课程设计(论文)-基于STM32的简易数字示波器.docx

山东科技大学课程设计报告设计题目：基于STM32的简易数字示波器专 业： 班级学号： 学生姓名： 指导教师： 设计时间： 小组成员： 基于STM32的数字示波器设计 -硬件方面设计摘要本设计是基于ARM(Advance RISC Machine)以ARM92为控制核心数字示波器的设计。包括前级电路处理，AD转换，波形处理，LCD显示灯模块。前级电路处理包括程控放大衰减器，极性转换电路，过零比较器组成，AD的转换速率最高为500KSPS，采用实时采样方式，设计中采用模块设计方法。充分使用了Proteus Multisim仿真工具，大大提高了设计效率，可测量输入频率范围为1HZ50KHZ的波形，测量幅度范围为-3.3V+3.3V,并实现波形的放大和缩小，实时显示输入信号波形，同时测量波形输入信号的频率。总体来看，本文所设计的示波器，体积小，价格低廉，低功耗，方便携带，适用范围广泛，基本上满足了某些场合的需要，同时克服了传统示波器体积庞大的缺点，减小成本。 关键词：AD ，ARM，实时采样，数字示波器目录前言-3第一章 绪论-41.1 课题背景-41.2 课题研究目的及意义-41.3 课题主要的研究内容-5第二章 系统的整体设计方案-62.1硬件总体结构思路-6第三章 硬件结构设计-73.1程控放大模块设计-73.1.1程控放大电路的作用-73.1.2程控放大电路所用芯片-73.1.3AD603放大电路及原理-83.2极性转换电路设计-103.3 AD转换电路及LED显示电路等(由组内其他同学完成)第四章 软件设计(由组内其他同学完成)第五章 性能能测试与分析-15第六章 设计结论及感悟-17参考文献-18前言由于传统示波器虽然功能齐全但是体积旁大，不方便使用，本设计针对这种缺点设计一种体积小、成本低、功耗小、便携数字示波器，同时达到学以致用，理论和实践相结合，进一步学习课外知识，培养综合应用知识，锻炼动手和实际工作的能力。示波器实现输入频率范围为10HZ60KHZ，幅度范围为-3.3V+3.3V，并实现波形实时显示以及放大和缩小。同时显示波形频率和幅度。示波器在电子、电气、控制等领域应用十分广泛，随着计算机的发展，示波器已经实现了和计算机互联，共享数据，但现有示波器有诸多不足，体积庞大，价格昂贵，功能齐全的示波器在某些场合并不能得到充分的应用。本课题所研究的示波器定位于抵挡型，即在性能 上满足大多场合的需要，努力实现小型化，价格低廉，携带方便，这样在财力有限的小用户能够普及，并和功能齐全高档示波器配合使用，取长补短。本设计对信号的采样，使用实时采样方式，这种方法的优点是，设计相对简单，能实时显示所测信号的波形。缺点是，由于受AD转换速率的限制不能测量频率很高的信号。另外，AD只能测量范围很小的电压信号，单输入信号可能更小，或者更大，所以要对信号进行程控放大和衰减，本设计采用AD603作为程控放大器，基本满足了要求。由于本设计使用的AD只能测量正极性的电压信号，而外界输入的信号有正有负，因此在输入AD前要把所有信号转换成正极性的，本设计采用加法电路，然后再做处理 。频率测量，输入信号可能是各种波形，不便测量，所以本设计专门分一路信号，把信号通过比较器转换成矩形波，用定时器和中断来测量信号的频率，效果良好2。第一章 绪论1.1课题背景在电子测量技术的发展史上，示波器的出现给测量技术带来了翻天覆地的变化，可以说的上是一场革命，从布劳恩的第一台示波器问世以来，示波器的功能越来越丰富，性能也与日俱增。从70年代开始人们的注意力主要转向自动化、实用化和提高准确度。微型计算机和仪器通用接口的出现，给示波器的自动化发展推到了一个崭新的水平。微机的引入使示波器在设计、性能、功能、实用以及操作和故障诊断等方面都产生了巨大变化，随着工业发展对示波器的设计和测量的需要，示波器的功能已从时域分析扩展到了数据域分析。当前，高精度、功能多样、使用灵活、操作方便、性能可靠，已成为示波器生产厂家追求的主要目标31.2课题研究的目的和意义随着电子工业的发展，电子技术已经渗透到过敏经济个领域中利用电子技术进行的测量即电子测量技术发展很快，已经成为一门学科，并在一定程度上反映了一个国家科学技术水平。在电子测量仪器中，示波器所占的地位越来越重要，对电量和许多非电量的测试来说是一种主要的、通用的测量工具。其实用之广泛和发展速度之快都远远超过其他测量仪器，已经广泛应用于国防、科研、学校以及工农商业等各个领域和部门。