波形采集、存储与回放系统

波形采集、存储与回放系统
摘要
本设计以STM32F103ZET6作为控制芯片，把波形采集分为A、B两个通道，对A通道的输入信号进行衰减，对B通道的输入信号进行放大，然后采用内部集成的高速AD对信号进行实时采样，方式为上升沿内触发，可以实现波形的单次和多次触发存储和回放显示，以及频率、周期、峰-峰值的测量和显示，并具有掉电存储功能。

整个系统操作简便，界面友好，达到了较好的性能指标。

关键字：STM32、波形采集、波形存储、波形回放
一、系统方案
1.1题目要求及相关指标分析
题目的要求是将待测信号进行数字存储，并通过普通示波器将被测信号显示出来。

由于被测信号为模拟信号，存储过程为数字方式，故应该将模拟信号进行量化处理，然后存储到存储器中，当需要显示的时候，从存储器输出数据并恢复为模拟信号，然后送往普通示波器进行显示。

本设计的重点是模拟信号的处理与采样、数字信号的存储、系统的控制三个方面。

1.2系统设计与框图：
系统整体设计框图如图1-1所示。

模拟信号通过信号调理模块（阻抗变换、固定衰减/放大、触发电路）将模拟信号的幅值大小调理到高速AD 的输入范围0——3.3V 。

同时，两路信号经比较器得到方波，送处理器STM32进行测频。

处理器测得输入信号频率后控制内部AD 以输入信号频率的80倍速率采样。

在STM32内部增加波形存储控制模块，当满足触发条件时ARM 对AD 转换得到的数据进行存储。

二、理论分析与计算
2.1 A/D 采样频率选择
采用内部集成A/D ，采样频率由输入信号的频率决定，在输入信号的一个周期内采集80个点，那么，通过式（2.1），可以求出采样频率f c ，其中f i 为信号频率。

A/D 采样由信号的上升沿触发，采样时间为一个信号周期，采样时间间隔为信号周期除以采样点（式 2.2）。

若采样频率过高，则处理器的处理速度不够，若采样频率过低，则波形失真严重。

通过多次试验，发现一个周期采集80个点可以符合要求。

输入信号经比较器比较后转换为方波，由STM32内部定时器的外
图1-1系统整体设计图
图1
A 通道信号调理
B 通道信号调理
存储、显示与控制 STM32F103ZET6 比较器
比较器 A 通道信号调理输出 B 通道信号调理输出 内部集成
A\D 内部集成D\A 键盘 显示
部输入捕获模式进行测量，测量两个上升沿之间的时间即为输入信号的周期，并且上升沿触发A/D采样。

f c=f i∗80（2.1）
T t=∆t/80（2.2）
2.2 A/D位数选择
题目要求原信号与回放信号峰峰值之差的绝对值小于等于10mV，那么AD的最小分辨率至少为10mV，AD的参考电压为3.3V，那么AD位数至少为：
n=log2(3300
)≈8.37（2.3）
10
本设计中采用12位AD及DA转换器，幅度最小分辨率为3.3V/4096=0.8mV，完全满足题目指标要求。

2.3 模拟信号调理参数的选择
对于A通道，输入高电平约4V，低电平接近0V，而AD的参考电压为3.3V，故需要对A通道输入信号进行衰减，再给AD转换。

最小衰减倍数为4/3.3=1.21倍。

经过处理器DA处理后，需要对信号进行相应倍数的放大。

本设计中，AD及DA的参考电压均为3.3V，故对A通道输入信号1.5倍衰减，对A通道DA输出信号1.5倍放大的处理方法。

对于B通道，输入为双极性信号，电压峰峰值为100mV，故需要对输入信号进行放大，以提高采样精度，同时，还需要给输入信号一个偏置，使输入信号在0-3.3V之间，满足AD允许输入信号的范围。

本设计中，采取对B通道输入信号放大30倍，对B通道DA输出信号衰减30倍的处理方法。

三、电路与程序设计
3.1电路设计：
A、B通道输入电路
A、B通道输入电路在整机中处于非常重要的地位，其性能决定了整机的主要技术指标，前置放大模块应满足高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声，低漂移的要求。

图3-1为A通道的信号采集部分。

为了增大输入阻抗，所以采用轨至轨射极跟随器，通过两个等值电阻衰减一半电压，根据式（3.1）计算得出电压符合设计要求。

然后把收集到的单极性信号送给内部集成AD采样。

U O=(R
R+R )U i=1
2
U i（3.1）
图3-2为B通道信号采集部分。

为了防止OP27产生自激振荡，采用双级放大电路。

前级采用同相放大以增大输入阻抗，放大倍数为15倍，由式（3.2）求得，后级再进行两倍放大，由式（3.3）求得，并且偏置1.6V，将100mV的双极性小信号放大到3V，达到AD采样要求。

双极放大电路后接轨至轨射极跟随电路，防止电压过高，烧毁主控芯片。

A u1=U o
U i =R6
R4
+1=154
11
+1=15（3.2）
A u2=U o
U i =R13
R14
+1=10
10
+1=2（3.3）
A、B通道输出电路：
图3-3为A 、B 通道信号输出电路，A 通道采用轨至轨放大器，B 通道采用电阻网络分压，中间接一个1uF 电容隔直，将输出的3V 电压衰减到100mV 。

图3-4为用LM393AD 的比较器电路，用于测量频率，用电位器分压提供基准电压。

3.2程序设计
四、测试方案与测试结果
4.1测试仪器及型号
示波器：LTD2102CEL示波器
万用表：VICTOR VC890D万用表
信号发生器：SG1080A数字合成信号发生器
4.2测试方案
4.2.1基本要求测试
a) 功能测试
测试条件：输入电压峰-峰值4V，最大电压4V的方波
4.2.2发挥部分测试
a) 功能测试
三角波、方波，用示波器观察A通道输出，系统可以正确检测波形并输出。

b) B通道指标测试
c) 可以存储两次采集的信号，回放时用按键或开关选择显示指定的信号波形。

4.2.3测试结果分析
经测试，本设计能完成对A通道单极性信号、频率约1KHz信号的采集、存储与连续回放。

可以完成B通道双极性信号采集和回放。

采集、回放时能测量并显示信号的高电平、低电平和信号的周期。

原信号与回放信号电平之差的绝对值小于50mV,周期之差的绝对值小于50mV。

由于本系统采用的是STM32控制器，并且使用了内部集成的高速AD、DA，加上显示及模拟信号调理电路，因此系统功耗略高。

可同时采集、存储与连续回放A、B两路信号，并分别测量和现实A、B两路信号的周期。