基于STM32的便携式数字示波器的制作方法

本实用新型涉及电子仪器技术领域，尤其涉及基于STM32的便携式数字示波器。

背景技术：

示波器是电子实验室日常使用频率最高的三种仪器之一。

20 世纪 30～50 年代是电子管示波器阶段。到1958 年示波器带宽达到 100 MHz 后便长期停滞不前。20 世纪 60 年代是集成化示波器阶段。集成电路技术为示波器的小型化和向高性能、高可靠发展创造条件。1972 年，第一台数字存储示波器诞生，它对示波器的发展产生了重大的影响。

80 年代以来，数字存储示波器异军突起，成果累累，大有全面取代模拟示波器的势头。现代示波器具有数字存储、数据处理、光标测量和 CRT 读出等多种功能，借助于总线与主控电子计算机联网。本次设计的示波器与数值频率计、数字电压表等数字化仪器，本次示波器还具备测量、显示、存储、比较、光标数字读出、计算、程控、接口连接等许多重要功能。

传统的模拟示波器采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪）电子枪向屏幕发射电子,发射的电子经聚焦形成电子束,并打到屏幕上。屏幕的内表面涂有荧光物质,这样电子束打中的点就会发出光来。这种示波器虽然其实时性很好，但带宽不是很高，目前最高的就1G带宽，而且功能单一，操作复杂，不能连接电脑形成系统化测试，提高测试效率，也不能进行复杂的数学运算如FFT。

市场上的示波器不仅价格昂贵，还存在体积较大、功耗较高、使用不方便等问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提出一种性能好、环境适应性强、体积小、重量轻、易携带且价格合理、成本低的实验平台。即基于STM32的便携式数字示波器。

这实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

基于STM32的便携式数字示波器，包括壳体，还包括壳体内设置的PCB板，以及壳体上设置的电容触摸屏；PCB板上设置有示波器系统，并连接电容触摸屏。

该实用新型创新点在于，PCB板上提供了一种全新的数字示波器硬件电路，包括信号调理、信号采样、频率测量和波形显示等。

在上述的基于STM32的便携式数字示波器，PCB板上的核心控制器采用意法半导体（ST）公司的STM32F407ZET6芯片，基于ARM公司cortex-M4内核，用于数字信号的运算和处理、逻辑运算以及人机交互界面的控制。使用信号调理电路之后通过外部高速AD采样，利用Cortex-M4内核的独特的浮点运算单元（FPU）进行运算，分析、处理数据，存储数据，最终将在 TFT 触摸屏上面显示。

在上述的基于STM32的便携式数字示波器，示波器系统包括输入信号模块、阻抗变换模块、信号调理模块、ADS805采样模块、FIFO存储器模块、PWM时钟模块、频率测量模块、控制模块、显示模块、SD卡存储模块、锂电池供电模块以及STM32模块；输入信号模块的输出与阻抗变换模块的输入相连，阻抗变换模块的输出与信号调理模块的输入相连，前级信号调理模块的输出与ADS805采样模块的输入和频率测量模块的输入相连，STM32模块与前级信号调理模块的控制输入相连，ADS805采样模块的输出与FIFO存储器模块的输入相连，PWM时钟模块分别与ADS805采样模块和FIFO存储器模块相连，FIFO存储器模块的输出、频率测量模块的输出、SD卡存储模块的输入、控制模块的输入、显示模块的输入分别与STM32模块相连。

在上述的基于STM32的便携式数字示波器，阻抗变换模块采用电压跟随器电路，增大输入阻抗和减小输出阻抗，实现对微弱信号的无衰减的传输；信号调理模块采用三级放大加抗混叠滤波器的形式，前后两级采用继电器切换运放反馈电阻的形式，中间采用压控芯片VCA810，后级固定放大倍数，STM32控制输出电压控制放大倍数，抗混叠低通滤波模块采用7阶无源巴特沃斯低通滤波器，其截止频率为10MHz。

在上述的基于STM32的便携式数字示波器，所述 ADS805采样模块采用A/D接口的高速差分运放THS4151提供2.5V的偏置电压； ADS805采样模块的输出和FIFO存储器模块的输入相连，它一方面需要高速存储AD 转换器的转换结果，同时还作为STM32进行处理和波形显示的数据来源。FIFO存储器采用高速缓冲器IDT7204。ADS805采样模块的采样时钟和FIFO存储器模块的控制时钟由STM32通过PWM模块提供。