半个世纪以来，示波器由电子管发展到晶体管，有发展到集成电路；由模拟电路发展到数字电路；由通用 示波器发展到取、记忆、数字存储、逻辑分析、故障判断、只能化等多个系列，几百个品种。以美国Tektronix公司为例，建立于1947年，目前已有9大系列，100多个品种，产品销遍全球，已被世界公认为示波器的权威。自1951年，我国在示波器生产方面也有很大进展，形成了一支研发和设计示波器的专业队伍，已能生产宽带、取样、高灵敏度、记忆、数字存储、逻辑分析等各门类的示波器，有些门类的主要技术指标已经接近国际先进水平。数字示波器是随着数字电路的发展而发展起来的一种新型示波器。它是采用数字电路，把输入信号经过AD转换，把模拟波形变换成数字信息，并存储在存储器中，待需要读出时，在通过DA转换，能捕捉触发前的信号，可通过接口与计算机相连接等特点，与计算机连成系统。分析复杂的单次瞬变信号的有效仪器。刚一问世，就显示出它强大的生命力，各行各业都迫切需要，有其广阔的市场空间。传统模拟的示波器也有其优点，即具有迅速的响应特性、面板直接控制操作、可直接观测输入信号、价格低廉等。目前数字示波器已经完全能够做到，特别是在捕获非重复信号、避免信号虚化和闪烁、在时间上从触发事件方向寻迹实现在电路中隔离故障等方面，数字示波器显示出了模拟示波器无可比拟的优势。因此，数字示波器由于其性能优越，和良好的性价比，现在已成为示波器的主流产品。通过本设计，可以达到学以致用，把理论与实践相结合，学会处理设计过程中出现的一些问题，掌握设计的技巧，为以后工作打下基础，并完成一个能满足基本需要的示波器13。1.3课题的主要研究内容数字示波器利用AD把被测量的模拟信号转换成数字信号，并在液晶上显示波形，而且可以对获得的信息做进一步的处理，例如可以放大，缩小波形。和传统模拟示波器相比，屏幕更新速率是数字示波器另一个限制因素，它不像模拟示波器那样实时显示波形的变化，波形在采样转换显示的过程中被延迟了，被测信号总要经过一段时间才能在屏幕上显示出来。由于普通AD只能测量一种极性的电压信号，而且测量电压范围小，因此，在进行AD转换之前需要对外界信号做一些处理：首先把外界的电压信号转换成正电压，并把电压大的信号衰减，把电压小的信号放大，所以本设计采用了极性转化电路，和程控放大电路，这样就可以测量范围稍微大，正负电压信号了17。为了使测量的波形更便于观测，需要对波形进行放大和缩小，放大和缩小分别包括，幅度周期的放大和缩小。幅度放大时，可以把AD转换到的数据左移两位达到放大两倍的效果，右移两位缩小两倍；周期的放大可以对原来的波形采样更少的点，这样在相等的时间段里可以显示更多的波形，不过这样会丢弃很多数据，容易失真，相反采样更多的波形就放大周期，这样更真实的反应波形。不过，数字示波器也有其局限性，其中之一是，多数数字示波器实用AD，受AD转换速率的影响实时采样不能达到很高的频率。因此，数字示波器不能用于测量频率较高的场合。另外一个解决办法是等效时间采样来达到最大带宽，由于采样密度可以超过重复触发脉冲，因此对连续波形是完全可以的，但是对瞬时脉冲的存储，实时采样速率扔受AD转换速率的限制。尽管如此，在低于10MHZ时，数字示波器有一系列的有点，例如，可以重建一个清晰的存储波形，还可以捕捉并显示预触发波形，这一特征可以用来查找那些导致未知或间断响应的过程。总之与通用的模拟示波器相比，数字示波器有以下特点：(1) 具有存储触发前信息的功能，用数字存储示波器的预触发功能能观测触发前的信号，因而可捕获和显示故障发生前的信号，便于故障检测。(2) 长久保存波形，在观察缓慢信号时无闪烁现象。因为数字存储示波器采用了RAM，可以慢速写入，快速读出，所以无闪烁。(3) 数据输出可加至数据采集系统，用快速傅里叶变化进行处理。(4) 精确度高。第二章 系统的整体设计方案示波器的设计分为硬件设计和软件设计两部分。示波器的控制核心采用ARM9，由于ARM9芯片里有自带的AD，采样速率最高位500KSPS,分辨率为10位，供电电压为3.3V，基本上能满足本设计要求，显示部分用 4.3寸的LCD。软件部分采用C语言进行设计，设计环境为ADS。采用仿真软件为Proteus14。2.1硬件总体结构思路信号从探头输入，进入程控放大衰减电路进行放大衰减，程控放大器对电压大的信号进行衰减，对电压小信号进行放大以符合AD的测量范围，经过处理后信号进入极性转换电路进行电平调整成03.3V电压，因为被测信号可能是交流信号，而AD只能测量正极性电信号，经调整后送入AD转换电器对信号进行采样，采样所得数据送入LCD显示。