基于STM32的简易数字示波器

1山东科技大学课程设计报告设计题目：基于STM32的简易数字示波器专业：班级学号：学生姓名：指导教师：设计时间：小组成员：2基于STM32的数字示波器设计-----------硬件方面设计摘要本设计是基于ARM(AdvanceRISCMachine)以ARM9[2]为控制核心数字示波器的设计。包括前级电路处理，AD转换，波形处理，LCD显示灯模块。前级电路处理包括程控放大衰减器，极性转换电路，过零比较器组成，AD的转换速率最高为500KSPS，采用实时采样方式，设计中采用模块设计方法。充分使用了ProteusMultisim仿真工具，大大提高了设计效率，可测量输入频率范围为1HZ—50KHZ的波形，测量幅度范围为-3.3V—+3.3V,并实现波形的放大和缩小，实时显示输入信号波形，同时测量波形输入信号的频率。总体来看，本文所设计的示波器，体积小，价格低廉，低功耗，方便携带，适用范围广泛，基本上满足了某些场合的需要，同时克服了传统示波器体积庞大的缺点，减小成本。关键词：AD，ARM，实时采样，数字示波器3目录前言---------------------------------------------------------------------------------3第一章绪论--------------------------------------------------------------------41.1课题背景---------------------------------------------------------------------41.2课题研究目的及意义----------------------------------------------------41.3课题主要的研究内容----------------------------------------------------5第二章系统的整体设计方案--------------------------------------------62.1硬件总体结构思路--------------------------------------------------------6第三章硬件结构设计------------------------------------------------------------73.1程控放大模块设计-------------------------------------------------------73.1.1程控放大电路的作用-------------------------------------------73.1.2程控放大电路所用芯片---------------------------------------73.1.3AD603放大电路及原理----------------------------------------83.2极性转换电路设计------------------------------------------------------103.3AD转换电路及LED显示电路等(由组内其他同学完成)第四章软件设计(由组内其他同学完成)第五章性能能测试与分析--------------------------------------------------15第六章设计结论及感悟-----------------------------------------------17参考文献----------------------------------------------------------------------184前言由于传统示波器虽然功能齐全但是体积旁大，不方便使用，本设计针对这种缺点设计一种体积小、成本低、功耗小、便携数字示波器，同时达到学以致用，理论和实践相结合，进一步学习课外知识，培养综合应用知识，锻炼动手和实际工作的能力。示波器实现输入频率范围为10HZ—60KHZ，幅度范围为-3.3V—+3.3V，并实现波形实时显示以及放大和缩小。同时显示波形频率和幅度。示波器在电子、电气、控制等领域应用十分广泛，随着计算机的发展，示波器已经实现了和计算机互联，共享数据，但现有示波器有诸多不足，体积庞大，价格昂贵，功能齐全的示波器在某些场合并不能得到充分的应用。本课题所研究的示波器定位于抵挡型，即在性能上满足大多场合的需要，努力实现小型化，价格低廉，携带方便，这样在财力有限的小用户能够普及，并和功能齐全高档示波器配合使用，取长补短。本设计对信号的采样，使用实时采样方式，这种方法的优点是，设计相对简单，能实时显示所测信号的波形。缺点是，由于受AD转换速率的限制不能测量频率很高的信号。另外，AD只能测量范围很小的电压信号，单输入信号可能更小，或者更大，所以要对信号进行程控放大和衰减，本设计采用AD603作为程控放大器，基本满足了要求。由于本设计使用的AD只能测量正极性的电压信号，而外界输入的信号有正有负，因此在输入AD前要把所有信号转换成正极性的，本设计采用加法电路，然后再做处理。频率测量，输入信号可能是各种波形，不便测量，所以本设计专门分一路信号，把信号通过比较器转换成矩形波，用定时器和中断来测量信号的频率，效果良好[2]。5第一章绪论1.1课题背景在电子测量技术的发展史上，示波器的出现给测量技术带来了翻天覆地的变化，可以说的上是一场革命，从布劳恩的第一台示波器问世以来，示波器的功能越来越丰富，性能也与日俱增。从70年代开始人们的注意力主要转向自动化、实用化和提高准确度。微型计算机和仪器通用接口的出现，给示波器的自动化发展推到了一个崭新的水平。微机的引入使示波器在设计、性能、功能、实用以及操作和故障诊断等方面都产生了巨大变化，随着工业发展对示波器的设计和测量的需要，示波器的功能已从时域分析扩展到了数据域分析。