成本僅百元的USB接口虛擬示波器

1、成本僅百元的USB接口虛擬示波器文/孫紅生凌海筆者在本刊2007年第5期介紹了一種連接在計(jì)算機(jī)并口上的簡易虛擬示波器，文章發(fā)表后，很多熱心讀者反映最好是開發(fā)一種使用USB接口的虛擬示波器，這樣更符合潮流，而且具有不用擔(dān)心熱插撥可能給計(jì)算機(jī)帶來的損害，無需額外提供電源的優(yōu)點(diǎn)。為此筆者經(jīng)多方面查找資料，決定采用MICROCHIP公司的USB單片機(jī)PIC18F2550制作一個(gè)USB接口的虛擬示波器，PIC18F2550是一款采用納瓦技術(shù)的28引腳高性能增強(qiáng)型閃存USB單片機(jī)，擁有32KB閃存，2KBRAM,256字節(jié)EEPROM,3個(gè)外部中斷，4個(gè)定時(shí)器模塊(Timer0到Timer3),2個(gè)捕捉/

2、比較/PWM(CCP)模塊，其USB接口兼容USBV2.0,支持低速(1.5Mbit/s)和全速(12Mbit/s)數(shù)據(jù)傳輸，支持控制、中斷、等時(shí)和批量數(shù)據(jù)傳輸模式，特別是內(nèi)置有10路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，非常適合做簡易虛擬示波器。PIC18F2550的數(shù)據(jù)手冊可到下載。本示波器與常見的示波器比較，最大的特點(diǎn)是可以定量地給出信號(hào)的各種參量，比如最大、最小值和頻率等，無需使用者再去數(shù)格子，然后還要計(jì)算。當(dāng)前市面上的USB接口虛擬示波器最便宜的也要1200元以上，而本示波器的成本基本可以控制在100元左右，其中不包括示波器探棒，特別適合于學(xué)校教學(xué)實(shí)驗(yàn)以及無線電愛好者日常制作的需求，在學(xué)校教學(xué)中可以直聯(lián)

3、投影機(jī)，使全體學(xué)生都可以遠(yuǎn)距離看到信號(hào)波形的演示。性能指標(biāo)這里介紹的示波器采樣頻率比并口示波器略高，同樣支持直流測量，可以定量測量信號(hào)，主要技術(shù)指標(biāo)如下：采樣頻率：323.53kHz、100kHz、50kHz、20kHz、10kHz、5kHz、2kHz、1kHz8擋可調(diào)，本機(jī)測量的信號(hào)頻率應(yīng)在70kHz以下。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(dá)±125Vo輸入阻抗：1MD。供電電壓：無需外部供電，直接從PC機(jī)的USB取電。觸發(fā)范圍：0%100%。接口：USB接口。圖1、圖2所示分別為2.4576MHz晶振128分頻后19

4、.2kHz方波和50Hz市電顯示情況。圖119.2kHz方謔誠形圖Z50He市電波影電路原理電原理圖見圖3,從圖中可以看出電路的輸入信號(hào)調(diào)理部分和信號(hào)轉(zhuǎn)換部分與并口示波器相同，R10、R11、R12、R13、R14、C19、C20和C21構(gòu)成輸入交直流切換和衰減網(wǎng)絡(luò)，提供交直流輸入切換和1:1、1:5的輸入信號(hào)切換功能；TL074中的一個(gè)運(yùn)放U1A和其周邊元件構(gòu)成一個(gè)跟隨放大器，提供了輸入保護(hù)和阻抗轉(zhuǎn)換功能；TL074中的另一個(gè)運(yùn)放U1B構(gòu)成一個(gè)正相放大器，提供-2.5V+2.5V向02.5V的轉(zhuǎn)換功能，同時(shí)依據(jù)實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)，取消了不實(shí)用的外觸發(fā)部分，簡化了電路。電路的主體部分以PIC18F

