混合信号示波器

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 (6)

1.7 按键模块 (7)

1.8 显示模块 (8)

2 软件设计 (8)

2.1 开发环境 (8)

2.2 软件流程图 (8)

3 设计实现 (9)

3.1 出现的问题以及解决方法 (9)

4 测试 (9)

4.1 测试仪器 (9)

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<>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。

Δt

2Δt

T

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