簡(jiǎn)易混合信號(hào)示波器.doc

簡(jiǎn)易混合信號(hào)示波器摘要：本設(shè)計(jì)以STM32F103ZE為核心處理器件，綜合ADC、DMA、DAC、TIM等，完成對(duì)信號(hào)的整形與觸發(fā)、調(diào)理與放大、采樣與保持、A/D、D/A轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理，最終通過TFT液晶屏幕實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)以及數(shù)字信號(hào)波形的顯示。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，本文詳細(xì)介紹了電源模塊、DDS信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)處理模塊、按鍵模塊、STM32F103ZE控制運(yùn)算模塊、液晶顯示模塊電路以及系統(tǒng)擴(kuò)展所需的其它一些外圍電路的設(shè)計(jì)，軟件方面則以硬件電路為基礎(chǔ)，并考慮到可能存在的各種干擾因素，采用軟硬件相結(jié)合的方法，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度。關(guān)鍵詞：示波器，STM32F103ZE，DDS信號(hào)發(fā)生目錄摘要1目錄2引言31 方案設(shè)計(jì)31.1 控制系統(tǒng)方案的比較31.2 理論分析與計(jì)算31.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖41.4 電源模塊41.5 信號(hào)產(chǎn)生模塊51.6 信號(hào)處理模塊61.7 按鍵模塊71.8 顯示模塊72 軟件設(shè)計(jì)82.1 開發(fā)環(huán)境82.2 軟件流程圖83 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)93.1 出現(xiàn)的問題以及解決方法94 測(cè)試94.1 測(cè)試儀器94.2 測(cè)試過程94.3 測(cè)試結(jié)果105 結(jié)論106 參考資料101 引言如今示波器就好比電子開發(fā)者的眼睛，每個(gè)電子開發(fā)者都希望能擁有一臺(tái)示波器，可以幫助他們看是波形的實(shí)際情況，了解電路性能。題目要求設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)簡(jiǎn)易混合信號(hào)示波器（MSO），本次設(shè)計(jì)采用由電源模塊、DDS信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)處理模塊、按鍵模塊、STM32F103ZE控制運(yùn)算模塊以及液晶顯示模塊組成的一個(gè)完整系統(tǒng)，結(jié)合軟件完成一系列的功能，相比如今市場(chǎng)上的示波器，具有攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、制作成本低、處理速度更快的特點(diǎn)。2 方案設(shè)計(jì)2.1 控制系統(tǒng)方案的比較方案一：采用單片機(jī)作為核心控制器件。即由單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器及RAM存儲(chǔ)器等組成系統(tǒng)。若采用該方案，則單片機(jī)不僅要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而且還要完成復(fù)雜的時(shí)序控制，但單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度較低，并且試題要求的被測(cè)信號(hào)頻率最高達(dá)到500KHz(發(fā)揮部分5MHz)，因此該方案難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，不予選取。方案二：采用DSP為核心處理器件。即由DSP來控制各個(gè)部分協(xié)調(diào)工作，完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集到最終波形的顯示，但考慮到DSP造價(jià)高于ARM，并且對(duì)小信號(hào)的采集，如果用DSP芯片會(huì)有很多的限制，給設(shè)計(jì)增加難度，因此不予選取。方案三：采用STM32F103ZE作為核心控制器件，即用其來控制數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、D/A轉(zhuǎn)換及顯示等各個(gè)部分。STM32F103ZE功能強(qiáng)大，采用這種方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)序控制，操作方便，而且數(shù)據(jù)處理速度很快，可以滿足試題的所有要求。此外，還可充分利用STM32F103ZE片內(nèi)資源來進(jìn)行LPM參數(shù)化宏模塊的定制，如RAM、ROM、PLL等，實(shí)現(xiàn)更多的功能。故本次選用方案三。