關(guān)閉采樣時(shí)鐘信號(hào)，IDT7202的FF端低電平有效，CPU把IDT7202中的數(shù)據(jù)取出并查詢IDT7202的空標(biāo)志位端；當(dāng)?shù)陀行r(shí)，意味IDT7202中的數(shù)據(jù)全部被取出，這時(shí)重新開采樣時(shí)鐘信號(hào)，重復(fù)上一過程。
　　
　　由于本設(shè)計(jì)顯示采用的是PC機(jī)，受到串口上傳波特率的限制，所以很難實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)的測量，而上述設(shè)計(jì)恰恰在一定程度上解決了這個(gè)問題。由于1024個(gè)采樣點(diǎn)是連續(xù)的，可以逐步上傳而形成完整的波形。但是，把1024個(gè)采樣點(diǎn)上傳給PC機(jī)的過程中ADC是禁止采樣的，所以在PC機(jī)上看到的波形有不連續(xù)的“接頭”。不過，這對(duì)于簡易的數(shù)字存儲(chǔ)示波器是可以“容忍”的。
　　
　　在設(shè)計(jì)的過程中，由于走線過多，所以即使試驗(yàn)階段也得做PCB板；但是由于各芯片間的控制邏輯不確定，很容易出錯(cuò)。這時(shí)采用CPLD來搭建此系統(tǒng)的邏輯電路，一旦出錯(cuò)，可以隨時(shí)修改，直到正確。如果整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試成功后，用與、或、非等邏輯電路替換CPLD，這樣可降低成本。
　　
　　3、信號(hào)傳輸模塊
　　
　　C8051F單片機(jī)是能真正獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)（SoC）。每個(gè)MCU都能有效地管理模擬外設(shè)和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個(gè)或全部外設(shè)節(jié)省功耗。Flash存儲(chǔ)器還具有片上重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場更新8051固件。
　　
　　片內(nèi)JTAG調(diào)試支持功能允許使用安裝在zui終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式（不占用系統(tǒng)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察、修改儲(chǔ)存器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、運(yùn)行、停機(jī)命令。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都能全功能運(yùn)行。
　　
　　C8051F具有標(biāo)準(zhǔn)8051兼容的I／O端口。有的端口在某些器件中沒有引出腳，這樣的端口可用作通用寄存器。I／O端口的工作情況與8051相似，但有些改進(jìn)。每個(gè)端口I／O引腳都可以被配置為推挽或漏極開路輸出。在標(biāo)準(zhǔn)8051中固定的“弱上拉”可以被禁止，這為低功耗應(yīng)用提供了進(jìn)一步節(jié)電的能力。zui突出的改進(jìn)是引入了數(shù)字交叉開關(guān)。這是一個(gè)大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給端口I／O引腳。與具有標(biāo)準(zhǔn)復(fù)用數(shù)字I／O的微控制器不同，這種結(jié)構(gòu)可支持所有的功能組合。可通過設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器，將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器／定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入及微控制器內(nèi)部的其他數(shù)字信號(hào)配置為出現(xiàn)在端口I／O引腳。這就允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口I／O和所需數(shù)字資源的組合。　　
　　4、顯示模塊
　　
　　本設(shè)計(jì)采用PC顯示波形，主要是因?yàn)橥ㄟ^應(yīng)用VB能很容易地實(shí)現(xiàn)波形的顯示，并且還能將波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬盤當(dāng)中，以實(shí)現(xiàn)示波器的存儲(chǔ)功能。但是要注意以下幾點(diǎn)：
　　
　　①波形消隱。在實(shí)際使用時(shí)一般需要連續(xù)顯示波形。連續(xù)顯示波形時(shí)，在顯示下一幅波形之前，首先需要將上一幅波形清除或消隱。VB的圖片框和窗體提供了CLS方法，可以實(shí)現(xiàn)波形的清除；但在連續(xù)顯示和清除波形時(shí)，存在嚴(yán)重的閃爍現(xiàn)象。
　　
　　將顯示波形的圖片框或窗體的DrawMode屬性在屬性框中設(shè)置成13-CopyPen，或者在程序中使用類似Picturel．DrawMode=vbXorPen的語句將畫筆設(shè)置成“異或筆”，顯示波形后經(jīng)過二次重畫即可消隱已經(jīng)顯示的波形。整幅顯示一整幅消隱波形一樣可出現(xiàn)一定的閃爍，但通過消隱一條線段一顯示一條新線段的方法可*消除閃爍問題。該方法對(duì)波形顯示區(qū)中的文字或其他控件均不會(huì)造成影響。
　　
　　②雙通道問題。在VB當(dāng)中，曲線是利用連接“當(dāng)前點(diǎn)”而生成的。要在一個(gè)圖片框上實(shí)現(xiàn)是很難完成的，所以設(shè)計(jì)雙通道波形顯示程序時(shí)，可在窗體上放置兩個(gè)圖片框，每個(gè)圖片框用于顯示一個(gè)通道的波形，編程時(shí)在兩個(gè)圖片框中交替顯示一個(gè)通道的波形。當(dāng)顯示速度較快時(shí)，宏觀上可得到雙通道同時(shí)顯示的效果。
　　
　　5、有源時(shí)鐘模塊
　　
　　本設(shè)計(jì)ADC的采樣率高達(dá)40Msps，所以ADC的采樣時(shí)鐘用40MHz有源晶振。有源時(shí)鐘及分頻電路如圖4所示。　　
　　把40MHz晶振分成不同的8個(gè)頻率，這樣可調(diào)節(jié)ADC的采樣率，以適應(yīng)不同的被測信號(hào)。這部分電路在做PCB時(shí)要注意走線，有源晶振和ADC之間距離不要超過1000mil（2．54cm）。另外，做PCB時(shí)應(yīng)把數(shù)字地和模擬地分開，zui后用OΩ電阻跨上；兩面“鋪地”，這樣可以大大提高PCB的可靠性。
　　
　　結(jié)語
　　
　　本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)就是可以用較低的成本制作出性價(jià)比很高的示波器，能很好地滿足學(xué)生或一些經(jīng)費(fèi)不是很充足的業(yè)余電子愛好者的需求。經(jīng)過試驗(yàn)，整個(gè)系統(tǒng)非常穩(wěn)定。測方波時(shí)，采樣率是被測信號(hào)頻率的5～8倍，這樣效果能達(dá)到*。
　　
　　本設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)信號(hào)傳輸?shù)腃PU是C8051F020。C8051F系列單片機(jī)是*集成混合信號(hào)的系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與8051兼容的控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集兼容；除具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。C8051F單片機(jī)采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，處理能力大大提高，峰值性能可達(dá)25MIPS。