基于STM32的便攜式示波器的設(shè)計(jì)

劉東+曾仕鵬+劉雪敬

摘 要：本設(shè)計(jì)是一種簡(jiǎn)易數(shù)字示波器，以STM32單片機(jī)作為控制核心，經(jīng)過按鍵設(shè)置相應(yīng)檔位后，被測(cè)信號(hào)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(shí)時(shí)波形。測(cè)試結(jié)果表明本課題設(shè)計(jì)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(jì)的便攜式示波器成本低，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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

引言

示波器的應(yīng)用與日俱增。對(duì)硬件開發(fā)來說，測(cè)量信號(hào)的幅度、頻率等信息都離不開示波器，但是對(duì)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(jì)愛好者由于高精度示波器昂貴的價(jià)格所帶來的困擾，設(shè)計(jì)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(jì)硬件電路部分由信號(hào)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(jì)以STM32為控制核心，首先將被測(cè)信號(hào)離散化，之后將離散數(shù)據(jù)暫存于FIFO中，單片機(jī)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(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的波形顯示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 前端信號(hào)的處理

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

被測(cè)信號(hào)分為兩種：一種是直流信號(hào)，另一種是交流信號(hào)。對(duì)于選擇直流信號(hào)還是交流信號(hào)是通過撥碼開關(guān)進(jìn)行選擇的。首先，判定信號(hào)是直流還是交流；然后通過調(diào)整撥碼開關(guān)將示波器測(cè)試模式調(diào)整至合適測(cè)試檔位。測(cè)量交流信號(hào)時(shí)，信號(hào)經(jīng)過電容進(jìn)入模擬通道；測(cè)量直流信號(hào)時(shí)，信號(hào)直接進(jìn)入模擬通道。

信號(hào)波形處理電路主要由信號(hào)抬升電路和阻抗變換電路兩部分組成。信號(hào)抬升電路作用是使信號(hào)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(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，所以需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散化處理[4]。

2.2 信號(hào)的采集

信號(hào)的采集部分采用BB公司的8位AD，是本設(shè)計(jì)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(shí)，由于FIFO沒有地址線，所以使用地址指針增減的方式來進(jìn)行尋址操作。AD和FIFO的同步時(shí)鐘均來源于單片機(jī)的ALE引腳，這樣保障了FIFO和AD的時(shí)鐘同步。

2.3 液晶顯示

本設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)編程端口：RS、RW、EN和PSB。

2.4 按鍵電路

設(shè)置了1個(gè)按鍵控制波形的run和stop，2個(gè)獨(dú)立按鍵設(shè)置幅值和時(shí)間軸的大小，當(dāng)MCU檢測(cè)到按鍵被按下時(shí)，軟件中相應(yīng)的參數(shù)值會(huì)發(fā)生相應(yīng)地變化，從而改變了波形的大小。

本設(shè)計(jì)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(jì)

總體設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

3.2 測(cè)量頻率流程圖

本設(shè)計(jì)采用計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率。基本思想就是利用計(jì)數(shù)器累加的方法，測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)被測(cè)信號(hào)的上升沿?cái)?shù)量，將1s等分成20個(gè)50ms，防止計(jì)數(shù)器產(chǎn)生溢出，測(cè)出信號(hào)頻率[8]。

3.3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試方式如下：

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

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于STM32的便攜式數(shù)字示波器，通過對(duì)軟件和硬件的優(yōu)化，經(jīng)測(cè)試可以達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，所設(shè)計(jì)的便攜式數(shù)字示波器運(yùn)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(diǎn)。是廣大電子愛好者的福音。

參考文獻(xiàn)

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