从程控放大电路出来的一路信号送给AD转换器，一路送给整形电路对输入信号进行整形即比较器，把各种信号变成矩形波，利用计数器进行频率测量。这样实现了信号频率的测量和波形的显示。按键控制可以通过不同的按键来控制波形的放大和缩小，同时也可以控制程控放大器，选择放大和衰减的倍数。第三章 硬件设计硬件总体结构3.1程控放大模块设计3.1.1程控放大电路的作用程控放大器的作用是对输入信号进行衰减或者放大调整，使输出信号电压符合AD转换器要求，达到最好的测量与观察效果，所以程控放大器电路在规定带宽范围内的增益一定要平坦，故对运算放大器的要求也比较高。本设计采用AD603，程控放大器的放大 或衰减倍数是由DA控制的。通过键盘控制DA输出大小不同的电压,送到AD603的控制端，控制放大器的放大倍数，根据DA产生电压的大小，达到程控的目的4。3.1.2 程控放大器电路所用芯片1.高速运算放大器AD603的特性 AD603是一种具有程控增益调整功能的芯片，它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90MHZ带宽增益可调的及承运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆率为275V/us。管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-11+30dB时带宽为90MHZ，增益在+9+41dB事具有9MHZ带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D转换量程为扩展和信号测量系统12。2. AD603管脚图如图3-1所示图3-1 AD603管脚图3.1.3 AD603放大电路及原理AD603的放大电路如图3-2所示。AD603由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。从第3脚输入的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值Vg（1脚和2脚的电压差）有关，由于控制电压1脚和2脚的输入电阻高达50M，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。当第7和第5两管脚的连接不同电阻时，其放大器的增益范围也不一样，当两管脚短接时增益范围为-10dB30dB，本设计这种性能5。选用AD603作为主放大器，两片AD603顺序级联，充分发挥每一片AD603的增益控制功能。AD603的2脚对地压固定，从而1、2脚的电压差Vg受1脚电压的控制。AD603的增益可表示为：Gain=40Vg+10。由此可见，随着1脚电压的 增加，Vg也增加，则AD603的增益变大，相反，若1脚电压减小，Vg也减小，则AD603的增益变小，从而使两级AD603的输出恒定在某个信号强度上。两片AD603采用顺序级联模式有利于控制精度和信噪比的提高。而顺序级联模式要求在放大信号时先启用第一片AD603的增益，用尽后在使用第二片的增益。由AD603的增益计算公式可知，当Vg在-500mv+500mv之间时，其增益在-10+30dB范围内变化，则两片AD603的2脚之间有1V的压降。将第一片AD603的增益范围定为-10+30dB则相应的Vg为-500mv500mv，而其2脚以固定在2V，故1脚的控制电压应为1V2.5V。第二片AD603增益范围也应为-10+30dB，则相应的Vg与第一片AD603相同，其2脚以固定在3V，故1脚的控制电压应为2.5V3.5V，两片顺序级联后的总增益范围-2060dB。由以上分析可知，当DA转换 器电压V从1V到3.5V变化控制1脚时，两级AD603的总增益将从-20dB60dB线性增加。程控放大器电路图如图3-1.3所示：图3-1.3 程控放大器仿真电路图其中XFG1为信号发生器，用来产生信号；XSC1、XSC2、XSC3为示波器，分别用来测量并显示输入信号，一级输出信号，二级输出信号。