龐成康，黎海明，舒向航，李 慧，李德明

（廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

示波器是一種用途廣泛、易于使用且功能強(qiáng)大的電子測(cè)量?jī)x器，用于觀測(cè)、分析和記錄各種電信號(hào)的變化。示波器通過(guò)把被測(cè)電壓隨時(shí)間的變化關(guān)系轉(zhuǎn)換為可視的波形圖像，提供直觀的研究各種電信號(hào)變化的波形。按照信號(hào)處理方式不同分類，示波器可分為模擬示波器和數(shù)字示波器兩大類，該課題研究的數(shù)字示波器是通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）把被測(cè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再以數(shù)字信號(hào)處理的方式將信號(hào)隨時(shí)間的變化波形繪制在顯示設(shè)備上。該數(shù)字示波器的測(cè)量帶寬為0 到20KHz，帶寬決定了示波器所能檢測(cè)到的信號(hào)頻率范圍，最高帶寬越高，能夠檢測(cè)的最高信號(hào)頻率越高。而實(shí)時(shí)采樣率與帶寬密切相關(guān)，其決定了示波器ADC在單位時(shí)間間隔內(nèi)可采集的樣本點(diǎn)數(shù)，直接影響信號(hào)波形的還原程度，實(shí)時(shí)采樣率越高，采樣速度越快，波形失真越小[2，9]。本課題研究基于STM32 單片機(jī)設(shè)計(jì)的便攜式簡(jiǎn)易數(shù)字示波器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存和顯示，實(shí)現(xiàn)示波器的所具有的基本功能，具有體積小、便于攜帶和性價(jià)比高等特點(diǎn)[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

該設(shè)計(jì)以STM32 單片機(jī)為核心，加上其他外圍模塊一起組成示波器的硬件系統(tǒng)。主控制器采用STM32單片機(jī)，其主要作用是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并控制其他模塊的運(yùn)行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

輸入部分由四部分組成，第一部分是對(duì)采樣的模擬信號(hào)進(jìn)行前級(jí)處理，擴(kuò)大測(cè)量范圍并避免輸入電壓過(guò)大造成芯片損壞；第二部分是AD 轉(zhuǎn)換部分，將采集的模擬信號(hào)通過(guò)ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再通過(guò)單片機(jī)處理數(shù)據(jù)；第三部分是人機(jī)交互部分，通過(guò)獨(dú)立按鍵對(duì)LCD 上的圖像進(jìn)行放大和縮小，便于觀察；第四部分是供電電路，給整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。輸出部分即顯示部分，包含液晶屏顯示模塊，主要用于顯示當(dāng)前波形。

2 硬件電路設(shè)計(jì)分析

以STM32F103RCT6 為主控芯片通過(guò)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)16 位8080 時(shí)序TFT 顯示屏；輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)前級(jí)調(diào)理電路后實(shí)現(xiàn)信號(hào)衰減和疊加直流電壓，把輸入信號(hào)調(diào)理為0～ 3.0 V 電壓范圍，通過(guò)單片機(jī)自帶的ADC 將輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后在TFT 液晶模塊顯示出波形，用獨(dú)立按鍵調(diào)整波形顯示模式，使其便于觀察。

2.1 STM32F103RCT6 最小系統(tǒng)

該系統(tǒng)以STM32F103RCT6 作為主控芯片，STM32F103 為通用增強(qiáng)型32 位微控制器，主時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz，工作速度快。另外其內(nèi)部資源豐富，有256 KB 的Flash、48 KB 的SRAM、8 個(gè)定時(shí)器、2 個(gè)DMA和3 個(gè)12 位的ADC，且所有的IO 口都可以配置為外部中斷源[4-7]。最小系統(tǒng)電路如圖2 所示。

圖2 STM32F103RCT6 最小系統(tǒng)電路

2.2 液晶顯示電路

該系統(tǒng)將液晶LCD_RST 復(fù)位與單片機(jī)復(fù)位引腳相連，上電時(shí)與單片機(jī)一起復(fù)位；LCD_BL 為背光控制引腳，內(nèi)部通過(guò)一個(gè)8050 三極管實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制，LCD_BL 引腳通過(guò)1K 電阻與基極相連接，基極拉高時(shí)三極管導(dǎo)通，背光燈點(diǎn)亮，反之截止，其原理圖如圖3 所示。T_MISO，T_MOSI，T_PEN，T_CS，T_CLK 為通過(guò)XPT2046 驅(qū)動(dòng)的電阻觸摸屏接口，方便以后擴(kuò)展。