2.2 理論分析與計(jì)算（1）等效采樣分析由于周期信號(hào)在各周期內(nèi)的波形完全相同，可以在各周期內(nèi)的不同時(shí)刻分別采集數(shù)據(jù)，然后將采集的數(shù)據(jù)合成完整的采樣波形。設(shè)第一次的采樣時(shí)刻為周期原點(diǎn)，第二個(gè)周期到來后延時(shí)t后再進(jìn)行第二次采樣，第三次采樣則是在第三個(gè)周期到來后再延時(shí)2t的時(shí)刻，以此類推。將采集到的數(shù)據(jù)以間隔t順序排列（如圖1所示），即可恢復(fù)信號(hào)波形。等效采樣速率fs=1/t，而實(shí)際的采樣頻率fs=1/(T+t)，由于tfs。因此，等效采樣技術(shù)可以用較低速的A/D實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻周期信號(hào)的采樣。圖1 等效采樣說明圖為了進(jìn)一步減小實(shí)際的采樣頻率，可每隔nT+t的時(shí)間間隔對(duì)輸入信號(hào)采樣一次。在此，我們?nèi)=20，則當(dāng)輸入信號(hào)頻率達(dá)到5MHz時(shí)，實(shí)際采樣頻率約為5MHz/20=250kHz。（2）垂直靈敏度垂直靈敏度有四檔指標(biāo)要求：0.05V/div、0.5V/div、1V/div和2V/div，為此必須在前端設(shè)計(jì)一個(gè)有四種增益的放大電路。A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510的基準(zhǔn)電壓為2V，D/A轉(zhuǎn)換器TLC7528的基準(zhǔn)電壓為2.5V，此外，該DAC的輸出還具有兩倍的增益，因此，其滿幅輸出為5V。示波器顯示屏垂直方向有8格，對(duì)應(yīng)為5V，即0.625/div，而信號(hào)經(jīng)過D/A和A/D后又被放大了2.5倍，由此計(jì)算四檔垂直靈敏度對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)如表1.1所示。表1.1 垂直靈敏度與放大倍數(shù)的關(guān)系垂直靈敏度0.05V/div0.5V/div1V/div2V/div20V/div放大倍數(shù)50.50.250.1250.0125（3）掃描速度本系統(tǒng)顯示屏的水平刻度為10格，水平顯示分辨率n為20點(diǎn)/div，則水平共顯示20點(diǎn)/div10div = 200個(gè)點(diǎn)。假設(shè)掃描速度為s，采樣頻率為f，則f = n/s，由此得到設(shè)計(jì)要求的四檔掃描速度所對(duì)應(yīng)的采樣頻率如表1.2所示。表1.2 掃描速度與采樣頻率的關(guān)系掃描速度1ms/div0.1ms/div10us/div1us/div采樣頻率20KHz200MHz2MHz20MHz當(dāng)掃描速度在1ms/div、0.1ms/div和10us/div檔時(shí)采用實(shí)時(shí)采樣方式進(jìn)行采樣，當(dāng)掃描速度在1us/div檔時(shí)采用等效采樣方式2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 簡(jiǎn)易混合信號(hào)示波器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，以模塊化的設(shè)計(jì)思想完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，后面將逐一介紹各個(gè)模塊的處理框圖以及工作原理。圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.4 電源模快圖3 電源模塊組成框圖方案一：如圖3所示，變壓器將電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，由整流電路，利用單向?qū)щ娫?0Hz的正弦交流電變換成脈動(dòng)的直流電，再經(jīng)過濾波電路將其中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓，最終由穩(wěn)壓電路輸出直流穩(wěn)定的電壓，但考慮到需要連接220V的交流電，以及電路復(fù)雜等原因排除此方案。圖4 電源組成模塊方案二：如圖4所示，直接由電源適配器提供5V直流電壓作為電源，經(jīng)過穩(wěn)壓電路，得到穩(wěn)定的電壓，不僅簡(jiǎn)化了電路，而且攜帶更加方便，因此選用該方案。2.5 信號(hào)產(chǎn)生模塊圖5 信號(hào)產(chǎn)生原理圖方案一：如圖5所示，U401是由Ha741所構(gòu)成的文氏振蕩器，運(yùn)放的負(fù)端到地可調(diào)電位器VR401，因此運(yùn)算放大器的增益可調(diào)，滿足A=1+RF/R13，VT401接成電壓跟隨器，其輸出接VR402電位器，因此輸出的正弦波幅度可調(diào)。圖6 信號(hào)產(chǎn)生原理圖方案二：AD9850內(nèi)含可編程DDS 系統(tǒng)和高速比較器，可實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成（如圖6所示）。可編程DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，由一個(gè)加法器和一個(gè)N位相位寄存器組成。