简易混合信号示波器

简易混合信号示波器摘要：本设计以STM32F103ZE为核心处理器件，综合ADC、DMA、DAC、TIM 等，完成对信号的整形与触发、调理与放大、采样与保持、A/D、D/A转换、存储及数据处理，最终通过TFT液晶屏幕实现对模拟信号以及数字信号波形的显示。

对整个系统采用模块化的设计思想，本文详细介绍了电源模块、DDS信号发生模块、信号处理模块、按键模块、STM32F103ZE控制运算模块、液晶显示模块电路以及系统扩展所需的其它一些外围电路的设计，软件方面则以硬件电路为基础，并考虑到可能存在的各种干扰因素，采用软硬件相结合的方法，提高系统的稳定性和精确度。

关键词：示波器，STM32F103ZE，DDS信号发生目录摘要 (1)目录 (2)引言 (3)1 方案设计 (3)1.1 控制系统方案的比较 (3)1.2 理论分析与计算 (3)1.3 系统结构框图 (4)1.4 电源模块 (4)1.5 信号产生模块 (5)1.6 信号处理模块 (7)1.7 按键模块 (7)1.8 显示模块 (8)2 软件设计 (9)2.1 开发环境 (9)2.2 软件流程图 (9)3 设计实现 (9)3.1 出现的问题以及解决方法 (9)4 测试 (10)4.1 测试仪器 (10)4.2 测试过程 (10)4.3 测试结果 (10)5 结论 (10)6 参考资料 (11)1 引言如今示波器就好比电子开发者的眼睛，每个电子开发者都希望能拥有一台示波器，可以帮助他们看是波形的实际情况，了解电路性能。

题目要求设计并制作一台简易混合信号示波器（MSO），本次设计采用由电源模块、DDS信号发生模块、信号处理模块、按键模块、STM32F103ZE控制运算模块以及液晶显示模块组成的一个完整系统，结合软件完成一系列的功能，相比如今市场上的示波器，具有携带方便、操作简单、制作成本低、处理速度更快的特点。

2 方案设计2.1 控制系统方案的比较方案一：采用单片机作为核心控制器件。

即由单片机、A/D转换器、D/A转换器及RAM存储器等组成系统。

若采用该方案，则单片机不仅要对数据进行处理，而且还要完成复杂的时序控制，但单片机对数据的处理速度较低，并且试题要求的被测信号频率最高达到500KHz(发挥部分5MHz)，因此该方案难以达到设计要求，不予选取。

方案二：采用DSP为核心处理器件。

即由DSP来控制各个部分协调工作，完成对数据的采集到最终波形的显示，但考虑到DSP造价高于ARM，并且对小信号的采集，如果用DSP芯片会有很多的限制，给设计增加难度，因此不予选取。

方案三：采用STM32F103ZE作为核心控制器件，即用其来控制数据采集、A/D 转换、数据存储、D/A转换及显示等各个部分。

STM32F103ZE功能强大，采用这种方案的系统结构紧凑，可以实现复杂的时序控制，操作方便，而且数据处理速度很快，可以满足试题的所有要求。

此外，还可充分利用STM32F103ZE片内资源来进行LPM参数化宏模块的定制，如RAM、ROM、PLL等，实现更多的功能。

故本次选用方案三。

2.2 理论分析与计算（1）等效采样分析由于周期信号在各周期内的波形完全相同，可以在各周期内的不同时刻分别采集数据，然后将采集的数据合成完整的采样波形。

设第一次的采样时刻为周期原点，第二个周期到来后延时Δt后再进行第二次采样，第三次采样则是在第三个周期到来后再延时2Δt的时刻，以此类推。

将采集到的数据以间隔Δt顺序排列（如图1所示），即可恢复信号波形。

等效采样速率fs=1/Δt，而实际的采样频率fs´=1/(T+Δt)，由于Δt<<T，故fs>>fs´。

因此，等效采样技术可以用较低速的A/D实现对高频周期信号的采样。

Δt2ΔtT图1 等效采样说明图为了进一步减小实际的采样频率，可每隔nT+Δt的时间间隔对输入信号采样一次。

在此，我们取n=20，则当输入信号频率达到5MHz时，实际采样频率约为5MHz/20=250kHz。

（2）垂直灵敏度垂直灵敏度有四档指标要求：0.05V/div、0.5V/div、1V/div和2V/div，为此必须在前端设计一个有四种增益的放大电路。

A/D转换器TLC5510的基准电压为2V，D/A转换器TLC7528的基准电压为2.5V，此外，该DAC的输出还具有两倍的增益，因此，其满幅输出为5V。

示波器显示屏垂直方向有8格，对应为5V，即0.625/div，而信号经过D/A和A/D后又被放大了2.5倍，由此计算四档垂直灵敏度对应的放大倍数如表1.1所示。

本系统显示屏的水平刻度为10格，水平显示分辨率n为20点/div，则水平共显示20点/div×10div = 200个点。

假设扫描速度为s，采样频率为f，则f= n/s，由此得到设计要求的四档扫描速度所对应的采样频率如表1.2所示。

行采样，当扫描速度在1us/div档时采用等效采样方式2.3 系统结构框图简易混合信号示波器结构框图如图2所示，以模块化的设计思想完成对整个系统的控制，后面将逐一介绍各个模块的处理框图以及工作原理。