在上述的基于STM32的便携式数字示波器，频率测量模块采用等精度测频原理，实现低频信号和高频信号的精确测量。其中低频信号采用低频比较器LM311，高频信号采用高频比较器TL3016。

在上述的基于STM32的便携式数字示波器，锂电池供电模块采用目前市场上性价比最高的18650电池，容量为2200mAh，并可循环充电；采用德州仪器（TI）的电源升压芯片TPS60140以及负电压转换芯片ILM2662得到+5V和-5V；采用稳压芯片LM1117得到STM32正常工作需要的3.3V电压。

在上述的基于STM32的便携式数字示波器，所述SD卡存储模块采用通用SD卡（Secure Digital Memory Card），利用STM32自带的SPI接口，最大通信速度可达18Mbps，每秒可传输2M字节以上；SD卡模块能实现对波形的存储，可以随时调出查看。

在上述的基于STM32的便携式数字示波器，电容触摸屏采用TFTLCD 电容式触摸屏，分辨率为 800*480。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的示波器具有对频率10Hz~5MHz、峰值为2mV~8V信号的测量和显示、波形平移、存储/回放、测频、测幅等功能。采用STM32作为核心控制器，能同时完成测频、测幅、波形显示等多个任务，为电子教学和各种实验活动提供了便利的条件。该便携式数字示波器具有性能好、价格低、适应环境能力强、体积小、重量轻、易携带等特点。

附图说明

图1 为本实用新型一个实施例的系统框图；

图2 为本实用新型一个实施例的阻抗变换电路图；

图3 为本实用新型一个实施例的信号调理模块电路图；

图4 为本实用新型一个实施例的抗混叠滤波器电路图；

图5 为本实用新型一个实施例的ADS805采样模块电路图；

图6 为本实用新型一个实施例的测频模块比较器电路图；

图7 为本实用新型一个实施例的锂电池升压电路图；

图8 为本实用新型一个实施例的负电压转换电路图；

图9 为本实用新型一个实施例的SD卡存储模块电路图。

具体实施方式

本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施例采用如下技术方案：基于STM32的便携式数字示波器，包括壳体，还包括壳体内设置的PCB板，以及壳体上设置的电容触摸屏；PCB板上设置有示波器系统，示波器系统连接电容触摸屏。

进一步，PCB板上的核心控制器采用意法半导体（ST）公司的STM32F407ZET6芯片，基于ARM公司cortex-M4内核，用于数字信号的运算和处理、逻辑运算以及人机交互界面的控制。

进一步，示波器系统包括输入信号模块、阻抗变换模块、信号调理模块、ADS805采样模块、FIFO存储器模块、PWM时钟模块、频率测量模块、控制模块、显示模块、锂电池供电模块以及STM32模块；输入信号模块的输出与阻抗变换模块的输入相连，阻抗变换模块的输出与信号调理模块的输入相连，前级信号调理模块的输出与ADS805采样模块的输入和频率测量模块的输入相连，STM32模块与前级信号调理模块的控制输入相连，ADS805采样模块的输出与FIFO存储器模块的输入相连，PWM时钟模块分别与ADS805采样模块和FIFO存储器模块相连，FIFO存储器模块的输出、频率测量模块和控制与显示模块分别与STM32模块的相连。

进一步，阻抗变换模块采用电压跟随器电路，增大输入阻抗和减小输出阻抗，实现对微弱信号的无衰减的传输；信号调理模块采用三级放大加抗混叠滤波器的形式，前后两级采用继电器切换运放反馈电阻的形式，中间采用压控芯片VCA810，STM32输出电压控制放大倍数，后级固定放大倍数；抗混叠滤波器采用7阶巴特沃斯低通滤波器，其截止频率为10MHz；

进一步，ADS805采样模块采用具有A/D接口的高速差分运放THS4151提供2.5V的偏置电压；触DS805采样模块的输出和FIFO存储器模块的输入相连，它一方面需要高速存储AD 转换器的转换结果，同时还作为STM32进行处理和波形显示的数据来源。FIFO存储器采用高速缓冲器IDT7204。ADS805采样模块的采样时钟和FIFO存储器模块的控制时钟由STM32通过PWM模块提供。进一步，频率测量模块采用等精度测频原理，实现低频信号和高频信号的精确测量。