每來一個(gè)外部參考時(shí)鐘，相位寄存器便以步長M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中0360范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)DAC 輸出模擬量。相位寄存器每過2N/ M 個(gè)外部參考時(shí)鐘后返回到初始狀態(tài)一次，相應(yīng)地正弦查詢表每經(jīng)過一個(gè)循環(huán)也回到初始位置，從而使整個(gè)DDS 系統(tǒng)輸出一個(gè)正弦波。輸出的正弦波頻率fout = M*fc/ 2的N次方（fc 為外部參考時(shí)鐘頻率）。雖然方案一可以產(chǎn)生正弦波，但由于振蕩頻率取決于R和C，其電路產(chǎn)生的頻率不會(huì)太高，不能達(dá)到試題要求的500KHZ（發(fā)揮部分5MHZ ）,但方案二可以完好的實(shí)現(xiàn)試題的全部要求，因此選則方案二。2.6 信號(hào)處理模塊圖7 信號(hào)處理框圖如圖7所示模擬信號(hào)經(jīng)過信號(hào)放大器后，通過增益的選擇，電壓跟隨器以及觸發(fā)電平的控制最終進(jìn)入STM32F103ZE進(jìn)行信號(hào)的處理，在示波器的模擬前端由控放大電路，offset電路，電平觸發(fā)電路，檢頻電路組成。檢頻電路原理：通過電容耦合將信號(hào)直流分量去除（AC耦合），之后進(jìn)入零點(diǎn)限幅電路將零點(diǎn)附近噪音信號(hào)去除（為了使后級(jí)過零比較器穩(wěn)定檢出頻率），最后進(jìn)入過零比較器檢測(cè)出信號(hào)周期信號(hào)，這個(gè)信號(hào)被送入STM32的定時(shí)器捕獲端口進(jìn)行計(jì)數(shù)，在單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值便是頻率。圖8 信號(hào)處理原理圖2.7 按鍵模塊 圖9 按鍵原理圖 圖10 按鍵原理圖方案一：如圖9所示，若采用該電路，那么只能選擇用軟件去除抖動(dòng)的方式。方案二：如圖10所示，在圖9電路的基礎(chǔ)上并聯(lián)一個(gè)0.1uf的電容，運(yùn)用電容放電延時(shí)的特性消除抖動(dòng)，同時(shí)還可以結(jié)合軟件更好的去抖，并且本次設(shè)計(jì)的精密度很高，因此采用如圖10所示的電路，即選取方案二。2.8 顯示模塊方案1：系統(tǒng)的顯示采用兩片SRAM分時(shí)復(fù)用的方式。當(dāng)顯示SRAM1中所存數(shù)據(jù)時(shí)，下一次將要顯示的數(shù)據(jù)可以事先存入SRAM2中，當(dāng)前顯示完成后，SRAM2中的數(shù)據(jù)就可以送去繼續(xù)顯示，而SRAM1將為下一次顯示數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。實(shí)際控制中，DSP處理器發(fā)出一選擇信號(hào)，選擇控制顯示哪一片SRAM的數(shù)據(jù)，根據(jù)這個(gè)選擇信號(hào)來控制兩片SRAM的讀寫使能以及地址線。例如顯示SRAM1中數(shù)據(jù)，SRAM2負(fù)責(zé)存入數(shù)據(jù)時(shí)，SRAM1設(shè)置成讀使能有效，寫使能無效，地址線指向顯示數(shù)據(jù)區(qū)的首地址；SRAM2設(shè)置為讀使能無效，寫使能有效，地址線指著將要寫入SRAM2那塊數(shù)據(jù)區(qū)的首地圖11 液晶顯示模塊框圖方案2：如圖11所示TFT液晶采用TSC2046芯片主控， TFT驅(qū)動(dòng)程序會(huì)自動(dòng)檢測(cè)LCD驅(qū)芯片的型號(hào)。屏分辨率為240x400， 屏支持24位顏色，18位顏色。由于STM32的FSMC總線是16位，因此實(shí)際驅(qū)動(dòng)LCD只用到了16位色。綜合考慮產(chǎn)品的成本、萬用板的尺寸以及總體設(shè)計(jì)方案，最終選擇了方案2這一設(shè)計(jì)思路，不僅降低了控制的復(fù)雜度，同時(shí)也減小了硬件布板難度，節(jié)約了STM32的I/O口資源，減少了芯片成本等，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)。 3 軟件設(shè)計(jì)3.1 開發(fā)環(huán)境目前STM32開發(fā)最廣泛、最常用的開發(fā)環(huán)境是MDK和IAR兩種，大都以IAR和MDK為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)編寫。本次設(shè)計(jì)采用KEIL uVision V4.13編寫程序。3.2 軟件流程圖 圖11 軟件流程圖用簡(jiǎn)單明了的軟件流程圖，指導(dǎo)編寫程序，根據(jù)流程圖逐步完成對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)的控制，不僅使編寫思路清晰，而且在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)過程中更容易找出錯(cuò)誤與不良，因?yàn)榭梢詫⒊绦蚋鶕?jù)流程圖劃分為局部與整體的關(guān)系，可以先檢查局部程序，繼而完成對(duì)整體的檢測(cè)，而不用從頭到尾，一行行的檢查程序。