成本仅百元的USB接口虚拟示波器.docx
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成本仅百元的USB接口虚拟示波器.docx
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成本仅百元的USB接口虚拟示波器
重要声明:
如果你没有一定电路基础,请不要使用本软件。
如果操作不当可能会损坏声卡甚至电脑。
对造成的一切后果,作者不负责。
测试电缆的制作:
需要两个3.5的立体声插头,并将两段三芯屏蔽线接上,另一端可接上鱼夹,如果要求不高可直接使用耳机线。
使用方法:
1.检查你的声卡是否支持44100采样率16位双声道双工方式(现在的声卡不存在这些问题)。
检查声卡上是否有line in,如果只有mic口,那么本软件部分功能可能无法实现(一些主板集成声卡存在这些问题)。
2.打开音频高级控制(通常在屏幕的右下角),关闭一切特效如环绕音之类,将录音方式选择为line。
3.将做好的两根音频电缆分别接到声音输出口和line in口。
4.找一些准确的电阻器,电容器,电感器作标准元件,把它们的值填入你可以这样填4.7k4.698k4698,填不填单位没有关系,但显示的数值和对应框中的数为同一单位。
ﻫ5.将待测元件和同一类标准元件串联,标准元件另一端(非公共端)接地,待测元件那端(非公共端)接R输出或L输出(两边输出频率不同)可视具体情况而定。
将待测元件的两端接到linein电缆的非地的两端(R_in,L_in) 。
现在屏幕上显示的值就是待测元件的值了,如果不是则交换linein电缆的非地的两端。
(参考连接图)
6.测交流电压时,直接输入到linein电缆的L-in,你需要一个电位器控制输入的幅度,并可用它校准电压表,显示的是有效值。
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!
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过高的电位会造成声卡的损坏!
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)注:
声卡的设置
声卡的正确设置是本软件正常工作的前提,由于声卡种类繁多,各种版本的驱动程序更是多不胜数,作者。
并不能保证每一块声卡上都能正常工作。
但通过两种常见声卡上的测试,软件都能很好的工作。
测试的声、卡芯片为雅马哈724,使用公版驱动,另一为主板集成声卡,芯片为创新es1373,使用主板自带驱动。
设置时大致按以下步骤进行:
1.打开声音高级控制
2. 选择录音属性,打开录音音量控制面板,将输入方式选成LINE。
3.关闭不必要的声音特效,如混响环绕,以避免左右声道互相干扰。
4.如果无信号时背景噪声较大,可尝试将一些选项静音,特别是CD音频。
5.调整输出和输入的平衡,可借助示波器部分和信号发生器部分实现。
ﻫ这时信号是从LINEIN 口输入的。
在输出音频信号时,输入口是没有信号的。
如果使用其它声卡,可参照以上步骤设置。
注意使用公版驱动或自带驱动,不要使用windows带的驱动。
如果仍无法正确工作,可换一个驱动试试。
ﻫ可能出现的情况:
ﻫ1.声卡上没有LINEIN口,只有MIC口,在一些廉价主板集成的声卡上会有这种情况,因为MIC口通常是
单声道,也就是示波器只能单踪工作,万用表也只能测电压了。
2. 打开信号发生器,示波器上同时显示波形,这是输出反馈到输入端造成的,可修改各项设置。
ﻫ电缆的制作:
ﻫ将一段三芯屏蔽线接在立体声插头上,即成一根测试电缆,用同样方法做另一根。
把它们插到声卡后的
输出输入口上,电路就接好了。
ﻫ软件的编写过程:
ﻫ整个软件是用VC写的,对声音的操作使用的是API,一些部分如FFT和位图的保存修改自现成的源码。
我
尝试用硬件实现部分功能,但把电路搭成后测试,才发现这完全是画蛇添足,软件实现的比硬件还要好,电路很难产生标准的正弦波,而软件却轻松实现了。
这印证了一句名言----简结至上。
软件说明ﻫ声卡是个人电脑中不可缺少的一部分,同时也是一个很好的A/D,D/A卡,本软件充分利用了这一功能。