进一步，锂电池供电模块采用目前市场上性价比最高的18650电池，容量为2200mAh，并可循环充电；采用德州仪器（TI）的电源升压芯片TPS60140以及负电压转换芯片ILM2662得到+5V和-5V；采用稳压芯片LM1117得到STM32正常工作需要的3.3V电压。

进一步，SD卡存储模块采用通用SD卡（Secure Digital Memory Card），利用STM32自带的SPI接口，最大通信速度可达18Mbps，每秒可传输2M字节以上；SD卡模块能实现对波形的存储，可以随时调出查看。

更进一步，电容触摸屏采用TFTLCD 电容式触摸屏，分辨率为 800*480。

具体实施时，基于STM32的便携式数字示波器，如图1所示，示波器由一块PCB板、一块锂电池、一块高清触摸屏组成，合起来体积只有一般信号源的一半不到，重量只有一般信号源的1/4不到，价格只有一般信号源的一半，性能可以达到一般实验场所的要求。

示波器还包括用于示波器的阻抗转换模块，用于示波器的信号调理模块，用于示波器的ADS805采样模块，用于示波器的FIFO存储器模块，用于示波器的频率测量模块，用于示波器的PWM时钟模块，用于示波器的采样数据存储模块，用于整个系统的控制与显示模块以及锂电池供电模块。

在示波器中，输入信号模块的输出与阻抗变换模块的输入相连，阻抗变换模块的输出与信号调理模块的输入相连，前级信号调理模块的输出与ADS805采样模块的输入和频率测量模块的输入相连，STM32模块与前级信号调理模块的控制输入相连，ADS805采样模块的输出与FIFO存储器模块的输入相连，FIFO存储器模块的输出、频率测量模块的输出和控制与显示模块的输出分别与STM32相连。

示波器的阻抗变换模块用来对输入信号进行阻抗匹配与隔离。

信号调理模块用来将输入信号放大或衰减到ADS805采样模块所能接受的输入电压的范围。信号调理模块由前级固定放大模块、压控放大模块、后级固定放大模块和抗混叠滤波器组成，四者依次级联，共组合产生需要的多种放大倍数。其中，抗混叠滤波器采用七阶巴特沃斯低通滤波器，用来滤除输入信号的高频噪声，把混叠频率分量降低到微不足道的程度，使ADS805采样模块采得的电压更加精确。

示波器的测频模块用来准确测得输入信号的频率，以在使用“Auto”功能的情况下自动确定所用的采样频率。测频首先通过高频和低频比较器相结合的方式将输入的波形整形成方波，再将其送到STM32中进行测频。为了加大比较器抗干扰的能力，电路中采用了滞回比较的方法。测频采用等精度测频原理，实现了低频信号和高频信号都能够精确测量。

示波器的ADS805采样模块用来采集输入电压信号的幅值。利用ADS805芯片的内部2.5V REF，可以提供±2V的信号差分输入范围。为了避免前级电路对偏置电压的影响，需要在前级信号中提供相同的直流偏置。

示波器的触发信号产生模块用来产生触发信号使示波器显示的波形稳定，即显示的波形数据都是从任意电压周期的同一个位置开始的。触发信号产生模块和短时间测量模块一起为采样数据存储模块提供此时刻所采电压值在波形重构模块中的地址值。触发信号采用内部触发且是上升沿触发，触发电平可调。

示波器的短时间测量模块用来测量采样时钟和触发信号之间的时间差，以此来确定本次采样的数据是否有效，若有效又应该存储在采样数据存储模块中的哪一个位置。因为该示波器采用随机等效采样算法，所以短时间测量模块的地位至关重要。

显示与控制模块用来进行人互，完成显示和控制的功能，其由STM32和TFTLCD 电容式触摸屏组成，并用STM32的FSMC功能灵活地控制电容触摸屏的显示。

而且，示波器的前级信号调理模块采用三级放大的形式，前后两级采用继电器切换运放反馈电阻的形式，中间采用压控芯片VCA810，STM32控制DA芯片TLV5616输出控制电压产生需要的多种放大倍数。

而且，示波器的第二无源低通滤波模块采用7阶巴特沃斯低通滤波器，其截止频率为10MHz。

而且，示波器的测频模块为了提高比较器的抗干扰能力，信号在进入比较器之前用德州仪器（TI）生产的宽带高增益电压钳位运放OPA699饱和放大以提高其边沿斜率，同时为了避免方波信号频率较高时对电路的干扰，高频比较器TL3116的输出经过四分频。然后将比较器输出信号经过一个非门进入STM32。