4 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)4.1 出現(xiàn)的問題以及解決方法（1）信號(hào)干擾問題：在組合好整個(gè)設(shè)計(jì)后，發(fā)現(xiàn)即使不輸入信號(hào)，在液晶上也會(huì)顯示一定的波形。解決方案：通過實(shí)驗(yàn)后，首先確定了不是軟件的問題，其次硬件的連接與導(dǎo)通都很正常，在討論分析后發(fā)現(xiàn)，由于模擬線路與數(shù)字線路排列緊密，導(dǎo)致信號(hào)間互相干擾，最終通過擴(kuò)張電路間的空隙，重新設(shè)計(jì)線路的走勢(shì)，得以完好解決。（2）被測(cè)信號(hào)幅值不夠問題：由DDS信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的正弦波幅值（峰峰值）未能達(dá)到試題要求的10V（發(fā)揮部分20V）。解決方案：通過查閱資以及料精確計(jì)算后，以搭建三極管電壓放大電路的方式，提高輸出信號(hào)的幅值，結(jié)果表明該方法明顯提高了輸出信號(hào)的幅值。5 測(cè)試 5.1 測(cè)試儀器20MH GOS-620模擬示波器UT51數(shù)字萬用表YB2003 DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器PC機(jī)5.2 測(cè)試過程（1）將制作完成的被測(cè)信號(hào)連接到示波器的輸入端口，調(diào)節(jié)被測(cè)信號(hào)，檢測(cè)頻率是否為100Hzf500KHz， 峰峰值0.1VVp-p10V的正弦波。（2）將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器連接到制作好的MSO信號(hào)接收端口，測(cè)試能否完成對(duì)信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、顯示以及失真情況。（3）垂直靈敏度檢測(cè)：分別在四檔靈敏度時(shí)，對(duì)比被測(cè)信號(hào)在本設(shè)計(jì)液晶中與標(biāo)準(zhǔn)示波器上波形（對(duì)比多次，減小誤差）。（4）水平速度測(cè)試：分別在四檔時(shí)，檢測(cè)水平分辨率是否為20V/div，以及掃描速度是否達(dá)到預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。（5）檢測(cè)信號(hào)發(fā)生器是否能循環(huán)輸出4路數(shù)字信號(hào)，波特率為10Mb/s， 碼長為16位，且碼型有加計(jì)數(shù)、減計(jì)數(shù)兩種固定碼型。（6）檢查是否能在同一液晶屏上顯示輸出信號(hào)的碼型示意波形。（7）檢測(cè)是否增加垂直靈敏度檔位，能使被測(cè)信號(hào)幅度達(dá)到0.05VVp-p 20V；檢測(cè)是否增加掃描速度擋位，能使被測(cè)信號(hào)頻率達(dá)到10Hz f5 MHz；檢測(cè)信號(hào)發(fā)生器的碼率可變(10Mb/s，20Mb/s，30Mb/s)， 能否通過鍵盤能任意設(shè)置碼型，并輸出相應(yīng)波特率和碼型的4路數(shù)字信號(hào)。5.3 測(cè)試結(jié)果表2.1 測(cè)試結(jié)果示意表格測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果備注被測(cè)信號(hào)0HZf500KHZ, 0.1VVP-P10V正弦波/方波基本功能可采集、顯示、無明顯失真顯示畫面可暫停垂直靈敏度0.05V/div、0.5V/div、1V/div、2V/div電壓誤差 5%掃描速度1ms/div 、0.1ms/div、10us/div、1us/div分辨率20點(diǎn)/div4路數(shù)字信號(hào)16位、100Mb/s、加減計(jì)數(shù)碼型循環(huán)輸出碼型示意顯示波形/增加檔位0VVpp10V/增加掃描速度0HZf5MHZ/碼率可變可設(shè)任意碼型，顯示相應(yīng)波特率4路數(shù)字信號(hào)差弱6 結(jié)論經(jīng)過反復(fù)嚴(yán)格的測(cè)試與調(diào)整后，本次設(shè)計(jì)能很好的完成：（1）被測(cè)信號(hào)達(dá)到要求100Hzf500KHz，0.1VVp-p10V；（2）能對(duì)被測(cè)信號(hào)采集，處理，顯示，并無明顯波形失真；（3）垂直靈敏度分為0.05V/div、0.5V/div、1V/div和2V/div共四檔（手動(dòng)調(diào)整）；（4）觸發(fā)方式為自動(dòng)；電壓誤差5%；5）可增加垂直靈敏度檔位，被測(cè)信號(hào)幅度達(dá)到0.05VVp-p20V；（6）增加掃描速度擋位，被測(cè)信號(hào)頻率可達(dá)到10Hzf5MHz；（7）數(shù)字信號(hào)發(fā)生器循環(huán)輸出4路數(shù)字信號(hào)，其波特率為10Mb/s，碼長為16位，碼型有加計(jì)數(shù)、減計(jì)數(shù)兩種固定碼型；（8）在示波器同一液晶屏上顯示輸出信號(hào)的碼型示意波形；（9）信號(hào)發(fā)生器的碼率可變(10Mb/s，20Mb/s，30Mb/s)，通過鍵盤能任意設(shè)置碼型，并輸出相應(yīng)波