本软件实现了示波器,信号发生器,频率计,万用表的功能,在音频范围内可完全替代上述仪器。
这并不是
仿真软件,而是实用的工具,这些虚拟仪器可以很好的工作。
最简单的应用只需要两根电缆,一根输入,一根输出。
工作原理:
本软件利用声卡进行采样和输出,软件能否正常工作与声卡的正确设置紧密相关。
声卡的工作方式是4100HZ,16bit,双声道双工,大多数声卡都支持这一标准。
各部分的使所有的虚拟仪器都做在一个面板上,操作是很简单直观的。
1. 示波器启动程序后,示波器已处于工作状态,有五种工作方式可供选择
X单踪示波器ﻫX1,X2 双踪示波器ﻫX1+X2两路信号相加
X-Y 两路信号分别做X轴,Y轴输入。
这一种方式类似通用示波器中用李萨如图形测频率的方式。
频域显示信号的频谱分布
通过上面几个控件可调整示波器各项参数。
按下RECORD 可将输入信号保存为WAV文件,再次按下停止记录。
ﻫPAUSE可将示波器屏幕暂停,以便观察,再次按下结束暂停。
暂停时仍能调整各项参数。
保存屏幕可将示波器屏幕存为位图文件,需先将屏幕暂停,调整好后再保存。
2. 频率计 需要按下电源按钮来启动频率计。
ﻫ频率是对输入信号进行FFT得到的,每秒可以更新约10次,显示误差约有10hz,如果想得到准确的频率值,
可利用信号发生器的输出信号和示波器利用李萨如图形法测得。
如果将FFT取样数提高,误差可以小于1hz,但会加大运算量,在实际中似乎没有必要。
3.信号发生器 需要按下电源按钮来启动信号发生器。
这是一个频率很准确的双路正弦波发生器,由于采
样的特性所限,高频部分有所失真,但在50hz-15khz时波形都相当好,输出幅度可通过调节音量实现。
按下
左边的按钮可设置输出频率。
ﻫ4.
4.万用表这是一个有趣的附件,需要按下电源按钮来启动它。
它可以测电阻电容电感和交流电压有效值。
测电阻电容电感时需要同时打开信号发生器,选择合适的输出信号频率。
按照原理图把待测元件和标准元
件接入电路。
按下输入基准,把基准值输入,选择测量方式,LED屏上即可显出待测值。
ﻫ注:
V(AC)只能测交流有效值。
示波器窗口可同时显示两路信号的波形,可以看到幅度和相位的关系。
LED屏并不显示小数点,输入基准值时有一些技巧。
如以0.047uf电容做为基准,输入时可输入47,显示
值的单位和基准值一致。
V(AC)档显示的是相对值,可通过外置的电位器和以知幅度的信号源来校准。
成本仅百元的USB接口虚拟示波器
文/孙红生凌海
笔者在本刊2007年第5期介绍了一种连接在计算机并口上的简易虚拟示波器,文章发表后,很多热心读者反映最好是开发一种使用USB接口的虚拟示波器,这样更符合潮流,而且具有不用担心热插拨可能给计算机带来的损害,无需额外提供电源的优点。
为此笔者经多方面查找资料,决定采用MICROCHIP公司的USB单片机PIC18F2550制作一个USB接口的虚拟示波器,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,2KBRAM,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USBV2.0,支持低速(1.5Mbit/s)和全速(12Mbit/s)数据传输,支持控制、中断、等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,非常适合做简易虚拟示波器。
PIC18F2550的数据手册可到www.microchip.com.cn下载。
本示波器与常见的示波器比较,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,无需使用者再去数格子,然后还要计算。
当前市面上的USB接口虚拟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联投影机,使全体学生都可以远距离看到信号波形的演示。
性能指标
这里介绍的示波器采样频率比并口示波器略高,同样支持直流测量,可以定量测量信号,主要技术指标如下:
采样频率:
