基于STM32的便攜式示波器的設計

劉東+曾仕鵬+劉雪敬

摘 要：本設計是一種簡易數字示波器，以STM32單片機作為控制核心，經過按鍵設置相應檔位后，被測信號經過與處理電路、A/D轉換電路、采樣電路后再經過數據處理最后顯示實時波形。測試結果表明本課題設計的便攜式示波器系統穩定、波形清晰、可靠性高，而且本課題設計的便攜式示波器成本低，具有很高的實用價值。

關鍵詞：便攜式示波器；STM32；預處理電路；A/D轉換；實時采樣

引言

示波器的應用與日俱增。對硬件開發來說，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]。為滿足眾多電子設計愛好者由于高精度示波器昂貴的價格所帶來的困擾，設計了一種基于STM32的便攜式示波器。

1 便攜式數字示波器的工作原理

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

2 硬件設計

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進行選擇的。首先，判定信號是直流還是交流；然后通過調整撥碼開關將示波器測試模式調整至合適測試檔位。測量交流信號時，信號經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轉換器的輸入范圍[3]。但STM32屬于數字器件，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，是本設計的核心部分，經過AD采集的數據不是直接發送至MCU，而是首先發送到AD與MCU之間的FIFO，以便起到數據緩沖的作用。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

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

2.4 按鍵電路

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

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

3 軟件部分

3.1 流程圖的設計

總體設計流程圖如圖1所示。

3.2 測量頻率流程圖

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

3.3 測試結果

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。兩次測試結果均與被測信號基本相符，誤差較小。

4 結束語

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

參考文獻

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