混合信号示波器.docx

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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7

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9

4.3测试结果10

5结论10

6参考资料10

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。

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。

表1.1垂直灵敏度与放大倍数的关系

垂直灵敏度

0.05V/div

0.5V/div

1V/div

2V/div

20V/div

放大倍数

5

0.5

0.25

0.125

0.0125

（3）扫描速度

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。

表1.2扫描速度与采样频率的关系

扫描速度

1ms/div

0.1ms/div

10us/div

1us/div

采样频率

20KHz

200MHz

2MHz

20MHz

当扫描速度在1ms/div、0.1ms/div和10us/div档时采用实时采样方式进行采样，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KEILuVisionV4.13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。

5测试

5.1测试仪器

20MHGOS-620模拟示波器

UT51数字万用表

YB2003DDS函数信号发生器

PC机

5.2测试过程

（1）将制作完成的被测信号连接到示波器的输入端口，调节被测信号，检测频率是否为100Hz≤f≤500KHz，峰峰值0.1V≤Vp-p≤10V的正弦波。

（2）将函数信号发生器连接到制作好的MSO信号接收端口，测试能否完成对信号的采集、存储、显示以及失真情况。

（3）垂直灵敏度检测：

分别在四档灵敏度时，对比被测信号在本设计液晶中与标准示波器上波形（对比多次，减小误差）。

（4）水平速度测试：

分别在四档时，检测水平分辨率是否为20V/div，以及扫描速度是否达到预设标准。

（5）检测信号发生器是否能循环输出4路数字信号，波特率为10Mb/s，

码长为16位，且码型有加计数、减计数两种固定码型。

（6）检查是否能在同一液晶屏上显示输出信号的码型示意波形。

（7）检测是否增加垂直灵敏度档位，能使被测信号幅度达到0.05V≤Vp-p≤20V；检测是否增加扫描速度挡位，能使被测信号频率达到10Hz≤f≤5MHz；检测信号发生器的码率可变（10Mb/s，20Mb/s，30Mb/s），能否通过键盘能任意设置码型，并输出相应波特率和码型的4路数字信号。

5.3测试结果

表2.1测试结果示意表格

测试项目

测试结果

备注

被测信号

0HZ＜f≤500KHZ,0.1V≤VP-P≤10V

正弦波/方波

基本功能

可采集、显示、无明显失真

显示画面可暂停

垂直灵敏度

0.05V/div、0.5V/div、1V/div、2V/div

电压误差≤5%

扫描速度

1ms/div、0.1ms/div、10us/div、1us/div

分辨率≥20点/div

4路数字信号

16位、100Mb/s、加减计数码型

循环输出

码型示意

显示波形

/

增加档位

0V≤Vpp≤10V

/

增加扫描速度

0HZ＜f≤5MHZ

/

码率可变

可设任意码型，显示相应波特率

4路数字信号差弱

6结论

经过反复严格的测试与调整后，本次设计能很好的完成：

（1）被测信号达到要求100Hz≤f≤500KHz，0.1V≤Vp-p≤10V；

（2）能对被测信号采集，处理，显示，并无明显波形失真；（3）垂直灵敏度分为0.05V/div、0.5V/div、1V/div和2V/div共四档（手动调整）；（4）触发方式为自动；电压误差≤5%；5）可增加垂直灵敏度档位，被测信号幅度达到0.05V≤Vp-p≤20V；（6）增加扫描速度挡位，被测信号频率可达到10Hz≤f≤5MHz；（7）数字信号发生器循环输出4路数字信号，其波特率为10Mb/s，码长为16位，码型有加计数、减计数两种固定码型；（8）在示波器同一液晶屏上显示输出信号的码型示意波形；（9）信号发生器的码率可变（10Mb/s，20Mb/s，30Mb/s），通过键盘能任意设置码型，并输出相应波特率和码型的4路数字信号。

虽然该设计只用了STM32F103ZE的小部分资源，也只是基本完成试题的要求，但STM32F103ZE功能强大，相信随着学习的深入，经验的丰富，该设计必然可达到完美的地步。

7参考资料

1、CPU的型号、引脚、封装等详细资料，参考《STM32F103ZE数据手册.pdf》（ST官方发布的数据手册）

2、CPU内部资源的详细介绍，参考《STM32_RM_CH_V10_1.pdf》（ST官方发布的参考手册）

3、CPU库函数的详细使用方法，参考《stm32f10x_stdperiph_lib_um.chm》

4、u/COS-II相关函数的详细使用方法，参考《uCOS-II用户手册.chm》