当前，高精度、功能多样、使用灵活、操作方便、性能可靠，已成为示波器生产厂家追求的主要目标[31.2课题研究的目的和意义随着电子工业的发展，电子技术已经渗透到过敏经济个领域中利用电子技术进行的测量即电子测量技术发展很快，已经成为一门学科，并在一定程度上反映了一个国家科学技术水平。在电子测量仪器中，示波器所占的地位越来越重要，对电量和许多非电量的测试来说是一种主要的、通用的测量工具。其实用之广泛和发展速度之快都远远超过其他测量仪器，已经广泛应用于国防、科研、学校以及工农商业等各个领域和部门。半个世纪以来，示波器由电子管发展到晶体管，有发展到集成电路；由模拟电路发展到数字电路；由通用示波器发展到取、记忆、数字存储、逻辑分析、故障判断、只能化等多个系列，几百个品种。以美国Tektronix公司为例，建立于1947年，目前已有9大系列，100多个品种，产品销遍全球，已被世界公认为示波器的权威。自1951年，我国在示波器生产方面也有很大进展，形成了一支研发和设计示波器的专业队伍，已能生产宽带、取样、高灵敏度、记忆、数字存储、逻辑分析等各门类的示波器，有些门类的主要技术指标已经接近国际先进水平。6数字示波器是随着数字电路的发展而发展起来的一种新型示波器。它是采用数字电路，把输入信号经过AD转换，把模拟波形变换成数字信息，并存储在存储器中，待需要读出时，在通过DA转换，能捕捉触发前的信号，可通过接口与计算机相连接等特点，与计算机连成系统。分析复杂的单次瞬变信号的有效仪器。刚一问世，就显示出它强大的生命力，各行各业都迫切需要，有其广阔的市场空间。传统模拟的示波器也有其优点，即具有迅速的响应特性、面板直接控制操作、可直接观测输入信号、价格低廉等。目前数字示波器已经完全能够做到，特别是在捕获非重复信号、避免信号虚化和闪烁、在时间上从触发事件方向寻迹实现在电路中隔离故障等方面，数字示波器显示出了模拟示波器无可比拟的优势。因此，数字示波器由于其性能优越，和良好的性价比，现在已成为示波器的主流产品。通过本设计，可以达到学以致用，把理论与实践相结合，学会处理设计过程中出现的一些问题，掌握设计的技巧，为以后工作打下基础，并完成一个能满足基本需要的示波器[13]。1.3课题的主要研究内容数字示波器利用AD把被测量的模拟信号转换成数字信号，并在液晶上显示波形，而且可以对获得的信息做进一步的处理，例如可以放大，缩小波形。和传统模拟示波器相比，屏幕更新速率是数字示波器另一个限制因素，它不像模拟示波器那样实时显示波形的变化，波形在采样转换显示的过程中被延迟了，被测信号总要经过一段时间才能在屏幕上显示出来。由于普通AD只能测量一种极性的电压信号，而且测量电压范围小，因此，在进行AD转换之前需要对外界信号做一些处理：首先把外界的电压信号转换成正电压，并把电压大的信号衰减，把电压小的信号放大，所以本设计采用了极性转化电路，和程控放大电路，这样就可以测量范围稍微大，正负电压信号了[17]。为了使测量的波形更便于观测，需要对波形进行放大和缩小，放大和缩小分别包括，幅度周期的放大和缩小。幅度放大时，可以把AD转换到的数据左移两位达到放大两倍的效果，右移两位缩小两倍；周期的放大可以对原来的波形采样更少的点，这样在相等的时间段里可以显示更多的波形，不过这样会丢弃很多数7据，容易失真，相反采样更多的波形就放大周期，这样更真实的反应波形。不过，数字示波器也有其局限性，其中之一是，多数数字示波器实用AD，受AD转换速率的影响实时采样不能达到很高的频率。因此，数字示波器不能用于测量频率较高的场合。另外一个解决办法是等效时间采样来达到最大带宽，由于采样密度可以超过重复触发脉冲，因此对连续波形是完全可以的，但是对瞬时脉冲的存储，实时采样速率扔受AD转换速率的限制。尽管如此，在低于10MHZ时，数字示波器有一系列的有点，例如，可以重建一个清晰的存储波形，还可以捕捉并显示预触发波形，这一特征可以用来查找那些导致未知或间断响应的过程。总之与通用的模拟示波器相比，数字示波器有以下特点：(1)具有存储触发前信息的功能，用数字存储示波器的预触发功能能观测触发前的信号，因而可捕获和显示故障发生前的信号，便于故障检测。(2)长久保存波形，在观察缓慢信号时无闪烁现象。因为数字存储示波器采用了RAM，可以慢速写入，快速读出，所以无闪烁。(3)数据输出可加至数据采集系统，用快速傅里叶变化进行处理。(4)精确度高。第二章系统的整体设计方案示波器的设计分为硬件设计和软件设计两部分。示波器的控制核心采用ARM9，由于ARM9芯片里有自带的AD，采样速率最高位500KSPS,分辨率为10位，供电电压为3.3V，基本上能满足本设计要求，显示部分用4.3寸的LCD。软件部分采用C语言进行设计，设计环境为ADS。采用仿真软件为Proteus[14]。2.1硬件总体结构思路信号从探头输入，进入程控放大衰减电路进行放大衰减，程控放大器对电压大的信号进行衰减，对电压小信号进行放大以符合AD的测量范围，经过处理后信号进入极性转换电路进行电平调整成0—3.3V电压，因为被测信号可能是交流8信号，而AD只能测量正极性电信号，经调整后送入AD转换电器对信号进行采样，采样所得数据送入LCD显示。从程控放大电路出来的一路信号送给AD转换器，一路送给整形电路对输入信号进行整形即比较器，把各种信号变成矩形波，利用计数器进行频率测量。这样实现了信号频率的测量和波形的显示。按键控制可以通过不同的按键来控制波形的放大和缩小，同时也可以控制程控放大器，选择放大和衰减的倍数。第三章硬件设计硬件总体结构探头程控放大器极性转换电路高速A/DSTM32键盘LCD3.1程控放大模块设计3.1.1程控放大电路的作用程控放大器的作用是对输入信号进行衰减或者放大调整，使输出信号电压符合AD转换器要求，达到最好的测量与观察效果，所以程控放大器电路在规定带宽范围内的增益一定要平坦，故对运算放大器的要求也比较高。本设计采用AD603，程控放大器的放大或衰减倍数是由DA控制的。通过键盘控制DA输出