5、2550為核心，PIC18F2550與周邊電路共同構(gòu)成了模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣和USB接口部分，其中TL431和接在其陰極的200Q電阻構(gòu)成了一個(gè)2.5V電壓基準(zhǔn)，供單片機(jī)作為模數(shù)轉(zhuǎn)換和運(yùn)放電平轉(zhuǎn)換的電壓基準(zhǔn)。由于USB僅能提供5V電源，不能滿足前兩級(jí)運(yùn)放的工作條件，為此采用一片34063構(gòu)成了5V-5V的轉(zhuǎn)換電路供運(yùn)放使用。制作調(diào)試讀者可以根據(jù)自已能找到的外殼的實(shí)際情況參照電原理圖自行設(shè)計(jì)印制電路板，圖4為筆者在單面PCB上安裝完成的電路板，布局與并口示波器基本相同。圖5為使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外殼組裝完成后的照片。vccIN4I485R20IIkL2O2220uRI2120kVD20I1N4I48R2347k

6、5UIBR234.7k=CT-R2547k67R13h680kURM±C22KVD610kT100p、7rVD5°IN4I48178TCAPVCCIPKIDCCOMP1SWCISWEGND9S4oCI02220g16VTL074R204.7kSI15ICl34063R2805VCC?R2O405CI822p6Tl-074DC2O3R2447kU2TL431R20222kUSBUSBMD*DKMPICI«H5S()B20Mc24680468%*>«ovccFt4II5插座用于接入標(biāo)準(zhǔn)示波器探頭，也可以自制簡易探頭，圖5中的探頭就是筆者使用標(biāo)準(zhǔn)BNC插

7、頭加上一個(gè)從舊萬用表筆中拆出的探針組裝了一個(gè)探頭，這樣手持示波器即可對(duì)電路進(jìn)行測量，圖6為插頭內(nèi)部構(gòu)造照片。左邊的撥動(dòng)開關(guān)用于直流、交流輸入轉(zhuǎn)換，右邊的撥動(dòng)開關(guān)用于1:5衰減切換，右上側(cè)為USB接口，圖中的兩個(gè)跳線主要是用于減小地線電阻，以減小干擾，不接也可。讀者在制作過程中要注意盡量減少地線的長度，同時(shí)要注意輸入信號(hào)的地線要與其他地線分開并一點(diǎn)接地。制作過程分三步，第一步安裝好USB插座和DC-DC轉(zhuǎn)換部分，在使用萬用表確認(rèn)USB接口的14腳間無短路的情況下（各類常見USB接口見圖7,其中14腳不可接反，23腳如果接反，計(jì)算機(jī)會(huì)給出"不可識(shí)別的設(shè)備"提示），將電路板接入計(jì)

8、算機(jī)的USB口，這時(shí)在TL074的4腳和11腳應(yīng)該可以分別測到i4V5V的電壓，并且基本相等，如不等，可以通過調(diào)整R202的值使之相等。同時(shí)測一下PIC18F2550的20腳也應(yīng)有4V5V的電壓，以上電壓隨著計(jì)算機(jī)的不同而略有差別。第二步安裝TL,074、電壓基準(zhǔn)TL431及其周邊元件和輸入網(wǎng)絡(luò)，安裝完成后接入計(jì)算機(jī)，在輸入端接上1.5V的干電池，同時(shí)將交直流輸入切換和1:5的輸入信號(hào)切換開關(guān)撥向左側(cè)，在TL074的1腳應(yīng)該可以測到與電池相等的電壓，7腳可以測到約2V的電壓。第三步將本期所附光盤中的USBOscilloscope.hex燒寫進(jìn)PIC18F2550,單片機(jī)程序可以采用icd2寫入

