【摘　要】　設計了基于單片機W78E58控制的YB4365／4345數字光標直讀示波器系統，介紹了其功能特點及測試信號與字符顯示原理，重點闡述了該示波器的硬件設計。
??? 關鍵詞：示波器，單片機，信號測量，字符顯示
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1　引　言
　　YB4365／4345數字光標直讀示波器是2001年國家級重點新產品，該產品是采用單片機控制技術和雙時基掃描技術的寬帶示波器。該機不僅具備通用示波器的作用，還具備數字頻率計和高頻毫伏表等多種功能。
2　主要性能指標與特點
　　YB4365／4345數字光標直讀示波器垂直偏轉系數為1mV／div～5V／div，頻帶寬度為100MHz／40MHz，上升時間≤3．5ns／8．8ns。掃描偏轉系數0．5s／div～50ns／div。擴展×10后最快掃速為5ns／div，輸入阻抗為1MΩ／25P，該機的主要性能特點如下：
　 （1）屏幕顯示設定狀態。掃描速度、掃描延遲時間、非校準狀態、垂直靈敏度等參數均可在屏幕上以字符形式顯示，簡化了測試操作設定狀態的確定過程。
　 （2）測量數據的顯示。采用電子光標卡尺，可以對光標線之間的電壓（△v），光標線之間的時間（△t），光標線之間的頻率（1／△t）等參數進行測量。避免對信號波形的目測、計算、換算等人工操作造成的誤差。
　 （3）自動掃描速度功能設定。可自動設定最佳掃描速度（顯示約2～5周期的信號波形）。并跟隨輸入信號自動設定掃描速度的值。
　 （4）頻率計數器功能。可以直接測定A掃描觸發信號頻率。
　 （5）觸發鎖定功能。測試難于取得的掃描同步的復雜脈沖序列時，在取得掃描同步的狀態下啟動觸發鎖定功能，此后即使掃描被改變，儀器仍保持掃描同步。
　 （6）采用貼片工藝技術（SMT）和開關電源。使得該機具有體積小，重量輕、功耗低、電源適應范圍寬等優點。
3　測試波形與字符同時顯示的工作原理
　　圖1為波形和字符顯示過程。通用示波器對被測信號的測量，是通過屏幕的垂直、水平坐標刻度線和面板開關設置狀態，經人工計算，才能讀出被測信號的電壓幅度和時間的有關參量，測量信號非常麻煩，且精度不高，測量結果常會因人而異。
　　YB4365／4345示波器是在單片機W78E58的控制下通過屏幕上的游標卡尺的測量并自動以字符方式顯示測量結果，被測信號波形是采用掃描顯示，字符（游標卡尺、狀態設置、測試參數）采用光柵顯示。光柵顯示有階梯顯示和坐標顯示兩種，為了提高 示波器的顯示速度應采用坐標顯示，即對點陣中的亮點加亮顯示。波形、字符分時在屏幕顯示，并且規定字符顯示優先。顯示字符的編碼放在單片機內部存貯器ROM中，編碼的地址即為ROM的地址，其數據就是ROM中的數據，一個字符在ROM中占一個區域，將要用到的字符依次放入ROM中。顯示過程如圖1所示。圖中波形a為示波器的被測信號，b為水平掃描信號，c表示字符和波形的顯示過程，圖形中設字符波形的顯示周期為T，其中T4時間用于顯示波形，而T3時間（即T3＝T—T4）則用于顯示字符和波形。在T3時間內要顯示字符（包括全部字符點陣的各個點）按照字符優先原則進行顯示，其間隙時間仍用于顯示波形。T1為點陣中一個點的顯示周期。T2為顯示點的有效時間，因此，在顯示字符期間被測信號仍可得到斷續顯示。為了在顯示字符期間所顯示的波形不產生斷續現象，要求在各個顯示周期中字符點所截取的波形點各不相同。適當選擇T3使T3／T1不為整數，即可獲得穩定顯示。
4　系統的總體結構
　　該系統的總體結構框圖如圖2所示，即包括Y垂直放大系統，X水平觸發掃描系統，Z軸加亮系統，高低電壓電源系統，單片機控制系統等。
4．1　Y垂直放大系統
　　Y垂直放大系統由垂直輸入衰減電路、前置放大器、通道選擇電路、垂直主放大器等組成。
　 （1）輸入衰減電路采用了新型的繼電器衰減開關電路，取代了傳統的機械衰減開關電路。即由數字脈沖編碼開關、繼電器等元器件組成，該電路由單片機控制轉換。量程范圍為1mV／div～5V／div。由于該電路分布參數變化很小，使得被測信號的暫態特性和穩態特性都非常理想。數字脈沖編碼開關使用壽命是普通機械開關的五倍以上，且操作輕巧。