图3-1.4 输入信号仿真效果二级输出信号 仿真图如图3-1.5所示：图3-1.5 二级输出波形3.2极性转换电路在信号的处理过程中，由于AD只能测量单极性的电压信号，但是被测信号可能有正有负，因此，在把电信号送给AD之前需要对电信号做极性转换，把双极性的信号转换为单极性的，本设计中使用的是ARM9中自带的AD，模拟输入范围是03.3V，因此，可以设计一个极性转换电路，如图3-2所示:图3-2极性转换电路图根据公式Uo=R4(Ui/R2+Vref/R3 )，可令Vref的电压为3.3V，这样，可以实现测量范围为-3.3V+3.3V。在极性转换电路中使用了OP07，OP07是一种低功耗双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07引脚图如图3-2.1所示:图3-2.1 OP07引脚图本设计用 Multisim仿真软件，Multisim功能强大，仿真多种电路。仿真电路图如图3-2.2所示：图3-2.2 极性转换仿真电路图上图中，XFG1为波形发生器，本设计用来产生3.3V的正弦波；XSC2为示波器,用来测量和显示输入信号的波形即波形发生器的波形；XSC1为示波器，用来测量和显示输出信号的波形。该电路实现把振幅为3.3V的正弦波，转换为03.3V的正极性波形，送给ARM9中自带的AD，以处理数据。极性转换仿真效果图如图3-2.3所示：图3-2.3 极性转换仿真效果图该图为XSC2测量的输入信号的波形。极性转换输出信号波形如图3-2.4所示：图3-2.4 输出信号仿真效果图 从仿真图中可以看出，极性转换电路，把-3.3V-+3.3V的正弦波转换成了0-3.3V的正弦波，符合AD的测量范围。达到了预期的目的。第五章性能能测试与分析1、在最初的安装调试中，由于没有使用函数发生器从而出现一些问题，波形始终不能正常显示，在老师的指导下最终正确显示。但硬件的缺陷与软件的实现仍然有些小弊端。2、当采样间隔与波形频率不太匹配时并不能很好显示出波形。但适当调整采样时间仍可准确测量1HZ60KHZ的信号，并显示电压峰峰值。3、当信号频率大于60KHZ时正弦波波形不能很好分辨出来，当信号频率大于500KHZ时波形失真，发生重叠。4、使用刷屏显示时会出现闪屏，这里采用刷列显示。但当信号频率较低时，由于处理器的速度较慢，使得刷列显示出的波形连续性不好，目前没找到更好的解决办法5、经过小组成员一致努力最终成功完成数字示波器设计，并成功测出正弦波，方波及三角波等波段，以下是成果展示。5.1正弦波输出结果5.2 方波输出结果5.3 三角波输出结果第六章 设计结论及感悟经过努力，终于完成了该题目的设计，总结两周来的工作，主要有以下几个方面：l.综述了现阶段数字存储示波器技术及产品的国内外发展状况，对数字存储示波器的原理、工作方式、显示方式等的基本概念及技术发展进行了介绍。2.针对设计的任务和要求，确定了存储示波器波形采样和数据处理及波形重组的硬件和软件方案。3.对整机各部分关键电路进行相关理论分析、计算和设计。5.完成了样机的制作与调试；论述了仪器的测试方法，完成数据测试及测试结果分析6.通过本次设计，学习并掌握了ARM的硬件结构，编程方式和技巧，为以后使用打下了坚实的基础，同时也体会到了学以致用的意义，对嵌入式产生了更加 浓厚的兴趣。ARM等高性能、低成本微处理器的出现，为高性能智能化电子测试仪器的设计提供了良好的平台。这次设计也得到了老师的很大帮助 ，在这里表示衷心的感谢 。参考文献1 张洪润等.单片机应用设计200例上册.北京：北京航空航天大学出版社，20062 潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术.北京： 人民邮电出版社，19993 潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术使用教程.北京：电子工业出版社，20064 清华大学电子学教研组编.杨素行主编.模拟电子技术基础简明教程.3版.北京：高等教育出版社，20065 冯民昌主编.模拟集成电路系统.2版.北京：中国铁道出版社，19986 清华大学电子学教研组编.与孟尝主编.数字电子技术基础简明教程 3版本.北京：高等教育出版社，20107 童诗白，于振英.现代电子学及应用.北京：高等教育出版社，1999附录1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究 3. 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