9、單片機(jī)。安裝PIC18F2550及其周邊相關(guān)元件，安裝完成后接人計(jì)算機(jī)，這時(shí)計(jì)算機(jī)應(yīng)該能夠識(shí)別這一設(shè)備，設(shè)備名稱為的人體學(xué)輸入設(shè)備，如果不能識(shí)別可著重檢查USB接口的23腳是否接反和晶振電路，運(yùn)行USBScope.exe,選擇工具欄中的開始按鈕（播放）即可看到輸入的波形。如果以上各步驟出現(xiàn)問題，可以檢查相關(guān)的部分即可。虹白景*VCCD+DGNDU部接口定義軟件與使用單片機(jī)軟件采用PICC編寫，其中使用了MICROCHIP的USB庫，軟件首先作初始化操作，然后以查詢方式工作，接收PC機(jī)的指令，采集信號(hào)，將采集結(jié)果發(fā)給PC機(jī)。配套的PC軟件采用VC6.0開發(fā)完成，使用操作與并口示波器相似。軟件提供

10、了波形顯示、單次波形捕捉，打印、時(shí)基調(diào)整、波形保存、波形比較等功能，雖然這是一個(gè)單蹤示波器，但通過波形的保存和再現(xiàn)提供了準(zhǔn)雙蹤示波器的功能，你可以測量某一點(diǎn)的信號(hào)，保存起來，然后測量另一點(diǎn)的信號(hào)，再打開已保存的信號(hào)，同屏顯示兩組信號(hào)進(jìn)行信號(hào)的比較。啟動(dòng)本軟件后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)與并口示波器基本相同，首先會(huì)隨機(jī)給出一組演示信號(hào)（如果取消了"啟動(dòng)時(shí)顯示示例畫面",下次啟動(dòng)后就不顯示了），目前軟件提供了無觸發(fā)、內(nèi)觸發(fā)兩種觸發(fā)方式，同時(shí)對(duì)內(nèi)觸發(fā)提供了上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)兩種選擇；選擇開始按鈕（播放）開始信號(hào)采集，暫停按鈕停止信號(hào)采集，錄制按鈕采集一個(gè)周期的信號(hào)后暫停；采樣周期可以有8種選

11、擇：最快、10Z、20Z、50Z、100心、200rs、500rs、1000gs;同時(shí)提供了5擋波形展寬選擇：XI、X2、X5、X10、X20;屏幕下方的開關(guān)的顯示一定要與電路板上的開關(guān)位置相對(duì)應(yīng)，以獲得正確的標(biāo)注。注意：如果不知道信號(hào)電壓請(qǐng)先使用交流，1:5擋輸入信號(hào)；本設(shè)備的最高輸入電壓峰一峰值最好不要超過±12.5Vo任意時(shí)刻均可選擇保存信號(hào)，保存當(dāng)時(shí)的波形。在屏幕上按下鼠標(biāo)左鍵，拖動(dòng)鼠標(biāo)即可看到相應(yīng)范圍內(nèi)的電壓差、頻率和周期信息。軟件界面的右下部分給出了所測信號(hào)的頻率、最大值和最小值等信息。軟件所有提示均為中文，簡單摸索后即可上手應(yīng)用。和并口示波器一樣，在相同的硬件平臺(tái)上我們還可以實(shí)現(xiàn)記錄儀功能，可以提供和現(xiàn)在生產(chǎn)控制中常見的記錄儀功能，一次可以記錄某一生產(chǎn)參數(shù)幾天的變化量，實(shí)現(xiàn)無人值守。PC機(jī)與單片機(jī)之間通信采用USB人體學(xué)輸入設(shè)備接口，使用windows內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)程序，因此不需要專門的USB驅(qū)動(dòng)程序（經(jīng)測試這一示波器目前與極個(gè)別USB鼠標(biāo)不兼容，其中包括yandiao的個(gè)別型號(hào)，如果遇到這種情況可以通過更換其它品牌鼠標(biāo)或使用ps2鼠標(biāo)來解決，此外由于各種PC機(jī)給出的USB電源的純靜度不同，從電路圖上可以看出雖然采用了