綜合應用計算機--開發多功能測試儀
陳奇明
摘要：介紹利用計算機與單片機開發實驗儀器結合，應用單片機作爲控制核心，結合外圍集成芯片，開發示波器測量，信號發生器，萬用表測量，開發出獨立的多功能測試儀器。當與計算機連機使用時，又成爲大的測試儀，功能更加強大，操作更加簡便，更利於研究實驗。本系統開發多使用現代的大規模功集成電路，體積小，可靠性高，價格低廉，實用性強。
關鍵詞：計算機，測試儀，測試摸塊，數據傳輸
引言
開展教學研究，實驗是關鍵，而實驗的儀器設備是研究的重要工具，在學校中由於大量的測量儀器價格昂貴，體積大，攜帶不便，使學校中的科學實驗研究難以普及深入，開發創新科學研究僅僅停留在一個理念上，缺乏大量實際的實驗操作。
計算機的普及應用，及大規模集成電路的發展，爲開發高質量低成本的教學實驗儀器設備提供了可能，這裏設計的《綜合應用計算機-開發多功能測試儀》，是利用單片機進行開發的多功能測試儀，它可以作爲獨立的多功能儀器操作和使用，每一種功能的測試儀器操作控制與傳統的儀器操作控制相對應。設計中增加了單片機通訊接口與計算機的連接，使測試儀的功能更全面得以發揮，操作更方便，觀察更直觀，使用更安全和研究更方便。
1 系統總體設計
本系統是由單片機構成中央處理模組，連接信號發生器模組、萬用表測量模組、示波器探測模組（此模組要與計算機連接使用）、儀器轉換控制模組和液晶顯示模組構成獨立多功能測試儀，透過儀器轉換控制模組控制相應的按鍵，可轉到對應測量模組上，並在液晶顯示模組上顯示對應的測量參數。當使用單片機通信接口與計算機連接時，開啟相應的應用軟件系統，透過鍵盤和鼠標可以方便的對儀器進行操作，使多功能測試儀的性能的得到擴展。如圖1爲系統總體結構圖。
2 硬件電路設計
在多功能測試儀系統中，單片機控制處理模組是關鍵的部分，它控制着系統中的各個模組，並對測試中的數據進行接收傳輸和處理，同時還對測試中的各種狀態進行跟蹤、檢測和判斷。因此單片機型號選用對開發週期，產品性能和質量有着極大的影響，爲了降低成本，這裏選性價比極高的STC12C5A60S2單片機作爲主控芯片,其主要性能和功能如圖2所示。
單片機工作頻率是重要選擇參數，直接影響測試模組的精確度， STC12C5A60S2單片機工作頻率爲：0～35MHz,在設定高速模式下：1個時鐘/機器週期，相當於普通8051：0～420MHz。ISP/IAP爲在系統可編程/在應用可編程，利於產品開發中的調整和測試，縮短開發週期。單片機內部的大量的EEPROM爲實時數據測量的存儲提供空間。其內部本身還帶有8路10位高速A/D轉換器，速度可達250KHz(25萬次/秒)，在STC12C5A60S2單片機中還有兩路可編程計數器陣列PCA/PWM，PCA是一個特殊的16位定時器，有2個16位的捕獲/比較模組與之相連，每個模組可編程在4種模式下：上升/下降沿捕獲，軟件定時器，高速輸出或可調製脈衝輸出。可方便設計爲電壓測試，按鍵掃描，頻譜檢測等，使電路設計更爲方便。
2.1 信號發生器模組的設計
信號發生器主要是輸出各種信號波形，對設備進行調整測試，因此要求輸出的信號要穩定，頻率可根據測試要求調整，幅度可調。其頻率的變化可以使用單片機中的一個時間/計數器T0,產生的脈衝去控制信號發生器模組。要取得穩定的輸出信號，本系統使用AD7008集成電路來實現直接數字頻率合成的信號。其原理是根據奈奎斯特取樣，從連續信號的相位φ考慮，對一個正弦信號進行取樣，量化，編碼，形成一個正弦函數表，存儲在存儲器中。合成時，透過改變相位累加器的頻率控制字，來改變相位增量，相位增量的不同將導致一週的取樣點的的不同，因角頻率ω=Δφ/Δt，在取樣頻率不變的情況下，透過改變相位累加器的頻率控制字，將這種變化的相位/幅值量化的數字信號透過D/A變化及低通濾波器，即可得到合成的相位變化的模擬信號。由於AD7008集成電路集相位調製，頻率調製，幅度調製及I/O正交調製等多功能於一身，輸出信號頻率最高可達20MHz，分辨率可達0.02Hz。另外一個特點，即它輸出的信號上沒有疊加任何變化電流脈衝，輸出信號是一個平穩的變化波形，而且相位保持連續的變化。信號發生器電路結構，如圖2.1所示。
