手持式示波表的設計

2018-05-30 01:48:17桂林電子科技大學信息與通信學院張德煌孔垂鑫

電子世界 2018年9期

桂林電子科技大學信息與通信學院張德煌孔垂鑫劉濤

1 示波表的發展概括

數字示波器簡介：

目前，測量技術在科學技術發展領域的地位越來越重要，測量技術體現了一個國家的科學技術發展水平。示波器是電子測量中最常用的儀器，用來測量信號的周期、幅度，還原信號的特征，是電子工程師必備的儀器。模擬示波器的X，Y通道對信號的處理都是利用模擬信號來完成，對X軸加偏轉電壓，Y軸提供待測的信號[1]。模擬示波器的測量效果差，波形無法進行存儲，測量人員在進行信號測量的時候，只能夠用肉眼仔細觀察波形，如果第一次錯失之后，就只能重新開始，在進行測量，非常不方便。隨著技術的不斷發展，模擬示波器由于具有非常多的缺點，逐漸被數字存儲示波器取代。數字存儲示波器的基本原理是將波形送入模擬通道進行處理，進過ADCC將模擬信號進行轉變為離散的數字信號，再將數據存到存儲器中。和傳統的模擬示波器相比，數字示波器還具有先進的預觸發功能，可以觀察出發點之前的波形。數字存儲示波器無論是在波形顯示，還是數據處理上都比模擬示波器的效果好[2]。

2 數字示波表的系統設計

系統整體結構：

整個系統分為三個部分；數字示波器、數字萬用表和DDS信號源三部分，系統采用ARM處理器STM32F429[3]對這三個部分進行處理。數字示波器部分以STM32F429為核心，包括前段模擬信號處理模塊、顯示模塊、編碼旋鈕模塊。通過32內部ADC采集數據存入RAM中，通過編程來處理數據，通過旋鈕來控制波形；DDS信號源部分通過STM32F429編程實現加法器、ROM查詢表和時鐘，控制內部DAC輸出波形；數字萬用表部分使用STM32F429為主控芯片，控制內部ADC采集數據，通過電阻分壓和運放放大來選擇檔位，使用開關來實現手動換擋。

3 硬件電路設計

3.1 示波器的硬件電路設計

示波器設計主要原理為對大信號進行衰減，對小信號進行放大，用ADC進行信號數據采集，通過軟件編程來處理數據，從而還原信號。衰減電路通過電阻分壓，換擋電路則是通過主控芯片IO口控制繼電器的導通來選擇不同的放大倍數。ADC采集數據范圍為0-3.3V，信號有正負電壓之分，故須把信號負電壓轉為正電壓，其原理就是通過加法器讓信號疊加一個直流信號，直流信號通過5V電壓分壓得到。ADC的采樣范圍值為0-3.3V，超過這個范圍ADC會容易燒壞，在切換衰減放大量程時，其輸出信號幅度可能超出ADC輸入電壓范圍，因此ADC輸入端需要接入保護電路。采用高速二級管，ADC輸入電壓鉗位在0-3.2V。

3.2 DDS信號源的硬件設計

由ARM控制器產生DAC輸出，DAC輸出電壓值為0-3.3V，但信號源輸出為正負電壓，經過反向放大后再進行電平抬升，使之輸出有負電壓，該輸出再經過濾波器電路，因為前一級經過了一次反向放大，所以后級放大器為反向放大器，通過滑阻來控制放大倍數。正弦波信號具有頻譜分量單一、輸出頻率較高的特點，設計時主要需要考慮的是在通帶內使需要的信號的衰減盡量小，而使諧波分量盡量得到抑制以滿足輸出要求。為了達到要求，選用 7階橢圓濾波器來實現所需的濾波器。

3.3 數字萬用表的硬件設計

直流電壓和交流電壓分200mv、2v和20v檔位，200mv因電壓太小，ADC采樣數據可能會有較大誤差，通過運放放大10倍進行測量，用軟件進行衰減；2v檔位剛好在ADC采樣范圍，這個檔位無需處理，20v檔位因為幅度較大，用電阻分壓來衰減10倍，用軟件進行放大。

直流電流和交流電流的測量電路設計采用ACS712，它是一款檢測電流的霍爾傳感器，該器件具有精確的低偏置線性霍爾傳感器電路與位于附近的銅傳導路徑表面的電路小片，外加電流流過這個銅傳導路徑產生的磁場感應到被集成霍爾IC比例轉換成電壓。本測量電流就是根據霍爾傳感器輸出電壓與電流的關系，通過測量電壓，推出電流值。

電阻測量電路的設計用標準電阻和被測電阻串聯，通過分壓原理，測出被測電阻兩端電壓，根據公式推算出電阻值，不同的檔位使用不同的標準電阻。

電壓、電流和電阻的輸出需要經過限幅電路，ADC的采樣范圍值為0-3.3V，超過這個范圍ADC會容易燒壞，在切換衰減放大量程時，其輸出信號幅度可能超出ADC輸入電壓范圍，因此ADC輸入端需要接入保護電路。采用高速二級管，ADC輸入電壓鉗位在0-3.2V。