基于STM32的簡易數(shù)字示波器.doc

山東科技大學課程設計報告設計題目：基于STM32的簡易數(shù)字示波器專 業(yè)： 班級學號： 學生姓名： 指導教師： 設計時間： 小組成員： 基于STM32的數(shù)字示波器設計 -硬件方面設計摘要本設計是基于ARM(Advance RISC Machine)以ARM92為控制核心數(shù)字示波器的設計。包括前級電路處理，AD轉(zhuǎn)換，波形處理，LCD顯示燈模塊。前級電路處理包括程控放大衰減器，極性轉(zhuǎn)換電路，過零比較器組成，AD的轉(zhuǎn)換速率最高為500KSPS，采用實時采樣方式，設計中采用模塊設計方法。充分使用了Proteus Multisim仿真工具，大大提高了設計效率，可測量輸入頻率范圍為1HZ50KHZ的波形，測量幅度范圍為-3.3V+3.3V,并實現(xiàn)波形的放大和縮小，實時顯示輸入信號波形，同時測量波形輸入信號的頻率?？傮w來看，本文所設計的示波器，體積小，價格低廉，低功耗，方便攜帶，適用范圍廣泛，基本上滿足了某些場合的需要，同時克服了傳統(tǒng)示波器體積龐大的缺點，減小成本。 關鍵詞：AD ，ARM，實時采樣，數(shù)字示波器目錄前言-3第一章 緒論-41.1 課題背景-41.2 課題研究目的及意義-41.3 課題主要的研究內(nèi)容-5第二章 系統(tǒng)的整體設計方案-62.1硬件總體結(jié)構(gòu)思路-6第三章 硬件結(jié)構(gòu)設計-73.1程控放大模塊設計-73.1.1程控放大電路的作用-73.1.2程控放大電路所用芯片-73.1.3AD603放大電路及原理-83.2極性轉(zhuǎn)換電路設計-103.3 AD轉(zhuǎn)換電路及LED顯示電路等(由組內(nèi)其他同學完成)第四章 軟件設計(由組內(nèi)其他同學完成)第五章 性能能測試與分析-15第六章 設計結(jié)論及感悟-17參考文獻-18前言由于傳統(tǒng)示波器雖然功能齊全但是體積旁大，不方便使用，本設計針對這種缺點設計一種體積小、成本低、功耗小、便攜數(shù)字示波器，同時達到學以致用，理論和實踐相結(jié)合，進一步學習課外知識，培養(yǎng)綜合應用知識，鍛煉動手和實際工作的能力。示波器實現(xiàn)輸入頻率范圍為10HZ60KHZ，幅度范圍為-3.3V+3.3V，并實現(xiàn)波形實時顯示以及放大和縮小。同時顯示波形頻率和幅度。示波器在電子、電氣、控制等領域應用十分廣泛，隨著計算機的發(fā)展，示波器已經(jīng)實現(xiàn)了和計算機互聯(lián)，共享數(shù)據(jù)，但現(xiàn)有示波器有諸多不足，體積龐大，價格昂貴，功能齊全的示波器在某些場合并不能得到充分的應用。本課題所研究的示波器定位于抵擋型，即在性能 上滿足大多場合的需要，努力實現(xiàn)小型化，價格低廉，攜帶方便，這樣在財力有限的小用戶能夠普及，并和功能齊全高檔示波器配合使用，取長補短。本設計對信號的采樣，使用實時采樣方式，這種方法的優(yōu)點是，設計相對簡單，能實時顯示所測信號的波形。缺點是，由于受AD轉(zhuǎn)換速率的限制不能測量頻率很高的信號。另外，AD只能測量范圍很小的電壓信號，單輸入信號可能更小，或者更大，所以要對信號進行程控放大和衰減，本設計采用AD603作為程控放大器，基本滿足了要求。由于本設計使用的AD只能測量正極性的電壓信號，而外界輸入的信號有正有負，因此在輸入AD前要把所有信號轉(zhuǎn)換成正極性的，本設計采用加法電路，然后再做處理 。頻率測量，輸入信號可能是各種波形，不便測量，所以本設計專門分一路信號，把信號通過比較器轉(zhuǎn)換成矩形波，用定時器和中斷來測量信號的頻率，效果良好2。