由於AD7008的輸出端有一個10位的D/A數字模擬轉換器，輸出的合成信號是階梯狀的，帶有許多高次頻譜信號分量，必須將這些不需要的高次頻譜信號分量濾除，才能得到頻譜 純淨的正弦波信號輸出，因此需要在AD7008輸出端增加濾波電路，設計濾波電路時要求濾波器的衰減特性要陡直，延遲時間要短，可採用六階橢圓函數濾波器。其電路原理如圖2.1a所示。
2.2 萬用表測量模組的設計
萬用表測量模組主要對電壓，電流和電阻值的測量。根據V=R*I電量的關係，和利用電路中參考量的比值，電路測量中只要測出電壓值經過相應換算就可以得出所測的電壓，電流和電阻值。本系統中主機電路採用的是STC12C5A60S2單片機，本身帶有A/D轉換電路，轉換口在P1口（P1.0---P1.7）,有8路10位高速A/D轉換器，速度可達250KHz(25萬次/秒)，參考電壓源是輸入工作電壓Vcc，所以一般不用接參考電壓源，系統是以7805作爲穩壓源，，其實際電壓可能是4.88V到4.98V，在要求精度比較高的情況下，可對穩壓源進行實際測量，並將工作電壓值記錄在單片機內部的EEPROM中，以供計算。當採用電池供電時，電池電壓是在5.3V-4.2V之間漂移，即Vcc不固定，就需要在8路的A/D轉換的一個通道外接一個穩定的參考電壓源，來計算此時的工作電壓Vcc，再計算出其他幾路A/D轉換通道的電壓。由於電壓測量與電阻測量直接採用單片機片內的A/D轉換電路，其外圍電路設計並不複雜，這裏主要對電流測量進行分析。
在對電流進行測量時，必須先將其電流信號轉換成電壓信號，然後才能實現A/D的轉換，常用的轉換方法是在電路中加入精密電阻，由此將電流信號轉換爲電壓信號，當電流很小時，就很難選擇一個合適的阻值，影響測量準確度，在本系統中採用電流/電壓轉換芯片MAX472，克服了常規測量電流存在的測量範圍小，測量誤差大等缺點，可提高測量精度。MAX472的工作原理如圖2.2所示，方框內的部分是該芯片的內部結構，圖中A1和A2是兩個運算放大器，構成差動輸入，這樣可以增強抗干擾能力，從而提高小電流的測量準確度，Q1和Q2是兩個三極管，COMP是比較器，Resense是電流採樣電阻，要採用熱穩定性好，漂移小的康銅絲電阻。方框外爲調整電路。
2.3 示波器模組電路的設計
示波器模組是將測試的模擬信號轉換爲數字，透過編碼，數據存儲，在單片機控制下將測試數據傳送到計算機，並透過相應的應用程序的處理，將測試出對應的波形顯示在計算機顯示屏上。示波器測試模組是一種綜合性的電信號測試儀器，它能把眼睛看不見的電信號轉換成能直接觀察的波形，顯示在計算機顯示屏上。其實質是一種時域測量，用來觀察信號隨時間的變化關係，可用來測量信號波形，幅度，頻率等。設計中要求測量靈敏度要高。測量幅度較小的信號，具有較強的過載承受能力，輸入阻抗要高，對被測的'網絡影響要小，工作頻率要高，響應速度快，便與觀察波形瞬變的細節。其工作原理如圖2.5所示。
衰減器
衰減器是用來衰減大幅度的輸入信號，以保證放大電路輸出不產生失真，對衰減器的主要要求是，頻帶要足夠寬，輸入的阻抗要高，因此採用RC衰減器，其原理如圖2.3a所示 。當滿足R1*C1=R2*C2時，衰減器的衰減量爲Vo/Vi=R2/（R1+R2）,可以看出衰減量與頻率無關，此時爲最佳補償狀態。
（2）前置放大電路
前置放大電路是放大被觀察信號，使微弱的信號能被放大到一定的增益，使信號能被正確的採集，放大電路通常採用頻率補償措施，引入較強的負反饋，以獲得較寬的頻帶和較高的增益穩定性。放大電路的頻帶是示波器的一個重要技術指標，它決定了能夠測量信號的最高頻率，可採用INA333集成放大器，它是業內功耗最低的零漂移儀表放大器。具有 75µA 靜態電流、25µV 偏移電壓、出色的噪聲功率比，在75µA 時，噪聲功率比爲 50nV/rt-Hz，對前置放大電路對數據採集起着關鍵的作用。
（3）波形採集轉換電路
