基于STM32的數字示波器設計與實(shí)現

摘要：為實(shí)現一個(gè)高采樣率，寬頻帶的便攜式數字存儲示波器，設計了以STM32為控制核心的數字示波器。硬件平臺主要采用了AD8260數字程控增益放大器作為前端信號調理電路，ADS830高速寬帶模數轉換器和IDT7204高速緩存作為數字采集電路，以及信號波形采用了TFT彩屏顯示。另外，通過(guò)采用數字內插的數字信號處理算法來(lái)重建和還原信號波形，進(jìn)而改善了信號波形顯示細節。最后對研制樣品進(jìn)行了實(shí)驗室測試，實(shí)驗結果表明硬件設計思路與軟件及算法的處理是正確的，性能參數達到設計要求，可以應用在工程實(shí)踐中。
關(guān)鍵詞：數字示波器；STM32；數字內插

0 引言
隨著(zhù)集成電路的發(fā)展和數字信號處理技術(shù)的采用，數字示波器已成為集顯示、測量、運算、分析、記錄等各種功能于一體的智能化測量?jì)x器。數字示波器在性能上也逐漸超越模擬示波器，并有取而代之的趨勢。與模擬示波器相比，數字示波器不僅具有可存儲波形、體積小、功耗低，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有強大的信號實(shí)時(shí)處理分析功能。因此，數字示波器的使用越來(lái)越廣泛。目前我國國內自主研發(fā)的高性能數字示波器還是比較少，廣泛使用的仍是國外產(chǎn)品。因此，有必要對高性能數字示波器進(jìn)行廣泛和深入研究。本文通過(guò)采用高速高性能器件，設計了一實(shí)時(shí)采樣率為60 Msa／s的寬帶數字示波器。

1 數字示波器的性能參數設計
數字存儲示波器的指標很多，包括采樣率、帶寬、靈敏度、通道數、存儲容量、掃描時(shí)間和最大輸入電壓等。其中關(guān)鍵的技術(shù)指標主要有采樣率、垂直靈敏度(分辨率)、水平掃描速度(分辨率)。這幾項指標直接與所選A／D、FIFO和高速運放器件的性能，以及電路設計有關(guān)。下面根據所選器件的性能參數，合理地分析和確定示波器的采樣率和分辨率。
1．1 采樣率與水平掃描分辨率
采樣率主要取決于A(yíng)／D轉換器的轉換速率，常用每秒取樣點(diǎn)數Sa／s(sample／second)來(lái)表示。本系統設計最高實(shí)時(shí)采樣率為60MSa／ s，若進(jìn)一步提高采樣率可采用文獻提出的等效采樣技術(shù)，不過(guò)等效采樣技術(shù)的軟硬件和價(jià)格成本很高。為了使示波器具有較高的信號波形分析細節，采用數字內插技術(shù)來(lái)恢復和重建信號波形。文獻中詳細論述了線(xiàn)性?xún)炔搴驼覂炔逅惴ㄔ谑?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/波器設計">波器設計中的應用問(wèn)題。因此，對這兩種內插算法不再詳細論述，在本文設計中直接引用文獻中的研究成果。根據文獻研究結果，取信號每周期采樣點(diǎn)數為20，插值倍數為4。水平顯示像素點(diǎn)數為400個(gè)，共10格。水平掃速與采樣時(shí)鐘頻率的關(guān)系表如下。

1．2 垂直靈敏度
垂直分辨率的高低直接影響數字示波器對波形細節的顯示，垂直分辨率越高，則示波器上的信號波形細節越小，它取決于A(yíng)／D轉換精度和TFT的顯示分辨率。本文設計中取最大采樣輸入電壓為2 Vpp，垂直刻度為8格，共256個(gè)像素點(diǎn)，因此垂直精度為0．25 V／格。共設計9個(gè)靈敏度檔位，每檔靈敏度與程控放大倍數的關(guān)系如表2所示。