323.53kHz、100kHz、50kHz、20kHz、10kHz、5kHz、2kHz、1kHz8挡可调,本机测量的信号频率应在70kHz以下。
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。
输入阻抗:
1MΩ。
供电电压:
无需外部供电,直接从PC机的USB口取电。
触发范围:
0%~100%。
接口:
USB接口。
图1、图2所示分别为2.4576MHz晶振128分频后19.2kHz方波和50Hz市电显示情况。
ﻫ
电路原理ﻫ电原理图见图3,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,R10、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和其周边元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200Ω电阻构成了一个2.5 V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。
制作调试
读者可以根据自已能找到的外壳的实际情况参照电原理图自行设计印制电路板,图4为笔者在单面PCB上安装完成的电路板,布局与并口示波器基本相同。
图5为使用工业标准外壳组装完成后的照片。
ﻫ
插座用于接入标准示波器探头,也可以自制简易探头,图5中的探头就是笔者使用标准BNC插头加上一个从旧万用表笔中拆出的探针组装了一个探头,这样手持示波器即可对电路进行测量,图6为插头内部构造照片。
左边的拨动开关用于直流、交流输入转换,右边的拨动开关用于1:
5衰减切换,右上侧为USB接口,图中的两个跳线主要是用于减小地线电阻,以减小干扰,不接也可。
读者在制作过程中要注意尽量减少地线的长度,同时要注意输入信号的地线要与其他地线分开并一点接地。
制作过程分三步,第一步安装好USB插座和DC-DC转换部分,在使用万用表确认USB接口的1~4脚间无短路的情况下(各类常见USB接口见图7,其中1~4脚不可接反,2~3脚如果接反,计算机会给出"不可识别的设备"提示),将电路板接入计算机的USB口,这时在TL074的4脚和11脚应该可以分别测到±4V~5V的电压,并且基本相等,如不等,可以通过调整R202的值使之相等。
同时测一下PIC18F2550的20脚也应有4V~5V的电压,以上电压随着计算机的不同而略有差别。
第二步安装TL,074、电压基准TL431及其周边元件和输入网络,安装完成后接入计算机,在输入端接上1.5V的干电池,同时将交直流输入切换和1:
5的输入信号切换开关拨向左侧,在TL074的1脚应该可以测到与电池相等的电压,7脚可以测到约2V的电压。
第三步将本期所附光盘中的USBOscilloscope.hex烧写进PIC18F2550,单片机程序可以采用icd2写入单片机。
安装PIC18F2550及其周边相关元件,安装完成后接人计算机,这时计算机应该能够识别这一设备,设备名称为www.sunxd.com的人体学输入设备,如果不能识别可着重检查USB接口的2~3脚是否接反和晶振电路,运行USBScope.exe,选择工具栏中的开始按钮(播放)即可看到输入的波形。
如果以上各步骤出现问题,可以检查相关的部分即可。
ﻫ
软件与使用
单片机软件采用PICC编写,其中使用了MICROCHIP的USB库,软件首先作初始化操作,然后以查询方式工作,接收PC机的指令,采集信号,将采集结果发给PC机。
配套的PC软件采用VC6.0开发完成,使用操作与并口示波器相似。
软件提供了波形显示、单次波形捕捉,打印、时基调整、波形保存、波形比较等功能,虽然这是一个单踪示波器,但通过波形的保存和再现提供了准双踪示波器的功能,你可以测量某一点的信号,保存起来,然后测量另一点的信号,再打开已保存的信号,同屏显示两组信号进行信号的比较。
启动本软件后,你会发现与并口示波器基本相同,首先会随机给出一组演示信号(如果取消了"启动时显示示例画面",下次启动后就不显示了),目前软件提供了无触发、内触发两种触发方式,同时对内触发提供了上升沿触发和下降沿触发两种选择;选择开始按钮(播放)开始信号采集,暂停按钮停止信号采集,录制按钮采集一个周期的信号后暂停;采样周期可以有8种选择:
最快、10μs、20μs、50μs、100μs、200μs、500μs、1000μs;同时提供了5挡波形展宽选择:
×1、×2、×5、×10、×20;屏幕下方的开关的显示一定要与电路板上的开关位置相对应,以获得正确的标注。
注意:
如果不知道信号电压请先使用交流,1:
5挡输入信号;本设备的最高输入电压峰一峰值最好不要超过±12.5V。
任意时刻均可选择保存信号,保存当时的波形。
在屏幕上按下鼠标左键,拖动鼠标即可看到相应范围内的电压差、频率和周期信息。
软件界面的右下部分给出了所测信号的频率、最大值和最小值等信息。
软件所有提示均为中文,简单摸索后即可上手应用。
和并口示波器一样,在相同的硬件平台上我们还可以实现记录仪功能,可以提供和现在生产控制中常见的记录仪功能,一次可以记录某一生产参数几天的变化量,实现无人值守。
PC机与单片机之间通信采用USB人体学输入设备接口,使用windows内置的驱动程序,因此不需要专门的USB驱动程序(经测试这一示波器目前与极个别USB鼠标不兼容,其中包括yandiao的个别型号,如果遇到这种情况可以通过更换其它品牌鼠标或使用ps2鼠标来解决,此外由于各种PC机给出的USB电源的纯静度不同,从电路图上可以看出虽然采用了各种滤波措施,在个别机器上短路输入端的情况下显示波形可能会有1%以下的细微毛刺。
支持的操作系统包括Windows2000、Windows2003、WindowsXP和Windows Vista,其他操作系统需要读者验证后使用。
单片机程序的烧写映像文件USBOscilloscope.hex及PC机的可执行程序文件USBScope.exe在本期配刊光盘中提供。
本文摘自《无线电》
用单片机PIC18F2550设计示波器
一、性能指标
(1)采降速率:
334kHz,100kHz,50kHz,20kHz,10kHz.5kHz,2kHz,1kHz,500Hz等9档可调。
ﻫ
(2)工作电压:
3.5—5V,采用内置可充电锂电池供电,使用计算机USB口充电。
(3)输入阻抗:
1MΩ。
(4)输入电压:
±2.5V,±12.5V两档可调,如果接入10:
1示波器探棒,最大输入电压可达±125V。
(5)触发方式:
边沿触发,无、上升沿、下降沿三档可调,触发电压通过按键循环调整。
(6)具有波形冻结功能。
二、电路原理
电路原理图如下图所示,从图中可以看出微型示波器由电源电路、测量信号输入、信号整理、信号采集、显示及键盘处理等6部分构成。
1.电源电路
为满足便携的需要采用了可充电锂电池作为本机的电源,由于可充电锂电池内置了保护芯片,所以充电电路仅使用了R302一只15Ω的限流电阻构成简易充电电路,经过一个月的试用,情况良好,充满电后本机可以连续工作2个小时,一般情况下本机都是间断使用,可以工作很长的时间。
电量降低到一定的时候,由于电池内置保护电路的作用,本机自动断电。
由于锂电基本上没有记忆效应,所以可随时将USB电缆的一端插入本机,另一端插入普通PC机的任意一个USB口,为本机充电,充满自停。
运放所需的负电源由一片34063及周边电路构成,提供-4.2V电源给运放使用。
ﻫ2.信号输入电路
信号输入电路由R10、R11、R12、R13、R14、C11、C12和D5、D6构成,完成输入信号的1:
1和1:
5切换、阻抗匹配以及对后级电路的保护,由于信号输入电压分±2.5V,±12.5V两档可调,所以本机未设交直流切换电路。
ﻫ3.信号整理电路
T1072中的两级运放及周边电路完成信号整理工作,其中一级运放完成输入阻抗转换工作,另一级完成±2.5V到0~2.5V的信号转换工作以满足信号采集电路的工作需要。
4、信息采集电路
本机的核心是一片PIC18F2550单片机,PIC18F2550是一款采用纳瓦技术的28引脚RAM,256强型闪存USB单片机,拥有32KB闪存,2KBRAM,256字节EEPROM,3个外部中断,4个定时器模块(Timer0到Timer3),2Mb/s)数据传输,支持控制、中断、等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制作简易示波器,PIC18F2550的数据手册可到www.