波形採集轉換電路是將測試的模擬信號轉換爲數字信號， A/D轉換器在系統中所處的位置是很關鍵的，因爲它直接反映軟件化的程度.由於STC12C5A60S2單片機自帶的 A/D轉換器速度在這面就顯的不夠快，必須選用並行數據採集的A/D轉換器。選擇用時既要考慮A/D轉換器的性能，又要考慮能滿足系統所要求的動態範圍和性能指標。性能指標主要有A／D轉換位數、無寄生動態範圍(SFDR)、信噪比(SNR)、轉換速率、量化靈敏度等。一般來說A／D轉換器的轉換位數越多越好，轉換位數越多，其動態範圍就越高。本系統中選用AD6645 集成電路 A/D轉換器， 其保持採樣率可達80MS／s，工作帶寬達270MHz，多音無寄生動態範圍(SFDR)爲100dB； 作爲新型的高速、大動態範圍A／D轉換器．AD6645的模擬信號輸入也爲差分形式．因爲在模擬信號階段差分輸入對偶次諧波有很高的共模抑制比，可以提高電路的性能。
2.4 通信接口電路的設計
當多功能測試儀於與計算機連接使用時，使用串行通信接口進行連接，本系統中採用目前通用的USB接口，但STC12C5A60S2單片機只有一個可編程全雙工串行通信接口，必須進行接口轉換，這裏採用 CP2103高集成度USB轉UART專用芯片。它用最簡單的外部電路、最少的外部器件和最小的電路板面積實現USB2.0到UART的轉換。CP2103是一款高度集成的USB-UART橋接器，它包含了一個USB功能控制器、USB收發器、振盪器和帶有全部調制解調器控制信號的異步串行數據總線，一方面可以從分機接收USB數據並將其轉換爲RS232資訊流格式發送給外設；另一方面可從RS232外設接收數據轉換爲USB數據格式傳送至主機，其中包括控制和握手信號。計算機採用VB語言的通訊控制函數，按串行口方式設定，以實現接口通訊軟件設計。該通訊程序波特率可設在600～9600之間進行調試。CP2101的實際應用參考電路如圖2 .4所示
爲了減少單片機控制系統與計算機應用系統之間數據傳輸的干擾，在單片機控制系統與計算機應用系統之間的數據傳輸使用光電耦合來隔離。使兩個系統的電源相互獨立，消除地電位不同所產生的影響，本系統中採用P521光電耦合管來隔離雙邊信號源。P521光電耦合管是電流型輸出，不受輸出端工作電壓的影響，因此可以用於不同電平的轉換。爲了確保數據收發的穩定性，避免通信過程中的干擾，還可以在USB接口端添加濾波電路。
2.5 儀器轉換控制模組電路的設計
在單片機總控制系統中控制着多種模組儀器，而使用時只選用其中的一個模組進行操作，儀器間的轉換控制是透過單片機輸入/輸出端口進行的，可使用STC12C5A60S2單片機中的P3.2外部中斷0端口作爲各測試模組之間的轉換，其原理是透過中斷控制字的設定，使外部中斷0爲低電平控制，每按一次P3.2端口使之爲低電平，轉換一種測試模組，循環進行。若與計算機連接一起使用時，可進行相應的數據傳輸，使計算機應用系統接收到相應數據後，將控制相應模組應用軟件，並顯示出相應控制操作介面。爲了節省端口並擴展控鍵，使各測試摸塊的測量範圍得以擴大，可使用P1口中的一路A/D作爲擴展控鍵。可採用按鍵掃描來方式，根據不同按鍵按下時，ADC檢測端口就有不同的電壓比值，來確定具體的按鍵起作用，電路如圖2.4所示。
在測試模組進行轉換時，當有共同的信號作爲輸入或輸出時，爲了節省相應器件和線路空間，此時信號線的轉換可採用四重雙向電子轉換開關MC14066集成電路，其主要的特點是信號轉換頻率高，開關導通時內阻非常小，開關截止時處於高阻狀態，適合作爲信號開關使用。
結束語
由於現代科技的高速發展．大規模集成電路的普及應用，爲我們開發新一代的教學儀器提供了保證，目前應用普及型大規模集成電路開發教學實驗儀器，依然處在探索階段，普及型大規模集成電路價格非常低廉，但其功能又非常強大，結合計算機應用開發實驗測試教學器材具有廣闊的前景，使教學實驗儀器真正融入我們日常探索研究中，結合我院基礎教育，面向廣大的中學，充分利用現有的高科技技術，開發創新自主知識產權的高科技教學產品，促進教學研究和培訓，更有利與學院的長期穩固發展。