基于STM32的便攜式示波器的設(shè)計

劉東+曾仕鵬+劉雪敬

摘 要：本設(shè)計是一種簡易數(shù)字示波器，以STM32單片機作為控制核心，經(jīng)過按鍵設(shè)置相應(yīng)檔位后，被測信號經(jīng)過與處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、采樣電路后再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理最后顯示實時波形。測試結(jié)果表明本課題設(shè)計的便攜式示波器系統(tǒng)穩(wěn)定、波形清晰、可靠性高，而且本課題設(shè)計的便攜式示波器成本低，具有很高的實用價值。

關(guān)鍵詞：便攜式示波器；STM32；預(yù)處理電路；A/D轉(zhuǎn)換；實時采樣

引言

示波器的應(yīng)用與日俱增。對硬件開發(fā)來說，測量信號的幅度、頻率等信息都離不開示波器，但是對于非盈利的教學(xué)組織和廣大電子愛好者來說高精度的示波器非常昂貴[1]。為滿足眾多電子設(shè)計愛好者由于高精度示波器昂貴的價格所帶來的困擾，設(shè)計了一種基于STM32的便攜式示波器。

1 便攜式數(shù)字示波器的工作原理

本設(shè)計硬件電路部分由信號調(diào)理電路、主控芯片、按鍵選擇電路組成，顯示部分為LCD液晶顯示電路。本設(shè)計以STM32為控制核心，首先將被測信號離散化，之后將離散數(shù)據(jù)暫存于FIFO中，單片機從FIFO中讀取數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)處理將數(shù)據(jù)輸出在LCD顯示器上，實現(xiàn)被測信號的波形顯示。

2 硬件設(shè)計

2.1 前端信號的處理

本模塊具有兩大功能，一是通過撥碼開關(guān)切換測試檔位；二是信號波形的處理。

被測信號分為兩種：一種是直流信號，另一種是交流信號。對于選擇直流信號還是交流信號是通過撥碼開關(guān)進行選擇的。首先，判定信號是直流還是交流；然后通過調(diào)整撥碼開關(guān)將示波器測試模式調(diào)整至合適測試檔位。測量交流信號時，信號經(jīng)過電容進入模擬通道；測量直流信號時，信號直接進入模擬通道。

信號波形處理電路主要由信號抬升電路和阻抗變換電路兩部分組成。信號抬升電路作用是使信號在垂直方向上處于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍[3]。但STM32屬于數(shù)字器件，不能直接對模擬信號進行處理，所以需要對信號進行離散化處理[4]。

2.2 信號的采集

信號的采集部分采用BB公司的8位AD，是本設(shè)計的核心部分，經(jīng)過AD采集的數(shù)據(jù)不是直接發(fā)送至MCU，而是首先發(fā)送到AD與MCU之間的FIFO，以便起到數(shù)據(jù)緩沖的作用。而在FIFO尋址時，由于FIFO沒有地址線，所以使用地址指針增減的方式來進行尋址操作。AD和FIFO的同步時鐘均來源于單片機的ALE引腳，這樣保障了FIFO和AD的時鐘同步。

2.3 液晶顯示

本設(shè)計的波形顯示模塊采用8位并行數(shù)據(jù)處理的2.4寸LCD顯示屏，時域分量體現(xiàn)在橫軸上，幅值體現(xiàn)在縱軸上[7]。液晶屏有4個編程端口：RS、RW、EN和PSB。

2.4 按鍵電路

設(shè)置了1個按鍵控制波形的run和stop，2個獨立按鍵設(shè)置幅值和時間軸的大小，當MCU檢測到按鍵被按下時，軟件中相應(yīng)的參數(shù)值會發(fā)生相應(yīng)地變化，從而改變了波形的大小。

本設(shè)計橫軸方向能夠設(shè)置三檔掃描速度：10us/div，20us/div，40us/div，縱軸方向能夠設(shè)置三檔垂直靈敏度：10mV/div、0.1mV、1V/div，此外還可以設(shè)置1倍、2倍、5倍的不同檔位。

3 軟件部分

3.1 流程圖的設(shè)計

總體設(shè)計流程圖如圖1所示。

3.2 測量頻率流程圖

本設(shè)計采用計數(shù)法測量頻率。基本思想就是利用計數(shù)器累加的方法，測量單位時間內(nèi)被測信號的上升沿數(shù)量，將1s等分成20個50ms，防止計數(shù)器產(chǎn)生溢出，測出信號頻率[8]。

3.3 測試結(jié)果

測試方式如下：

（1）測試頻率為3KHZ，幅值為3.3V的方波信號。示波器輸出波形與實際波形基本相符。顯示幅值為3.4V，頻率大致為3KHZ。（2）測試頻率為10KHZ，幅值為5V的正弦信號。輸出波形也與實際波形相符。顯示幅值為5.1V，頻率大致為10KHZ。兩次測試結(jié)果均與被測信號基本相符，誤差較小。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于STM32的便攜式數(shù)字示波器，通過對軟件和硬件的優(yōu)化，經(jīng)測試可以達到所要求的性能指標，所設(shè)計的便攜式數(shù)字示波器運行穩(wěn)定、可靠。此外，該數(shù)字示波器還具有體積小、易攜帶、成本低、易操作等優(yōu)點。是廣大電子愛好者的福音。

參考文獻

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