基于單片機(jī)的數(shù)字示波器研究與設(shè)計(jì)

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(shè)備、按鍵作為輸入設(shè)備，可以對(duì)復(fù)雜信號(hào)的頻率、周期、峰峰值等參數(shù)進(jìn)行較高精度的測(cè)量。被測(cè)信號(hào)在通過調(diào)理電路、放大器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器后以二進(jìn)制數(shù)的形式輸入到控制芯片中，經(jīng)過分析、計(jì)算后控制LCD的顯示，其中按鍵作為輸入設(shè)備可以控制波形的顯示。本數(shù)字示波器示波器具有便于攜帶，操作方便，性價(jià)比較高的特點(diǎn)，能自動(dòng)測(cè)量波形的頻率、周期、峰峰值等參數(shù)，且精度、穩(wěn)定性較高，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng);軟/硬件設(shè)計(jì);性價(jià)比;穩(wěn)定性

一、設(shè)計(jì)說明

本示波器采用STM32型號(hào)的處理器[1]，以按鍵作為輸入設(shè)備，LCD顯示屏作為輸出設(shè)備，設(shè)計(jì)了一款高性價(jià)比、高穩(wěn)定性、操作簡(jiǎn)便的便攜式數(shù)字示波器。該示波器在對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換后送至處理器進(jìn)行分析、運(yùn)算，再控制LCD顯示屏顯示測(cè)量結(jié)果。利用唐都儀器的自動(dòng)控制試驗(yàn)箱產(chǎn)生的模擬信號(hào)和測(cè)試軟件對(duì)示波器和進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明本設(shè)計(jì)能夠很好地對(duì)信號(hào)進(jìn)行較高精度的測(cè)量。

（一）設(shè)計(jì)目的和意義

示波器作為一種應(yīng)用普遍的信號(hào)測(cè)量儀器，能將不可見的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成可視化圖像，并能夠?qū)π盘?hào)特征進(jìn)行測(cè)量。本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32處理器的高性價(jià)比、高穩(wěn)定性、操作簡(jiǎn)便的便攜式數(shù)字濾波器，其便攜性拓寬了應(yīng)用場(chǎng)合，操作簡(jiǎn)便可以用于教學(xué)展示。

（二）方案論證及可行性分析

本設(shè)計(jì)方案如圖1所示，輸入信號(hào)在經(jīng)過調(diào)理電路、放大電路、采樣/保持器后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變成單片機(jī)可識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)，在經(jīng)過STM32芯片的分析、運(yùn)算后，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換在驅(qū)動(dòng)電路幫助下控制LCD的顯示。其中按鍵和PC作為外設(shè)可以對(duì)LCD的顯示進(jìn)行控制。

1技術(shù)性分析

本方案采用了電容式耦合隔離電路，能夠有效地對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行隔離。電壓跟隨器有著隔離輸入輸出兩端噪聲信號(hào)的作用，而且能大大減小負(fù)載的變化對(duì)輸出信號(hào)的影響。信號(hào)調(diào)理電路能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行濾波，放大，成為適合ADC的輸入信號(hào)。去耦合電路能對(duì)高頻信號(hào)無阻礙作用對(duì)直流電壓進(jìn)行耦合，使得直流電壓更穩(wěn)定。

2方案的性價(jià)比

本設(shè)計(jì)方案以按鍵作為輸入設(shè)備，LCD作為輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的測(cè)量和分析，操作簡(jiǎn)便，穩(wěn)定性高，和同類產(chǎn)品相比功能較為齊全，便攜性高，而使用的元器件較為廉價(jià)，總體造價(jià)約為50元，性價(jià)比較高

3市場(chǎng)需求

目前市場(chǎng)上的數(shù)字示波器造價(jià)較為昂貴，且體積較大，不不便于攜帶。本數(shù)字示波器僅有手掌大小，便于攜帶，且穩(wěn)定性較好，適用范圍較廣，能對(duì)不同類型的信號(hào)進(jìn)行較高精度的測(cè)量，因此在同類產(chǎn)品中有很好的市場(chǎng)前景。

（三）總體設(shè)計(jì)

本數(shù)字示波器采用9V電源供電，以STM32F103Cx為單片機(jī)核心處理器，將信號(hào)數(shù)字化后再建立波形，具有記憶、存儲(chǔ)被觀測(cè)信號(hào)的功能，還可以用來觀測(cè)和比較單次過程和非周期現(xiàn)象以及低頻和慢速信號(hào)。本設(shè)計(jì)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(jí)開發(fā)?？傮w來說本數(shù)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(dòng)測(cè)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(shè)計(jì)

本數(shù)字示波器采用STM32處理器，建立了UCOS操作系統(tǒng)便于任務(wù)的調(diào)度，提高了執(zhí)行效率。利用按鍵實(shí)現(xiàn)命令輸入，LCD顯示屏實(shí)現(xiàn)結(jié)果輸出。而硬件電路主要包括信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、按鍵控制電路等。

1硬件設(shè)計(jì)

被測(cè)信號(hào)經(jīng)過耦合后，利用信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波、放大，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換成能被控制器識(shí)別的二進(jìn)制信號(hào)，在經(jīng)過分析、運(yùn)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(shè)備，控制LCD的波形顯示。耦合方式選擇電路，利用電容對(duì)直流信號(hào)的隔離作用，組成的耦合方式選擇電路，SW1為單刀三擲開關(guān)，撥到“1”位置時(shí)交流直流均可以通過，“3”只能通過交流，“4”直接接地。由運(yùn)算放大器的原理可知“0”信號(hào)處等于“1”等于“2”信號(hào)處，即輸入信號(hào)等于輸出信號(hào)。

圖2為信號(hào)進(jìn)入ADC前的信號(hào)調(diào)理電路，由同相放大器和電壓比較器組成，當(dāng)輸入信號(hào)的幅度較小時(shí)，此電路可對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大;當(dāng)信號(hào)幅度過大時(shí)，可以使之衰減。利用信號(hào)調(diào)理電路可以使信號(hào)成為適合ADC輸入的信號(hào)。

2軟件設(shè)計(jì)

利用μcos操作系統(tǒng)，建立包括按鍵掃描、LCD顯示、串口通信等任務(wù)，并利用消息隊(duì)列傳遞參數(shù)，實(shí)現(xiàn)波形的顯示、存儲(chǔ)和控制。其中按鍵和PC機(jī)可以控制LCD顯示的內(nèi)容包括橫縱坐標(biāo)的單位值和以及直流、交流輸入模式。

二、設(shè)計(jì)總結(jié)

本示波器便攜性較好、操作簡(jiǎn)便，性價(jià)比較同類產(chǎn)品較高，能夠很好地對(duì)各種復(fù)雜信號(hào)進(jìn)行測(cè)量、分析。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]張華忠.基于STM32的便攜式數(shù)字示波器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版），2017（19）：45-47.