圖3 TFT 原理圖

2.3 供電電路

該系統(tǒng)所需的供電電壓為5V、-5V、3.3V、1.5V。其中5V 通過(guò)USB Type-C 6Pin 接口供給，并以5V 電源為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換其他電源電壓，原理圖如圖4 所示。本設(shè)計(jì)用到了3.3V 和1.5V 給單片機(jī)供電，鑒于該系統(tǒng)工作特性，對(duì)電源精度要求比較高，且為非功率電路，電流相對(duì)較小，因此選擇LDO (Low Dropout Regulator)低壓差線性穩(wěn)壓芯片。-5V 電壓通過(guò)一個(gè)高效率電源極性反轉(zhuǎn)器ICL7660 電荷泵產(chǎn)生，原理圖如圖5 所示。

圖4 5V 供電電路

圖5 LDO 穩(wěn)壓電路

2.4 前級(jí)處理與運(yùn)放偏置電路

該設(shè)計(jì)使用單片機(jī)自帶的ADC 進(jìn)行采樣處理，因?yàn)槠漭斎腚妷悍秶鸀?-3.3V，因此在A/D 采樣前加上處理電路顯得很有必要。信號(hào)輸入后經(jīng)過(guò)阻容式分壓電路進(jìn)行降壓處理，如圖6 所示，C27，C28 為補(bǔ)償電容，防止分布電容對(duì)高頻信號(hào)造成衰減，R11，R14 為分壓電阻，將信號(hào)縮減為原來(lái)的1/4 倍。然后通過(guò)4 個(gè)1N4148 高速開(kāi)關(guān)二極管兩兩方向相同并聯(lián)反向接地，二極管導(dǎo)通壓降0.7V 左右，因此通過(guò)4 個(gè)二極管將電壓鉗位在±1.4V，防止輸入IO 口的電壓過(guò)大，保護(hù)單片機(jī)。經(jīng)過(guò)前級(jí)處理后的信號(hào)還包含負(fù)電壓，ADC 仍然不能采樣，因此設(shè)計(jì)了TL074 運(yùn)算放大器加法電路將負(fù)電壓抬升，原理圖如圖6 所示。

圖6 前級(jí)處理與運(yùn)放偏置電路圖

2.5 按鍵電路

按鍵電路是人機(jī)交互的核心，系統(tǒng)一共需要四個(gè)按鍵，按鍵一端連接單片機(jī)輸入端口，另外一端接地，當(dāng)按鍵被按下閉合時(shí)輸入口與地連通，通過(guò)判斷輸入口為低電平證明有按鍵按下，因此將按鍵連接的端口配置為上拉輸入模式，檢測(cè)端口為為低電平時(shí)系統(tǒng)做出相應(yīng)操作[5]。其電路如圖7 所示。

圖7 按鍵電路圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)完成后，接下來(lái)對(duì)STM32 進(jìn)行編程，控制其相應(yīng)外設(shè)，使系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)功能運(yùn)行。軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容主要分為AD 采樣、DMA 調(diào)用、液晶屏顯示、按鍵處理和程序算法幾個(gè)方面。ADC 采集信號(hào)和液晶屏顯示程序相對(duì)復(fù)雜，故采用模塊化編程的方式，方便查看和修改。因?yàn)閱纹瑱C(jī)外設(shè)眾多，為了降低功耗，需要使能相應(yīng)的時(shí)鐘才能工作，因此配置外設(shè)的基本步驟為初始化，使能時(shí)鐘，配置相應(yīng)外設(shè)。軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)主流程圖如圖8 所示。

圖8 軟件系統(tǒng)主流程圖

3.1 按鍵程序設(shè)計(jì)分析

根據(jù)按鍵電路圖特點(diǎn)，將單片機(jī)的GPIO 配置為上拉輸入口，在按鍵沒(méi)有按下時(shí)輸入口保持高電平，有按鍵按下時(shí)接地從而電平被拉低，程序可以識(shí)別電平值判斷按鍵按下[6]。在按鍵按下時(shí)由于機(jī)械振蕩出現(xiàn)電平不穩(wěn)定的抖動(dòng)現(xiàn)象，因此還需要軟件消抖處理，方法是判斷按鍵按下后延時(shí)20 毫秒，再次判斷按鍵電平狀態(tài)，如果還是低電平，則認(rèn)為按鍵按下穩(wěn)定，可執(zhí)行按鍵控制的相關(guān)語(yǔ)句。