　 （2）前置放大器采用了高低頻交疊放大電路，該電路將被測信號的高低頻分量分別放大后再疊加，10kHz以下的低頻信號由LF運算放大器放大輸出，10kHz以上的信號由高fT的貼片晶體管組成的HF放大器放大輸出。該電路可大大降低溫度引起的直流電平漂移。
　 （3）通道選擇電路采用二級管門控電路，控制通道輸入信號的顯示，通道的選擇由儀器面板上垂直工作方式開關控制。
　 （4）垂直主放大器主要供給示波管偏轉所需要的電壓，該放大器基本電路形式是共射共基放大和串并聯負反饋放大，該機最高靈敏度為1mV／div，帶寬為100MHz。而放大電路僅采用三級放大，這種情況過去很少用，由于采用貼片元器件才能做到，且放大器的單管fT都高達3kMHz以上，這樣，通過提高元器件的高頻特性來減少放大的級數，從而達到簡化放大電路的目的。

4．2　X水平觸發掃描系統
　　X水平觸發掃描系統主要有觸發電路、掃描電路和水平放大器組成。
　 （1）觸發電路是將被測信號的同步信號放大整形，處理成TTL門信號，控制A、B掃描閘門。
　 （2）掃描電路由數字脈沖編碼開關、門控電路、掃描閘門電路、充電電阻、充電電容等組成。掃描選擇開關將控制信號送到單片機控制輸入接口電路，由單片機控制門控電路，選通相應的量程設置，產生一個與時間成線性關系的掃描電壓，送給水平放大器。A掃描電路在水平方式開關控制下，產生相關信號去啟動B掃描閘門，B掃描電路受B掃描閘門控制，產生延掃描電壓送水平放大器。A、B掃描控制電路根據水平方式控制開關狀態，選通A和B掃描信號，或按時序交替選通。
　 （3）水平放大器就是將A、B掃描電壓及字符信號無失真地饋給CRT的水平偏轉板。
4．3　Z軸加亮系統
　　Z軸加亮放大器是對信號亮度和字符亮度幅度放大，可通過亮度電位器控制信號和字符輝度變化。
4．4　高、低電壓電源系統
　　低壓電源有＋110V、＋55V、＋12V、＋5V、－12V共5檔。由于整機采用了低功耗設計和開關電源，整機功耗約40W，從而降低了整機的溫升，提高了可靠性。高壓電路是由直流變換電路產生約1．5kV的高壓，供示波管電路工作。
4．5　單片機控制系統
　　本系統采用的單片機是***華邦公司生產的W78E58八位可電擦除芯片。片內含有32kBFLASHEEPROM。免去擴展外部存儲器的麻煩，使得單片機控制系統更加簡單。W78E58工作主頻設定為12MHz，P0口與P1口為系統的地址總線和數據總線，P3口為普通輸出口，輸出衰減電路量程和掃描速度等控制信號。片外數據存儲器采用了美國Dallas公司生產的DS12C887芯片。該芯片內含鋰電池、128BRAM，其中48個單元隨時采集現場信息。上電時自動調出，掉電時自動保護，保證了儀器斷電后現場數據不丟失。該系統采用了三路八位梯形網絡D／A轉換器，D／A轉換器將緩沖存儲器里的數字信息轉換成脈沖序列。單片機W78E58通過采樣保持電路，把控制面板上所設定的狀態量（垂直偏轉系數、掃描偏轉系數、光標卡尺、校正狀態等）讀入。一方面通過P3口輸出調整結果，經移位寄存器轉換去調整垂直系統的衰減電路的控制器（繼電器）和掃描電路的控制器（模擬開關），使之和面板設定狀態一致。另一方面通過讀入采樣結果調用顯示程序模塊，從存貯器字庫中取出相應代碼送入暫存器，當顯示開關置于導通時，輸出接口將程序運算結果、狀態設置字符送入D／A變換器經字符放大器分別饋入Y后置放大器、X水平放大器、Z軸加亮放大器。此時所需字符即可穩定顯示在屏幕上。
　　系統的軟件設計采用了模塊化結構，各模塊都有相應的子程序完成。本系統軟件分主程序、電壓測量子程序、時間測量子程序、頻率測量直讀子程序、儀器狀態設置子程序、故障檢測子程序等模塊。程序設計略。
5　結束語
　　YB4365／4345數字光標直讀示波器研制成功后，經測試認為該機性能穩定可靠、指標精度高、操作簡便、性價比高，滿足了用戶對該測量儀器的需求。該機已通過CE認證，并打入國際市場，具有較強的競爭力。

1　賴壽宏．微型計算機控制技術．武漢：華中理工大學出版社，1996