而且，示波器的ADS805采样模块采用可以直接提供偏置的适于同A/D接口的高速差分运放THS4151提供2.5V的偏置电压。

而且，示波器的触发信号产生模块采用软件触发。在STM32的触发电平寄存器中设置比较电平的数字值，将两次A/D采样值同这个值比较，当满足第一次的采样值小于第二次的采样值并且第二次的采样值和比较电平的数字值相接近时产生触发信号。这种方案结构简单，不需要额外的外围芯片，设置和调节方便，容易做到较高精度。

而且，示波器的短时间测量模块采用游标卡尺法。用STM32中的一个定时器来完成采样时钟和系统时钟的频率关系31:30的功能。当系统进入等效采样时，采样时钟始终保持一个固定的频率，比如5MHz。同时利用计数器对两个等相位点之间的采样时钟进行计数，当到达等相位点时清零计数器。触发信号到来时，采样数据存储模块从短时间测量模块中读出计数器的值，以此得知采样时钟相对于触发信号的时间间隔。

而且，STM32芯片是采用意法半导体（ST）公司的STM32F407ZET6芯片，并且，片内嵌入了浮点运算单元（FPU）。

而且，显示屏采用TFTLCD 电容式触摸屏，分辨率为 800*480。

为了方便本领域普通技术人员理解和实施，下面结合附图作详细说明。

便携式数字示波器的具体实施方式：

（1）阻抗变换模块的具体实现：

由于衰减器的输入阻抗并不高，而且在示波器的整个频带范围内衰减分压比是线性的，所以当示波器测量电路中接入某一信号时，示波器对于被测线路来说实际上成为了一个负载，这就有可能对原电路的正常工作造成影响，导致示波器检测到的信号出现偏差。阻抗变换电路就是为了决绝这个问题而设计的。

本设计中使用了德州仪器（TI）集成运放OPA656来完成阻抗变换功能，它是一个具有超宽频带且增益稳定的电压反馈型的运算放大器，单位增益稳定。它的输入阻抗极高，能达到500G，带宽为500MHz，从而保证了输入信号经过电压跟随器之后没有明显波形失真。

使用电压跟随器的阻抗变换电路有如下好处：①可以使衰减电路后电路达到高输入阻抗的要求；②可以增强已衰减信号的信号驱动能力，并且对前后级电路起到了隔离作用，使其能被后级电路做进一步处理。其电路原理图如图2所示。

（2）信号调理模块的具体实现：

信号调理模块包括信号调理电路和抗混叠滤波器。

如图3所示，信号调理模块采用三级放大的形式，前后两级采用继电器切换运放反馈电阻的形式，中间采用压控芯片VCA810，组合产生需要的多种放大倍数，后级放大的输出连接抗混叠滤波器。

根据香浓采样定理，采样频率应该不小于模拟信号频谱中最高频率的 2 倍,即采样频率 f2≥2f1(被测信号的最高频率)，才能将离散化的信号不失真地还原为模拟信号。如果被测信号过高，模拟信号中的高频信号折叠到低频段，出现虚假频率成分的现象称之为混叠。带宽越大，就能采样到更高频率的信号，但是，带宽过大会导致被测信号中的高频分量也会窜入模拟通道进入 ADC 进行采样，这样就会产生频谱混叠的情况，导致后向通道不能准确的还原被测信号。因此抗混叠滤波的主要作用就是消除高频干扰信号。

如图4所示，抗混叠滤波器采用七阶无源巴特沃斯低通滤波器，截止频率为10M。抗混叠滤波器的输出即为信号调理模块的输出，连接ADS805采样模块和频率侧量模块的输入。

（3）ADS805采样模块的具体实现：

如图5所示，ADS805采样模块中，采用模数转换芯片ADS805实现AD采样。ADS805是德州仪器（TI）生产的12位并口高速模数转换器，最高采样率为20MHz。

信号进入ADS805之前都要进行相应的处理，以使信号满足ADS805采样的输入范围和偏置要求，我们采用芯片的内部2.5V REF，可以提供±2V的信号差分输入范围。为了避免前级电路对偏置电压的影响，需要在前级信号中提供相同的直流偏置。本实施例中采用可以适于同A/D接口的高速差分运放THS4151直接提供偏置。