3.2 液晶顯示程序設(shè)計(jì)分析

系統(tǒng)采用320*240 分辨率的彩色液晶屏，顯示屏采用8080 讀寫(xiě)時(shí)序，其時(shí)序圖如圖9 所示，在RD 或WR 的上升沿讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)到驅(qū)動(dòng)芯片上[6]。程序設(shè)計(jì)主要通過(guò)調(diào)用屏幕配套的庫(kù)函數(shù)開(kāi)發(fā)，包括調(diào)用畫(huà)線函數(shù)、畫(huà)點(diǎn)函數(shù)、字符串顯示函數(shù)和數(shù)字顯示函數(shù)。

圖9 8080 時(shí)序圖

顯示函數(shù)配置只需要在主函數(shù)調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)和配置好變量就能按照要求顯示數(shù)字和字符串，畫(huà)點(diǎn)函數(shù)的2 個(gè)變量為該點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)；畫(huà)線函數(shù)的4 個(gè)變量分別為起止點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，通過(guò)兩點(diǎn)即可確定一條直線；數(shù)字顯示函數(shù)的5 個(gè)變量分別為起點(diǎn)坐標(biāo)、顯示的數(shù)值、數(shù)字位數(shù)和大小；字符串顯示函數(shù)的6 個(gè)變量分別為起點(diǎn)坐標(biāo)、顯示區(qū)域的寬高、字體大小和顯示的字符串。上電時(shí)先顯示3 秒的啟動(dòng)界面。通過(guò)畫(huà)線函數(shù)繪制主界面的框架，其次通過(guò)字符串顯示函數(shù)將固定值顯示出來(lái)形成主界面的基本框架。ADC 采樣一次，會(huì)得到1024 個(gè)數(shù)據(jù)，將其存到數(shù)組中，通過(guò)處理將其表示為液晶屏的縱坐標(biāo)數(shù)值，橫坐標(biāo)數(shù)值為特定時(shí)間自加 1，將分別將前后的點(diǎn)連起來(lái)就即可顯示波形。

3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)分析

該設(shè)計(jì)采用單片機(jī)片內(nèi)自帶的ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個(gè)ADC 有18 個(gè)通道，內(nèi)部通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選擇通道，同一時(shí)刻一個(gè)ADC 只能選擇一個(gè)通道，其分配如圖10 所示，因?yàn)锳DC2 不能調(diào)用DMA，因此本設(shè)計(jì)選擇ADC1 的通道2 即對(duì)應(yīng)引腳PA2[8]。

圖10 STM32F103RCxxADC 分配圖

ADC 的配置需要將其配置為模擬輸入，先使能ADC 的時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率越大，采樣速度越快，但是對(duì)于STM32F1 單片機(jī)的ADC 的時(shí)鐘分頻不能超過(guò)14 MHz，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行6 分頻得到ADC 工作時(shí)鐘，即72/6=12 MHz。ADC 配置部分選擇直接操作寄存器的方式。模數(shù)轉(zhuǎn)換器為12 位逐次逼近型ADC，其內(nèi)部Vref+與VDDA 接3.3V 電壓，Vref-與VSSA 接GND，因此ADC 的轉(zhuǎn)換精度為：

根據(jù)A/D 采樣轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電壓值，計(jì)算公式如下：

公式（2）是信號(hào)直接輸入單片機(jī) ADC 轉(zhuǎn)換的計(jì)算公式，該設(shè)計(jì)需要將信號(hào)經(jīng)過(guò)前級(jí)分壓處理，因此需要結(jié)合硬件電路進(jìn)行計(jì)算，得出其公式為：

公式（3）中V 為調(diào)理電路的輸入電壓，Vin 為ADC 采集轉(zhuǎn)換得到的電壓。

數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)AD 轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)據(jù)量存儲(chǔ)在內(nèi)部，通過(guò)計(jì)算將其表示為液晶屏坐標(biāo)軸上的縱坐標(biāo)值，在其存入緩存的同時(shí)，定義一個(gè)最大值，將其命名為adcmax，若后續(xù)存入的值比它大，則將其賦值為adcmax。同理計(jì)算出最小值adcmin，計(jì)算最大值與最小值的差即為峰峰值Vpp。