第一章 緒論1.1課題背景在電子測量技術的發(fā)展史上，示波器的出現(xiàn)給測量技術帶來了翻天覆地的變化，可以說的上是一場革命，從布勞恩的第一臺示波器問世以來，示波器的功能越來越豐富，性能也與日俱增。從70年代開始人們的注意力主要轉(zhuǎn)向自動化、實用化和提高準確度。微型計算機和儀器通用接口的出現(xiàn)，給示波器的自動化發(fā)展推到了一個嶄新的水平。微機的引入使示波器在設計、性能、功能、實用以及操作和故障診斷等方面都產(chǎn)生了巨大變化，隨著工業(yè)發(fā)展對示波器的設計和測量的需要，示波器的功能已從時域分析擴展到了數(shù)據(jù)域分析。當前，高精度、功能多樣、使用靈活、操作方便、性能可靠，已成為示波器生產(chǎn)廠家追求的主要目標31.2課題研究的目的和意義隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子技術已經(jīng)滲透到過敏經(jīng)濟個領域中利用電子技術進行的測量即電子測量技術發(fā)展很快，已經(jīng)成為一門學科，并在一定程度上反映了一個國家科學技術水平。在電子測量儀器中，示波器所占的地位越來越重要，對電量和許多非電量的測試來說是一種主要的、通用的測量工具。其實用之廣泛和發(fā)展速度之快都遠遠超過其他測量儀器，已經(jīng)廣泛應用于國防、科研、學校以及工農(nóng)商業(yè)等各個領域和部門。半個世紀以來，示波器由電子管發(fā)展到晶體管，有發(fā)展到集成電路；由模擬電路發(fā)展到數(shù)字電路；由通用 示波器發(fā)展到取、記憶、數(shù)字存儲、邏輯分析、故障判斷、只能化等多個系列，幾百個品種。以美國Tektronix公司為例，建立于1947年，目前已有9大系列，100多個品種，產(chǎn)品銷遍全球，已被世界公認為示波器的權(quán)威。自1951年，我國在示波器生產(chǎn)方面也有很大進展，形成了一支研發(fā)和設計示波器的專業(yè)隊伍，已能生產(chǎn)寬帶、取樣、高靈敏度、記憶、數(shù)字存儲、邏輯分析等各門類的示波器，有些門類的主要技術指標已經(jīng)接近國際先進水平。數(shù)字示波器是隨著數(shù)字電路的發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型示波器。它是采用數(shù)字電路，把輸入信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，把模擬波形變換成數(shù)字信息，并存儲在存儲器中，待需要讀出時，在通過DA轉(zhuǎn)換，能捕捉觸發(fā)前的信號，可通過接口與計算機相連接等特點，與計算機連成系統(tǒng)。分析復雜的單次瞬變信號的有效儀器。剛一問世，就顯示出它強大的生命力，各行各業(yè)都迫切需要，有其廣闊的市場空間。傳統(tǒng)模擬的示波器也有其優(yōu)點，即具有迅速的響應特性、面板直接控制操作、可直接觀測輸入信號、價格低廉等。目前數(shù)字示波器已經(jīng)完全能夠做到，特別是在捕獲非重復信號、避免信號虛化和閃爍、在時間上從觸發(fā)事件方向?qū)ほE實現(xiàn)在電路中隔離故障等方面，數(shù)字示波器顯示出了模擬示波器無可比擬的優(yōu)勢。因此，數(shù)字示波器由于其性能優(yōu)越，和良好的性價比，現(xiàn)在已成為示波器的主流產(chǎn)品。通過本設計，可以達到學以致用，把理論與實踐相結(jié)合，學會處理設計過程中出現(xiàn)的一些問題，掌握設計的技巧，為以后工作打下基礎，并完成一個能滿足基本需要的示波器13。