基于stm32的數字示波器設計方案

　　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/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谑静ㄆ髟O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/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。

　　2 數字示波器的硬件設計

　　2.1 系統硬件總體框圖

　　系統硬件總體框圖如圖1所示，主要由stm32控制單元，信號輸入阻抗匹配單元，信號調理單元，a/d采樣與fifo存儲單元，時(shí)鐘單元，tft顯示單元等組成。輸入信號經(jīng)阻抗匹配后，送入信號調理單元，將信號的幅度放大或衰減到適合a/d采樣的范圍內，a/d采樣單元對幅度為2vpp的信號進(jìn)行a/d采樣，并將采樣結果存入fifo單元中。cpu從fifo中讀存數據并進(jìn)行內插運算，然后根據用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)輸入的指令將信號波形顯示在tft液晶屏上。另外，cpu還可以將數據通過(guò)rs232接口上傳給上位機，或進(jìn)行打印等處理。

　　2.2 輸入阻抗匹配電路

　　對于低速數據采集，由于信號反射對信號的傳輸過(guò)程影響微乎其微，所以低速數據采集系統良好的高阻抗性能，對提高系統的測量精確度有很大的意義。本設計中采用電壓跟隨器實(shí)現阻抗變換，數據采集阻抗變換電路的設計方案如圖2所示，其輸入阻抗為10mω。

　　2.3 信號調理電路

　　信號調理電路主要采用具有可變增益的數字程控放大器ad8260。ad8260是ad公司生產(chǎn)的一款大電流驅動(dòng)器及低噪聲數字可編程可變增益放大器。該器件增益調節范圍為-6 db～+24 db，可調增益的-3 db帶寬為230mhz，可采取單電源或雙電源供電。主要用于數字控制自動(dòng)增益系統、收發(fā)信號處理等領(lǐng)域。本設計主要使用其數字控制自動(dòng)增益功能。ad8260內部的數字程控增益功能框圖如圖3所示。經(jīng)阻抗匹配后的信號可直接輸入ad8260的17、18腳，經(jīng)ad8260內部前端放大器6 db的固定增益放大，-30 db程控衰減以及末級放大器18 db固定增益放大后，由7和8腳輸出。第11、12、13、14腳為四位數字控制信號(d0、d1、d2、d3)，與stm32的i/o口直接連接，實(shí)現增益控制。表3給出了ad8260增益調節真值表。

　　2.4 a/d和fifo電路

　　在數據采集電路設計中，選用bb公司的8位高速ad轉換器ads830e，最高采樣頻率為60 msa/s，最低采樣頻率為10 ksa/s。8位轉換精度的顯示分辨率為256格，能夠滿(mǎn)足所選用分辨率為640*480的tft顯示模塊。fifo存儲器采用idt7204高速緩存，其緩存深度達1 024 k。fifo存儲器是一種雙口的sram，沒(méi)有地址線(xiàn)，隨著(zhù)寫(xiě)入或讀取信號對數據地址指針進(jìn)行遞加或遞減，來(lái)實(shí)現尋址。

　　2.5 時(shí)鐘電路

　　時(shí)鐘產(chǎn)生電路為ad轉換器提供一系列的采樣時(shí)鐘信號，共有8種頻率，分別對應著(zhù)不同的水平掃速。時(shí)鐘產(chǎn)生電路主要由高穩定度的溫補晶振，分頻器74ls390，多路選擇器74f151以及分頻器74f74觸發(fā)器構成?；鶞蕰r(shí)鐘信號由一塊60 mhz的溫度補償型有源晶體模塊提供，輸出的60 mhz信號經(jīng)過(guò)分頻器的多次分頻得到8種不同的頻率，然后送入多路選擇器74f151。stm32通過(guò)對74f151的三根選通信號線(xiàn)進(jìn)行控制來(lái)選擇所需的采樣頻率。另外，中央控制器采用stm32處理器，主頻設為80 mhz。顯示器采用分辨率為640*480的tft顯示模塊，與stm32之間采用spi接口。與其它上位機通信采用rs232口。

　　3 系統軟件設計

　　系統軟件設計采用模塊化設計方法，整個(gè)程序主要由初始化程序、人機交互菜單程序、鍵盤(pán)掃描程序、觸發(fā)程序、顯示程序和數據采集及頻率控制程序組成。系統軟件的流程圖如圖4所示。

　　4 實(shí)驗測試

　　在實(shí)驗室對研制的樣品機進(jìn)行了測試實(shí)驗，圖5和圖6分別顯示了頻率為16.2 khz和1 khz的方波信號。由測試數據分析可得：垂直靈敏度滿(mǎn)足要求，電壓測量誤差≤5%，輸入端輸入阻抗大于2 mω，實(shí)驗結果達到了設計要求。

　　5 小結

　　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。

　　數字示波器在信號顯示，處理以及帶寬等方面比傳統模擬示波器更有優(yōu)勢，因此數字示波器是今后示波器發(fā)展的重要方向。本文采用stm32高性能arm處理器作為核心控制芯片，能夠滿(mǎn)足tft彩色波形顯示，數字插值算法處理等。通過(guò)采用高速ad和fifo器件，實(shí)現了高采樣率，寬頻帶的技術(shù)要求。