波形的頻率主要由幅值最大的頻率成分求得，根據(jù)采樣率變化的變量計(jì)算，同一采樣率下幅值最大的頻率成分除以采樣點(diǎn)數(shù)再乘上相應(yīng)采樣率的比值即為頻率。

3.4 快速傅里葉變換程序設(shè)計(jì)分析

信號(hào)經(jīng)過(guò)傅里葉變換后變?yōu)轭l域，這里主要通過(guò)分析波形頻域的基波分量和諧波分量來(lái)判斷波形，主要識(shí)別正弦波，方波和三角波。由傅里葉變換可知，所有波形都由正弦波組合得到，因此正弦波只有基波分量；方波的三次諧波分量為基波分量的三分之一；三角波的三次諧波分量為基波分量的九分之一，采用FFT 函數(shù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)波形自身的規(guī)律，將各次頻率和對(duì)應(yīng)的幅值提取，從大到小求其幅值，求出來(lái)之后和兩側(cè)的值比較，從而判斷出波形類別。

4 系統(tǒng)測(cè)試

焊接好示波器電路板實(shí)物如圖11 所示，利用相關(guān)測(cè)試儀器確保器件焊接可靠，通電后用萬(wàn)用表測(cè)量確保電源供電正常，同時(shí)確認(rèn)單片機(jī)程序能正常下載，單片機(jī)能正常運(yùn)行。然后下一步就可以進(jìn)行編程設(shè)計(jì)和功能調(diào)試，并根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。

圖11 示波器電路板實(shí)物圖

基本功能測(cè)試：示波器的基本功能是測(cè)量顯示信號(hào)波形，測(cè)試時(shí)采用信號(hào)源產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)波形，并用“RIGOL DS1104Z”示波器的測(cè)量結(jié)果與本設(shè)計(jì)的測(cè)量結(jié)果比較，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)并計(jì)算誤差，主要測(cè)試了正弦波、方波和三角波，信號(hào)頻率為10 Hz、1 KHz 和20 KHz，幅度分別為500 mV、2000 mV、4000 mV、6000 mV 和7000 mV。測(cè)試圖片如圖12 所示。

圖12 波形采集測(cè)試圖

從上圖的照片可知，該示波器能較好的還原出各種波形，測(cè)量頻率的誤差較小，但是隨著測(cè)量的幅度值的增大，測(cè)量的峰峰值的誤差逐漸增大，如下表1、2、3 所示分別為該簡(jiǎn)易示波器與DS1104Z 示波器測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比和誤差分析。

表1 正弦波測(cè)試數(shù)據(jù)表

表2 方波測(cè)試數(shù)據(jù)表

表3 三角波測(cè)試數(shù)據(jù)表

由上表的數(shù)據(jù)可知該簡(jiǎn)易示波器系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確的測(cè)量各種波形的頻率和幅值，由于線材的差異和信號(hào)發(fā)生器的輸出誤差，這里采用了成品示波器的測(cè)量結(jié)果為基準(zhǔn)，用本設(shè)計(jì)與其對(duì)比求誤差。但由于帶寬的限制，隨著頻率的升高，所測(cè)量的電壓幅度誤差逐漸增大。

5 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)最初的設(shè)計(jì)指標(biāo)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易數(shù)字示波器功能，能夠采集周期信號(hào)和非周期信號(hào)并實(shí)時(shí)顯示，并且做到便攜和低成本。最終完成設(shè)計(jì)測(cè)試證明該示波器可以測(cè)量±6V 范圍內(nèi)的輸入信號(hào)，具有100 KHz 的測(cè)量帶寬，可以用移動(dòng)電源供電做到便攜式使用，已基本滿足了設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)對(duì)數(shù)字示波器進(jìn)行初步設(shè)計(jì)研究，尚有一些設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步改善：一是可以采用鋰電池供電，設(shè)計(jì)充放電管理和升壓電路得到5V 電壓，擺脫外接電源的限制；二是信號(hào)調(diào)理電路中加上程控放大電路，使毫伏級(jí)的小信號(hào)也能較好采集顯示。