簡易混合信號示波器.doc

簡易混合信號示波器摘要：本設計以STM32F103ZE為核心處理器件，綜合ADC、DMA、DAC、TIM等，完成對信號的整形與觸發(fā)、調理與放大、采樣與保持、A/D、D/A轉換、存儲及數據處理，最終通過TFT液晶屏幕實現對模擬信號以及數字信號波形的顯示。對整個系統(tǒng)采用模塊化的設計思想，本文詳細介紹了電源模塊、DDS信號發(fā)生模塊、信號處理模塊、按鍵模塊、STM32F103ZE控制運算模塊、液晶顯示模塊電路以及系統(tǒng)擴展所需的其它一些外圍電路的設計，軟件方面則以硬件電路為基礎，并考慮到可能存在的各種干擾因素，采用軟硬件相結合的方法，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度。關鍵詞：示波器，STM32F103ZE，DDS信號發(fā)生目錄摘要1目錄2引言31 方案設計31.1 控制系統(tǒng)方案的比較31.2 理論分析與計算31.3 系統(tǒng)結構框圖41.4 電源模塊41.5 信號產生模塊51.6 信號處理模塊61.7 按鍵模塊71.8 顯示模塊72 軟件設計82.1 開發(fā)環(huán)境82.2 軟件流程圖83 設計實現93.1 出現的問題以及解決方法94 測試94.1 測試儀器94.2 測試過程94.3 測試結果105 結論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，每個電子開發(fā)者都希望能擁有一臺示波器，可以幫助他們看是波形的實際情況，了解電路性能。題目要求設計并制作一臺簡易混合信號示波器（MSO），本次設計采用由電源模塊、DDS信號發(fā)生模塊、信號處理模塊、按鍵模塊、STM32F103ZE控制運算模塊以及液晶顯示模塊組成的一個完整系統(tǒng)，結合軟件完成一系列的功能，相比如今市場上的示波器，具有攜帶方便、操作簡單、制作成本低、處理速度更快的特點。2 方案設計2.1 控制系統(tǒng)方案的比較方案一：采用單片機作為核心控制器件。即由單片機、A/D轉換器、D/A轉換器及RAM存儲器等組成系統(tǒng)。若采用該方案，則單片機不僅要對數據進行處理，而且還要完成復雜的時序控制，但單片機對數據的處理速度較低，并且試題要求的被測信號頻率最高達到500KHz(發(fā)揮部分5MHz)，因此該方案難以達到設計要求，不予選取。方案二：采用DSP為核心處理器件。即由DSP來控制各個部分協調工作，完成對數據的采集到最終波形的顯示，但考慮到DSP造價高于ARM，并且對小信號的采集，如果用DSP芯片會有很多的限制，給設計增加難度，因此不予選取。方案三：采用STM32F103ZE作為核心控制器件，即用其來控制數據采集、A/D轉換、數據存儲、D/A轉換及顯示等各個部分。STM32F103ZE功能強大，采用這種方案的系統(tǒng)結構緊湊，可以實現復雜的時序控制，操作方便，而且數據處理速度很快，可以滿足試題的所有要求。此外，還可充分利用STM32F103ZE片內資源來進行LPM參數化宏模塊的定制，如RAM、ROM、PLL等，實現更多的功能。故本次選用方案三。2.2 理論分析與計算（1）等效采樣分析由于周期信號在各周期內的波形完全相同，可以在各周期內的不同時刻分別采集數據，然后將采集的數據合成完整的采樣波形。設第一次的采樣時刻為周期原點，第二個周期到來后延時t后再進行第二次采樣，第三次采樣則是在第三個周期到來后再延時2t的時刻，以此類推。將采集到的數據以間隔t順序排列（如圖1所示），即可恢復信號波形。等效采樣速率fs=1/t，而實際的采樣頻率fs=1/(T+t)，由于tfs。因此，等效采樣技術可以用較低速的A/D實現對高頻周期信號的采樣。圖1 等效采樣說明圖為了進一步減小實際的采樣頻率，可每隔nT+t的時間間隔對輸入信號采樣一次。在此，我們取n=20，則當輸入信號頻率達到5MHz時，實際采樣頻率約為5MHz/20=250kHz。（2）垂直靈敏度垂直靈敏度有四檔指標要求：0.05V/div、0.5V/div、1V/div和2V/div，為此必須在前端設計一個有四種增益的放大電路。A/D轉換器TLC5510的基準電壓為2V，D/A轉換器TLC7528的基準電壓為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，對應為5V，即0.625/div，而信號經過D/A和A/D后又被放大了2.5倍，由此計算四檔垂直靈敏度對應的放大倍數如表1.1所示。