多功能電子口袋儀器設計與實現

崔勇強, 陳 錕, 王曉磊, 侯建華

(中南民族大學 電子信息工程學院, 湖北 武漢 430074)

示波器、函數信號發生器等設備在電子信息類專業實驗室中扮演了不可或缺的角色[1]。隨著數字信號處理技術的日益成熟,數字存儲示波器取代了模擬示波器成為了教學、科研、工程中首選的測量儀器[2-4]。函數信號發生器是可以提供各種波形、頻率等的電測量信號的儀器,與示波器配合工作,成為電子設計與調試過程中必不可少的測試設備[5-6]。

目前,以泰克、力科、鼎陽等廠商為代表的主流示波器產品體積較大、要求220 V供電、價格較高,另外,大部分示波器并不集成函數信號發生器功能[7]。在新時代的發展趨勢下,當代大學生的學習越來越強調從課本走向實踐,傳統電子測量儀器難以滿足學生作為口袋儀器進行日常使用、攜帶的需求[8-9]。

本文采用STM32單片機為控制核心,設計并實現了集函數信號發生器、雙蹤數字存儲示波器為一體的口袋儀器,豐富的功能可以滿足電子設計與調試的需求。無論是在實驗室內還是實驗室以外的任何環境下,它都能夠為工科學生、業余愛好者提供一個基于模擬電路開展動手項目的“口袋儀器實驗室”。

1 系統結構與工作原理

系統總體設計框圖見圖1。系統軟件在上位機運行,上位機與STM32之間通過USB轉串口進行指令與數據的交互,上位機接收串口數據并顯示波形。雙蹤示波器的2個輸入信號通過IN1和IN2端口輸入,兩路信號經過放大調理之后,使用STM32內部的2路高精度ADC對其進行采樣,采樣后的數據傳輸至上位機處理、計算與顯示。STM32接收函數信號發生器設置的波形、頻率、幅度等參數,采用直接頻率合成技術(DDS)完成所需波形的合成[10-11],并由STM32內部的高速、高精度DAC進行數模轉換,然后經過低通濾波器濾除雜波,平滑信號,最終輸出信號至OUT端口。

圖1 系統總體框圖

2 系統關鍵模塊設計

2.1 函數信號發生器設計

函數信號發生器采用DDS方案,DDS作為第三代頻率合成技術[12],從“相位”的概念出發進行頻率合成,不僅可以產生不同頻率的正弦波,而且可以很方便地產生其他周期信號,比如三角波和方波,并且可以控制波形的初始相位。系統在STM32中完成DDS信號的合成,其框圖見圖2。

圖2 函數信號發生器框圖

根據DDS原理,生成信號的頻率fout的表達式為

其中,M為頻率控制字,即相位累加器的累加步長,N為相位累加器的位寬，fc為定時器頻率。

查詢表的地址位寬為P,因此累加器的高P位用于尋址查詢表。在本系統中,采用STM32的高精度定時器完成控制,定時器工作時鐘fc為12 MHz,累加器位寬N為32位,所以頻率精度fc/2N為0.01 Hz,查詢表地址位寬P為10,查詢表大小為1024,查詢表中的波形精度為12 bit。由此可知,系統DDS可以輸出頻率范圍0.1 Hz～20 kHz、分辨率為0.1 Hz的信號,幅度控制由STM32內部乘法器完成,乘法器的兩路輸入為12 bit,一路為信號,一路為幅度控制字,乘法器輸出24 bit中的高12 bit用于DAC驅動,輸出信號經過放大后,可以輸出幅度0～10 V、分辨率為0.1 V的信號,動態范圍為40 dB。STM32的DAC輸出臺階狀的模擬信號,需要進行低通濾波去除雜波,使得信號平滑。放大及低通濾波器的電路如圖3所示,放大倍數為10倍,截止頻率約為50 kHz。

圖3 DDS低通濾波器電路

2.2 數字示波器設計

雙蹤數字存儲示波器由STM32內部集成的12位逐次逼近型模擬數字轉換器來完成信號的采集[13]。STM32的ADC配置為雙重模式、連續轉換、規則轉換,2路ADC同時采樣。當輸入信號滿足觸發條件時,STM32開始采樣,每通道每次采樣1 024個數據,通過串口傳輸至上位機,上位機對數據作處理與顯示。示波器的工作流程如圖4所示。

圖4 示波器工作流程圖

示波器的垂直靈敏度分為5、1、0.5 V/div 3檔,水平靈敏度分為50、5、1 ms/div和100 μs/div 4檔,觸發方式可選上升沿或下降沿,耦合方式可選AC或DC耦合。

STM32的ADC若干個ADC_CLK周期對輸入電壓采樣,采樣周期數目可以通過ADC_SMPR1和ADC_SMPR2寄存器中的SMP[2∶0]位更改。每個通道可以分別用不同的時間采樣。總轉換時間的計算公式為

3 測試結果與分析

該儀器的實現效果如圖5所示,通過USB接口與筆記本電腦相連,完成供電與數據傳輸。

圖5 系統實現效果圖

該儀器測試結果如圖6所示,函數信號發生器輸出0.01 Hz、5 V的正弦波,示波器采用50 ms/div水平檔位和5 V/div的垂直檔位進行采集。測試結果表明,研制的多功能便攜式數字存儲示波器的各項功能達到設計目標要求。

圖6 系統測試結果

使用示波器測量函數信號發生器輸出信號的頻率和幅度,測試結果見表1。測試結果表明,系統的頻率和幅度測量精度均符合口袋儀器日常測量要求,對其多次重復測試表明系統工作穩定,測試重復性好。

表1 測試數據

4 結語

本文提出并實現的多功能口袋儀器兼具函數信號發生器和示波器的功能。函數信號發生器可以產生正弦波、三角波和方波,信號頻率范圍為0.1 Hz～20 kHz,分辨率為0.1 Hz,幅度范圍為0～10 V,分辨率為0.1 V。雙蹤數字存儲示波器支持2通道的模擬信號輸入,可以實時對比顯示2個通道的波形,垂直靈敏度3檔可調,掃描速度4檔可調,可以設置觸發和耦合方式,并且可以實時計算和顯示兩通道的頻率、幅度、相位信息。結果表明,本系統并且具有成本低、集成度較高、測量準確和操作便捷的特點,方便工科學生進行電子設計與調試。

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