microChip.com.cn下载。
信号采集电路由PIC18F2550的内置模数转换电路和R27与TIA31构成的电压基准构成,将0~2.5V模拟信号转换为0~255的数字信号。
ﻫ5.显示电路ﻫ显示电路使用了一片128×64的图形点阵液晶模块,这是一片带有SPI串型接口的黑白点阵液晶。
模块通过7针接口与单片机通信,由于本机只使用了一片显示模块,所以其中的CS1脚可以真接接地,去除电源和地,本机只使用了单片机PB口的PBO~PB3共4个引脚就完成了显示模块的控制。
ﻫ6.键盘电路
示波器的控制主要有采样率调整、测量量程切换、触发电平调整、触发方式调整、波形快照等,这里测量量程切换使用了一个l×2的拨动开关,其他功能通过4个接在单片机PB4-PB7引脚上的微动开关完成,所有按键均为循环功能键,第一个按键为触发方式循环功能键,按动此键,触发方式在无、上升沿和下降沿间切换;第二个按键为触发电平功能键,触发电平可以从+2.5—2.5V间变化,当然,当量程开关在±12.5V档时触发电平可以从+12.5~12.5V间变化;第三个按键为采样率切换键,采样率可以从67.5μs/div-50ms/div间切换;第4个按键为波形快照键,按下此键画面显示冻结,方便仔细观察波形,再次按动此键,重新开始采样。
三、软件设计ﻫ软件采用PICC开发,软件包括按键处理、数据采样和数据显示三个主要功能。
按键处理采用中断方式,同时去抖动;数据采样采用了内部时钟作为采样率控制;数据显示使用了软件模拟SPI接口的方法控制液晶模块的显示,下面分别是数据写入和控制写入的基本函数:
具体编程过程中可以采用双缓存技术提高显示速度,即一个缓存写入数据的同时,使用另一缓存显示数据。
由于是数字示波器,可以充分利用单片机的计算能力,自动计算出信号频率、平均值、最大值、最小值等参数,其中频率的计算可以通过信号通过平均值的次数,同时考虑当时的采样率即可计算得出;其他值的计算均为简单的算数运算,不过其中要用到浮点数,幸好编译器为我们提供了浮点函数库,如果用汇编完成则会比较麻烦。
四、制作调试ﻫ制作过程中要尽量缩小体积以便携带,同时注意布线尽量短捷以减少自激的可能,上图(略)为一种设计供参考:
图中的BNC插座用于接入标准示波器探头,也可以自制简易探头,中图中的探头就是笔者使用标准BNC插头加上一个从旧万用表笔中拆出的探针组装了一个探头,这样手持示波器即可对电路进行测量,下图为插头内部构造照片。
左上边的拨动开关用于1:
5衰减切换,左下边的拨动开关为电源开关,右上侧为USB接口,用于对内置锂电池进行充电,右边的微动开关从上至下分别为触发方式、触发电平、采样率和屏幕快照按钮。
读者在制作过程中要注意尽量减少地线的长度,同时要注意输入信号的地线要与其他地线分开并一点接地。
制作过程可以分三步:
第一步安装好USB插座和DC-DC转换部分,在使用万用表确认USB接口的1~4脚间无短路的情况下(各类常见USB接口见图8(略),其中1—4脚不可接反,将电路板接入计算机的USB口,这时在T1072的4脚和8脚应该可以分别测到士4~5V的电压,并且基本相等,如不等,可以通过调整R202的值使之相等。
同时测一下PIC18F2550的20脚也应有4—5v的电压,以上电压随着计算机的不同而略有差别。
接入锂电池,即可开始对电池充电。
第二步安装T1072、电压基准T1431及其周边元件和输入网络,安装完成后接入计算机,在输入端接上1.5V的干电池,同时将1:
5的输入信号切换开关拨向上侧,在T1072的1脚应该可以测到与电池相等的电压,7脚可以测到约2V的电压。
第三步将LCDOscilloscope.hex烧写进PIC18F2550,单片机程序可以采用icd2写入单片机。
安装PIC18F2550及其周边相关元件,安装完成后,接入液晶屏,应可看到www.sunxd.com的LOGO显示,过3s给出波形显示,如果没有,可以检查一下单片机周边的晶振,C301、R301等,可以检查相关的部分即可。
ﻫ五、安装使用
依据电路板设计选用外壳,右图为装入外壳后的情形,使用中主要的可调部分只有两只拨动开关和四只微动开关,可以在使用中略加摸索即可上手。
ﻫ使用过程中如果屏幕不亮应首先考虑可能是需要充电了。
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