（4）频率测量模块的具体实现：

如图6所示，为了使STM32能够进行等精度测频，要首先把输入信号用比较器整形成方波。本系统比较器模块采用高低频信号分开处理比较的方案。为了提高比较器的抗干扰能力，信号在进入比较器之前用运放饱和放大以提高其边沿斜率，同时为了避免方波信号频率较高时对电路的干扰，高频比较器TL3116的输出经过四分频。然后将比较器输出信号经过一个非门进入STM32。

（5）FIFO存储器模块的具体实现：

数据缓存器件在本系统中具有非常重要的作用，它一方面需要高速存储AD 转换器的转换结果，同时还作为STM32进行处理和波形显示的数据来源。目前市场上的存储器有很多种，比如静态 RAM、动态 RAM、双端口 RAM， FIFO 等。但是，在高速数据采集系统中，人们通常选用双端口 RAM 或者 FIFO RAM 作为系统的缓冲器件。

虽然STM32主频最高高达72MHz，但是在程序里对A/D转换器采集回来的数据的处理速度实际上是比不上ADS805的采样频率的，所以为了缓冲高速数据，中间加入高速缓存器IDT7204。IDT7204系列是 IDT 公司新推出的 FIFO 存储器芯片，它具有双端口输入输出、采集传送速度快和先进先出的特点，能满足高速数据传输的要求。IDT7204是双口的SRAM，FIFO存储器，工作方式是不依靠地址线，随着写入或读取信号来对数据指针进行递加或递减，来实现对数据的寻址。这里用到了它的“数据满标志FF”，当微处理器STM32读取FF标志，如果为低电平，证明FIFO存储器已经读取了4096个ADS830的数据，然后暂停对A/D转换器数据的读取。微处理器STM32处理当前存储区的数据；等待出来完毕，再次让IDT7204读取ADS805的数据，如此循环即可得到当前示波器输入信号的完整波形数据。

STM32的高级定时器可输出高达12MHz的时钟，可以作为高速ADS805采样模块的采样时钟和FIFO存储器模块的控制时钟，从而避免了一大堆由有源晶振和数字芯片组成的时钟电路。ADS805开始对输入信号进行模数转换，同时转换输出的数字信号保存到相应FIFO中。FIFO 存满时，STM32通过DMA 通道将多路FIFO 中的数据依次存放到SRAM 中的固定地址区域。

AD9224 输出12 位，而IDT7204 输入9 位，因此在ADC 数据输出和FIFO 存储接口设计上采用2 片IDT7204 进行字长扩展。

（6）锂电池供电模块的具体实现：

锂电池供电模块采用目前市场上性价比最高的18650电池，容量2200mAh，并可循环充电；采用德州仪器（TI）的电源升压芯片TPS60140以及负电压转换芯片ILM2662得到+5V和-5V；采用稳压芯片LM1117得到STM32正常工作需要的3.3V电压。

图7为锂电池升压电路图。

图8为负电压转换电路图。

（7）SD卡存储模块的具体实现：

SD卡存储模块采用通用SD卡（Secure Digital Memory Card），利用STM32自带的SPI接口，最大通信速度可达18Mbps，每秒可传输2M字节以上；SD卡模块能实现对波形的存储，可以随时调出查看。SD卡与STM32的电路如图9所示，其中，SDIO_D0、SDIO_D1、SDIO_D2、SDIO_D3、SDIO_SCK、SDIO_CMD分别STM32的SDIO接口相连接。

SD卡的通信模式有SD卡模式和SPI模式两种，主机可以选择两种模式中的任意一种来与SD卡进行通信。

（8）显示模块的具体实现：

在本设计中选用的是480×800点阵的7寸真彩色液晶显示屏（也叫TFT彩屏），其内置SSD1963控制器，能实现262k种颜色的显示。由于本系统的微处理器是STM32，其内部带有FSMC（可变静态存储控制器）这一新型的存储器扩展技术，在外部存储器扩展方面具有独特的优势，能快速刷新该TFT彩屏，所以，在这里，微处理器与液晶的连接方式接成FSMC模式，16个并行数据端口相连，5个控制端口用于驱动液晶，如此的FSMC驱动模式可使得微处理器STM32能够快速地刷新要显示的波形和相关显示数据。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分以及涉及到的方法均属于现有技术；本实用新型是针对硬件的创新与保护。

虽然以上结合附图描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。