1.3課題的主要研究內(nèi)容數(shù)字示波器利用AD把被測量的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并在液晶上顯示波形，而且可以對獲得的信息做進一步的處理，例如可以放大，縮小波形。和傳統(tǒng)模擬示波器相比，屏幕更新速率是數(shù)字示波器另一個限制因素，它不像模擬示波器那樣實時顯示波形的變化，波形在采樣轉(zhuǎn)換顯示的過程中被延遲了，被測信號總要經(jīng)過一段時間才能在屏幕上顯示出來。由于普通AD只能測量一種極性的電壓信號，而且測量電壓范圍小，因此，在進行AD轉(zhuǎn)換之前需要對外界信號做一些處理：首先把外界的電壓信號轉(zhuǎn)換成正電壓，并把電壓大的信號衰減，把電壓小的信號放大，所以本設計采用了極性轉(zhuǎn)化電路，和程控放大電路，這樣就可以測量范圍稍微大，正負電壓信號了17。為了使測量的波形更便于觀測，需要對波形進行放大和縮小，放大和縮小分別包括，幅度周期的放大和縮小。幅度放大時，可以把AD轉(zhuǎn)換到的數(shù)據(jù)左移兩位達到放大兩倍的效果，右移兩位縮小兩倍；周期的放大可以對原來的波形采樣更少的點，這樣在相等的時間段里可以顯示更多的波形，不過這樣會丟棄很多數(shù)據(jù)，容易失真，相反采樣更多的波形就放大周期，這樣更真實的反應波形。不過，數(shù)字示波器也有其局限性，其中之一是，多數(shù)數(shù)字示波器實用AD，受AD轉(zhuǎn)換速率的影響實時采樣不能達到很高的頻率。因此，數(shù)字示波器不能用于測量頻率較高的場合。另外一個解決辦法是等效時間采樣來達到最大帶寬，由于采樣密度可以超過重復觸發(fā)脈沖，因此對連續(xù)波形是完全可以的，但是對瞬時脈沖的存儲，實時采樣速率扔受AD轉(zhuǎn)換速率的限制。盡管如此，在低于10MHZ時，數(shù)字示波器有一系列的有點，例如，可以重建一個清晰的存儲波形，還可以捕捉并顯示預觸發(fā)波形，這一特征可以用來查找那些導致未知或間斷響應的過程?？傊c通用的模擬示波器相比，數(shù)字示波器有以下特點：(1) 具有存儲觸發(fā)前信息的功能，用數(shù)字存儲示波器的預觸發(fā)功能能觀測觸發(fā)前的信號，因而可捕獲和顯示故障發(fā)生前的信號，便于故障檢測。(2) 長久保存波形，在觀察緩慢信號時無閃爍現(xiàn)象。因為數(shù)字存儲示波器采用了RAM，可以慢速寫入，快速讀出，所以無閃爍。(3) 數(shù)據(jù)輸出可加至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用快速傅里葉變化進行處理。(4) 精確度高。第二章 系統(tǒng)的整體設計方案示波器的設計分為硬件設計和軟件設計兩部分。示波器的控制核心采用ARM9，由于ARM9芯片里有自帶的AD，采樣速率最高位500KSPS,分辨率為10位，供電電壓為3.3V，基本上能滿足本設計要求，顯示部分用 4.3寸的LCD。軟件部分采用C語言進行設計，設計環(huán)境為ADS。采用仿真軟件為Proteus14。2.1硬件總體結(jié)構(gòu)思路信號從探頭輸入，進入程控放大衰減電路進行放大衰減，程控放大器對電壓大的信號進行衰減，對電壓小信號進行放大以符合AD的測量范圍，經(jīng)過處理后信號進入極性轉(zhuǎn)換電路進行電平調(diào)整成03.3V電壓，因為被測信號可能是交流信號，而AD只能測量正極性電信號，經(jīng)調(diào)整后送入AD轉(zhuǎn)換電器對信號進行采樣，采樣所得數(shù)據(jù)送入LCD顯示。