基于單片機的數字示波器研究與設計

徐霜 胡志豪 孫卓異

摘要：本示波器以STM32芯片作為控制元件，LCD顯示屏作為輸出設備、按鍵作為輸入設備，可以對復雜信號的頻率、周期、峰峰值等參數進行較高精度的測量。被測信號在通過調理電路、放大器、采樣保持器、A/D轉換器后以二進制數的形式輸入到控制芯片中，經過分析、計算后控制LCD的顯示，其中按鍵作為輸入設備可以控制波形的顯示。本數字示波器示波器具有便于攜帶，操作方便，性價比較高的特點，能自動測量波形的頻率、周期、峰峰值等參數，且精度、穩定性較高，具有很好的市場應用前景。

關鍵詞：操作系統;軟/硬件設計;性價比;穩定性

一、設計說明

本示波器采用STM32型號的處理器[1]，以按鍵作為輸入設備，LCD顯示屏作為輸出設備，設計了一款高性價比、高穩定性、操作簡便的便攜式數字示波器。該示波器在對輸入的模擬信號進行信號調理、采樣保持、A/D轉換后送至處理器進行分析、運算，再控制LCD顯示屏顯示測量結果。利用唐都儀器的自動控制試驗箱產生的模擬信號和測試軟件對示波器和進行測試，測試結果表明本設計能夠很好地對信號進行較高精度的測量。

（一）設計目的和意義

示波器作為一種應用普遍的信號測量儀器，能將不可見的模擬信號轉換成可視化圖像，并能夠對信號特征進行測量。本文設計了一款基于STM32處理器的高性價比、高穩定性、操作簡便的便攜式數字濾波器，其便攜性拓寬了應用場合，操作簡便可以用于教學展示。

（二）方案論證及可行性分析

本設計方案如圖1所示，輸入信號在經過調理電路、放大電路、采樣/保持器后，經A/D轉換器變成單片機可識別的二進制數，在經過STM32芯片的分析、運算后，經D/A轉換在驅動電路幫助下控制LCD的顯示。其中按鍵和PC作為外設可以對LCD的顯示進行控制。

1技術性分析

本方案采用了電容式耦合隔離電路，能夠有效地對直流信號進行隔離。電壓跟隨器有著隔離輸入輸出兩端噪聲信號的作用，而且能大大減小負載的變化對輸出信號的影響。信號調理電路能夠對信號進行濾波，放大，成為適合ADC的輸入信號。去耦合電路能對高頻信號無阻礙作用對直流電壓進行耦合，使得直流電壓更穩定。

2方案的性價比

本設計方案以按鍵作為輸入設備，LCD作為輸出設備實現了對信號的測量和分析，操作簡便，穩定性高，和同類產品相比功能較為齊全，便攜性高，而使用的元器件較為廉價，總體造價約為50元，性價比較高

3市場需求

目前市場上的數字示波器造價較為昂貴，且體積較大，不不便于攜帶。本數字示波器僅有手掌大小，便于攜帶，且穩定性較好，適用范圍較廣，能對不同類型的信號進行較高精度的測量，因此在同類產品中有很好的市場前景。

（三）總體設計

本數字示波器采用9V電源供電，以STM32F103Cx為單片機核心處理器，將信號數字化后再建立波形，具有記憶、存儲被觀測信號的功能，還可以用來觀測和比較單次過程和非周期現象以及低頻和慢速信號。本設計采用彩色的TFTLCD屏幕，使示波器靈敏度和可視度得到很大提高，并留有USB端口可供二次升級開發。總體來說本數字示波器示波器具有體積小、重量輕，便于攜帶，操作方便，能自動測量波形的頻率、周期、峰峰值、有效值、最大值、最小值等。

（四）軟硬件設計

本數字示波器采用STM32處理器，建立了UCOS操作系統便于任務的調度，提高了執行效率。利用按鍵實現命令輸入，LCD顯示屏實現結果輸出。而硬件電路主要包括信號調理電路、A/D轉換電路、按鍵控制電路等。

1硬件設計

被測信號經過耦合后，利用信號調理電路進行濾波、放大，再經過A/D轉換后轉換成能被控制器識別的二進制信號，在經過分析、運算后控制LCD顯示，其中按鍵控制電路和檔位控制電路作為輸入設備，控制LCD的波形顯示。耦合方式選擇電路，利用電容對直流信號的隔離作用，組成的耦合方式選擇電路，SW1為單刀三擲開關，撥到“1”位置時交流直流均可以通過，“3”只能通過交流，“4”直接接地。由運算放大器的原理可知“0”信號處等于“1”等于“2”信號處，即輸入信號等于輸出信號。

圖2為信號進入ADC前的信號調理電路，由同相放大器和電壓比較器組成，當輸入信號的幅度較小時，此電路可對信號進行放大;當信號幅度過大時，可以使之衰減。利用信號調理電路可以使信號成為適合ADC輸入的信號。

2軟件設計

利用μcos操作系統，建立包括按鍵掃描、LCD顯示、串口通信等任務，并利用消息隊列傳遞參數，實現波形的顯示、存儲和控制。其中按鍵和PC機可以控制LCD顯示的內容包括橫縱坐標的單位值和以及直流、交流輸入模式。

二、設計總結

本示波器便攜性較好、操作簡便，性價比較同類產品較高，能夠很好地對各種復雜信號進行測量、分析。

參考文獻：

[1] 徐健，唐胤.基于STM32的便攜式數字示波器設計[J].電子設計工程，2019，27（14）：139-143.

[2]張華忠.基于STM32的便攜式數字示波器設計[J].現代計算機（專業版），2017（19）：45-47.