图2 系统结构框图2.4 电源模快图3 电源模块组成框图方案一：如图3所示，变压器将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，由整流电路，利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电，再经过滤波电路将其中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压，最终由稳压电路输出直流稳定的电压，但考虑到需要连接220V的交流电，以及电路复杂等原因排除此方案。

图4 电源组成模块方案二：如图4所示，直接由电源适配器提供5V直流电压作为电源，经过稳压电路，得到稳定的电压，不仅简化了电路，而且携带更加方便，因此选用该方案。

2.5 信号产生模块图5 信号产生原理图方案一：如图5所示，U401是由Ha741所构成的文氏振荡器，运放的负端到地可调电位器VR401，因此运算放大器的增益可调，满足A=1+RF /R1≥3，VT401接成电压跟随器，其输出接VR402电位器，因此输出的正弦波幅度可调。

图6 信号产生原理图方案二：AD9850内含可编程DDS 系统和高速比较器，可实现全数字编程控制的频率合成（如图6所示）。

可编程DDS系统的核心是相位累加器，由一个加法器和一个N位相位寄存器组成。

每来一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长M递加。

相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。

正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中0°～360°范围的一个相位点。

查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动DAC 输出模拟量。

相位寄存器每过2N/ M 个外部参考时钟后返回到初始状态一次，相应地正弦查询表每经过一个循环也回到初始位置，从而使整个DDS 系统输出一个正弦波。

输出的正弦波频率fout = M*fc/ 2的N次方（fc 为外部参考时钟频率）。

虽然方案一可以产生正弦波，但由于振荡频率取决于R和C，其电路产生的频率不会太高，不能达到试题要求的500KHZ（发挥部分5MHZ ）,但方案二可以完好的实现试题的全部要求，因此选则方案二。

2.6 信号处理模块图7 信号处理框图如图7所示模拟信号经过信号放大器后，通过增益的选择，电压跟随器以及触发电平的控制最终进入STM32F103ZE进行信号的处理，在示波器的模拟前端由控放大电路，offset电路，电平触发电路，检频电路组成。

检频电路原理：通过电容耦合将信号直流分量去除（AC耦合），之后进入零点限幅电路将零点附近噪音信号去除（为了使后级过零比较器稳定检出频率），最后进入过零比较器检测出信号周期信号，这个信号被送入STM32的定时器捕获端口进行计数，在单位时间内的计数值便是频率。

图8 信号处理原理图2.7 按键模块图9 按键原理图图10 按键原理图方案一：如图9所示，若采用该电路，那么只能选择用软件去除抖动的方式。

方案二：如图10所示，在图9电路的基础上并联一个0.1uf的电容，运用电容放电延时的特性消除抖动，同时还可以结合软件更好的去抖，并且本次设计的精密度很高，因此采用如图10所示的电路，即选取方案二。

2.8 显示模块方案1：系统的显示采用两片SRAM分时复用的方式。

当显示SRAM1中所存数据时，下一次将要显示的数据可以事先存入SRAM2中，当前显示完成后，SRAM2中的数据就可以送去继续显示，而SRAM1将为下一次显示数据做准备。

实际控制中，DSP处理器发出一选择信号，选择控制显示哪一片SRAM的数据，根据这个选择信号来控制两片SRAM的读写使能以及地址线。

例如显示SRAM1中数据，SRAM2负责存入数据时，SRAM1设置成读使能有效，写使能无效，地址线指向显示数据区的首地址；SRAM2设置为读使能无效，写使能有效，地址线指着将要写入SRAM2那块数据区的首地图11 液晶显示模块框图方案2：如图11所示TFT液晶采用TSC2046芯片主控， TFT驱动程序会自动检测LCD驱芯片的型号。

屏分辨率为240x400，屏支持24位颜色，18位颜色。

由于STM32的FSMC总线是16位，因此实际驱动LCD只用到了16位色。

综合考虑产品的成本、万用板的尺寸以及总体设计方案，最终选择了方案2这一设计思路，不仅降低了控制的复杂度，同时也减小了硬件布板难度，节约了STM32的I/O口资源，减少了芯片成本等，具有良好的社会效益和经济。

3 软件设计3.1 开发环境目前STM32开发最广泛、最常用的开发环境是MDK和IAR两种，大都以IAR 和MDK为基准设计编写。

本次设计采用KEIL uVision V4.13编写程序。

3.2 软件流程图图11 软件流程图用简单明了的软件流程图，指导编写程序，根据流程图逐步完成对整个硬件系统的控制，不仅使编写思路清晰，而且在设计实现的检测过程中更容易找出错误与不良，因为可以将程序根据流程图划分为局部与整体的关系，可以先检查局部程序，继而完成对整体的检测，而不用从头到尾，一行行的检查程序。

4 设计实现4.1 出现的问题以及解决方法（1）信号干扰问题：在组合好整个设计后，发现即使不输入信号，在液晶上也会显示一定的波形。

解决方案：通过实验后，首先确定了不是软件的问题，其次硬件的连接与导通都很正常，在讨论分析后发现，由于模拟线路与数字线路排列紧密，导致信号间互相干扰，最终通过扩张电路间的空隙，重新设计线路的走势，得以完好解决。

（2）被测信号幅值不够问题：由DDS信号发生模块产生的正弦波幅值（峰峰值）未能达到试题要求的10V（发挥部分20V）。

解决方案：通过查阅资以及料精确计算后，以搭建三极管电压放大电路的方式，提高输出信号的幅值，结果表明该方法明显提高了输出信号的幅值。