從程控放大電路出來的一路信號送給AD轉(zhuǎn)換器，一路送給整形電路對輸入信號進行整形即比較器，把各種信號變成矩形波，利用計數(shù)器進行頻率測量。這樣實現(xiàn)了信號頻率的測量和波形的顯示。按鍵控制可以通過不同的按鍵來控制波形的放大和縮小，同時也可以控制程控放大器，選擇放大和衰減的倍數(shù)。第三章 硬件設計硬件總體結(jié)構(gòu)3.1程控放大模塊設計3.1.1程控放大電路的作用程控放大器的作用是對輸入信號進行衰減或者放大調(diào)整，使輸出信號電壓符合AD轉(zhuǎn)換器要求，達到最好的測量與觀察效果，所以程控放大器電路在規(guī)定帶寬范圍內(nèi)的增益一定要平坦，故對運算放大器的要求也比較高。本設計采用AD603，程控放大器的放大 或衰減倍數(shù)是由DA控制的。通過鍵盤控制DA輸出大小不同的電壓,送到AD603的控制端，控制放大器的放大倍數(shù)，根據(jù)DA產(chǎn)生電壓的大小，達到程控的目的4。3.1.2 程控放大器電路所用芯片1.高速運算放大器AD603的特性 AD603是一種具有程控增益調(diào)整功能的芯片，它是美國ADI公司的專利產(chǎn)品，是一個低噪、90MHZ帶寬增益可調(diào)的及承運放，如增益用分貝表示，則增益與控制電壓成線性關系，壓擺率為275V/us。管腳間的連接方式?jīng)Q定了可編程的增益范圍，增益在-11+30dB時帶寬為90MHZ，增益在+9+41dB事具有9MHZ帶寬，改變管腳間的連接電阻，可使增益處在上述范圍內(nèi)。該集成電路可應用于射頻自動增益放大器、視頻增益控制、A/D轉(zhuǎn)換量程為擴展和信號測量系統(tǒng)12。2. AD603管腳圖如圖3-1所示圖3-1 AD603管腳圖3.1.3 AD603放大電路及原理AD603的放大電路如圖3-2所示。AD603由無源輸入衰減器、增益控制界面和固定增益放大器三部分組成。從第3腳輸入的信號經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的電壓決定。增益的調(diào)整與其自身電壓值無關，而僅與其差值Vg（1腳和2腳的電壓差）有關，由于控制電壓1腳和2腳的輸入電阻高達50M，因而輸入電流很小，致使片內(nèi)控制電路對提供增益控制電壓的外電路影響減小。當?shù)?和第5兩管腳的連接不同電阻時，其放大器的增益范圍也不一樣，當兩管腳短接時增益范圍為-10dB30dB，本設計這種性能5。選用AD603作為主放大器，兩片AD603順序級聯(lián)，充分發(fā)揮每一片AD603的增益控制功能。AD603的2腳對地壓固定，從而1、2腳的電壓差Vg受1腳電壓的控制。AD603的增益可表示為：Gain=40Vg+10。由此可見，隨著1腳電壓的 增加，Vg也增加，則AD603的增益變大，相反，若1腳電壓減小，Vg也減小，則AD603的增益變小，從而使兩級AD603的輸出恒定在某個信號強度上。兩片AD603采用順序級聯(lián)模式有利于控制精度和信噪比的提高。而順序級聯(lián)模式要求在放大信號時先啟用第一片AD603的增益，用盡后在使用第二片的增益。由AD603的增益計算公式可知，當Vg在-500mv+500mv之間時，其增益在-10+30dB范圍內(nèi)變化，則兩片AD603的2腳之間有1V的壓降。將第一片AD603的增益范圍定為-10+30dB則相應的Vg為-500mv500mv，而其2腳以固定在2V，故1腳的控制電壓應為1V2.5V。第二片AD603增益范圍也應為-10+30dB，則相應的Vg與第一片AD603相同，其2腳以固定在3V，故1腳的控制電壓應為2.5V3.5V，兩片順序級聯(lián)后的總增益范圍-2060dB。由以上分析可知，當DA轉(zhuǎn)換 器電壓V從1V到3.5V變化控制1腳時，兩級AD603的總增益將從-20dB60dB線性增加。程控放大器電路圖如圖3-1.3所示：圖3-1.3 程控放大器仿真電路圖其中XFG1為信號發(fā)生器，用來產(chǎn)生信號；XSC1、XSC2、XSC3為示波器，分別用來測量并顯示輸入信號，一級輸出信號，二級輸出信號。圖3-1.4 輸入信號仿真效果二級輸出信號 仿真圖如圖3-1.5所示：圖3-1.5 二級輸出波形3.2極性轉(zhuǎn)換電路在信號的處理過程中，由于AD只能測量單極性的電壓信號，但是被測信號可能有正有負，因此，在把電信號送給AD之前需要對電信號做極性轉(zhuǎn)換，把雙極性的信號轉(zhuǎn)換為單極性的，本設計中使用的是ARM9中自帶的AD，模擬輸入范圍是03.3V，因此，可以設計一個極性轉(zhuǎn)換電路，如圖3-2所示:圖3-2極性轉(zhuǎn)換電路圖根據(jù)公式Uo=R4(Ui/R2+Vref/R3 )，可令Vref的電壓為3.3V，這樣，可以實現(xiàn)測量范圍為-3.3V+3.3V。在極性轉(zhuǎn)換電路中使用了OP07，OP07是一種低功耗雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以OP07在很多應用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有偏置電流低和開環(huán)增益高的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。OP07引腳圖如圖3-2.1所示:圖3-2.1 OP07引腳圖本設計用 Multisim仿真軟件，Multisim功能強大，仿真多種電路。仿真電路圖如圖3-2.2所示：圖3-2.2 極性轉(zhuǎn)換仿真電路圖上圖中，XFG1為波形發(fā)生器，本設計用來產(chǎn)生3.3V的正弦波；XSC2為示波器,用來測量和顯示輸入信號的波形即波形發(fā)生器的波形；XSC1為示波器，用來測量和顯示輸出信號的波形。該電路實現(xiàn)把振幅為3.3V的正弦波，轉(zhuǎn)換為03.3V的正極性波形，送給ARM9中自帶的AD，以處理數(shù)據(jù)。極性轉(zhuǎn)換仿真效果圖如圖3-2.3所示：圖3-2.3 極性轉(zhuǎn)換仿真效果圖該圖為XSC2測量的輸入信號的波形。極性轉(zhuǎn)換輸出信號波形如圖3-2.4所示：圖3-2.4 輸出信號仿真效果圖 從仿真圖中可以看出，極性轉(zhuǎn)換電路，把-3.3V-+3.3V的正弦波轉(zhuǎn)換成了0-3.3V的正弦波，符合AD的測量范圍。達到了預期的目的。第五章性能能測試與分析1、在最初的安裝調(diào)試中，由于沒有使用函數(shù)發(fā)生器從而出現(xiàn)一些問題，波形始終不能正常顯示，在老師的指導下最終正確顯示。但硬件的缺陷與軟件的實現(xiàn)仍然有些小弊端。2、當采樣間隔與波形頻率不太匹配時并不能很好顯示出波形。但適當調(diào)整采樣時間仍可準確測量1HZ60KHZ的信號，并顯示電壓峰峰值。3、當信號頻率大于60KHZ時正弦波波形不能很好分辨出來，當信號頻率大于500KHZ時波形失真，發(fā)生重疊。4、使用刷屏顯示時會出現(xiàn)閃屏，這里采用刷列顯示。但當信號頻率較低時，由于處理器的速度較慢，使得刷列顯示出的波形連續(xù)性不好，目前沒找到更好的解決辦法5、經(jīng)過小組成員一致努力最終成功完成數(shù)字示波器設計，并成功