表1.1 垂直靈敏度與放大倍數的關系垂直靈敏度0.05V/div0.5V/div1V/div2V/div20V/div放大倍數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/div，則水平共顯示20點/div10div = 200個點。假設掃描速度為s，采樣頻率為f，則f = n/s，由此得到設計要求的四檔掃描速度所對應的采樣頻率如表1.2所示。表1.2 掃描速度與采樣頻率的關系掃描速度1ms/div0.1ms/div10us/div1us/div采樣頻率20KHz200MHz2MHz20MHz當掃描速度在1ms/div、0.1ms/div和10us/div檔時采用實時采樣方式進行采樣，當掃描速度在1us/div檔時采用等效采樣方式2.3 系統(tǒng)結構框圖 簡易混合信號示波器結構框圖如圖2所示，以模塊化的設計思想完成對整個系統(tǒng)的控制，后面將逐一介紹各個模塊的處理框圖以及工作原理。圖2 系統(tǒng)結構框圖2.4 電源?？靾D3 電源模塊組成框圖方案一：如圖3所示，變壓器將電網220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，由整流電路，利用單向導電元件，把50Hz的正弦交流電變換成脈動的直流電，再經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，經過穩(wěn)壓電路，得到穩(wěn)定的電壓，不僅簡化了電路，而且攜帶更加方便，因此選用該方案。2.5 信號產生模塊圖5 信號產生原理圖方案一：如圖5所示，U401是由Ha741所構成的文氏振蕩器，運放的負端到地可調電位器VR401，因此運算放大器的增益可調，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。圖6 信號產生原理圖方案二：AD9850內含可編程DDS 系統(tǒng)和高速比較器，可實現全數字編程控制的頻率合成（如圖6所示）?？删幊藾DS系統(tǒng)的核心是相位累加器，由一個加法器和一個N位相位寄存器組成。每來一個外部參考時鐘，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正弦波周期的數字幅度信息，每一個地址對應正弦波中0360范圍的一個相位點。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號，然后驅動DAC 輸出模擬量。相位寄存器每過2N/ M 個外部參考時鐘后返回到初始狀態(tài)一次，相應地正弦查詢表每經過一個循環(huán)也回到初始位置，從而使整個DDS 系統(tǒng)輸出一個正弦波。輸出的正弦波頻率fout = M*fc/ 2的N次方（fc 為外部參考時鐘頻率）。雖然方案一可以產生正弦波，但由于振蕩頻率取決于R和C，其電路產生的頻率不會太高，不能達到試題要求的500KHZ（發(fā)揮部分5MHZ ）,但方案二可以完好的實現試題的全部要求，因此選則方案二。2.6 信號處理模塊圖7 信號處理框圖如圖7所示模擬信號經過信號放大器后，通過增益的選擇，電壓跟隨器以及觸發(fā)電平的控制最終進入STM32F103ZE進行信號的處理，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直流分量去除（AC耦合），之后進入零點限幅電路將零點附近噪音信號去除（為了使后級過零比較器穩(wěn)定檢出頻率），最后進入過零比較器檢測出信號周期信號，這個信號被送入STM32的定時器捕獲端口進行計數，在單位時間內的計數值便是頻率。圖8 信號處理原理圖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的方式。方案二：如圖10所示，在圖9電路的基礎上并聯一個0.1uf的電容，運用電容放電延時的特性消除抖動，同時還可以結合軟件更好的去抖，并且本次設計的精密度很高，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分時復用的方式。當顯示SRAM1中所存數據時，下一次將要顯示的數據可以事先存入SRAM2中，當前顯示完成后，SRAM2中的數據就可以送去繼續(xù)顯示，而SRAM1將為下一次顯示數據做準備。實際控制中，DSP處理器發(fā)出一選擇信號，選擇控制顯示哪一片SRAM的數據，根據這個選擇信號來控制兩片SRAM的讀寫使能以及地址線。例如顯示SRAM1中數據，SRAM2負責存入數據時，SRAM1設置成讀使能有效，寫使能無效，地址線指向顯示數據區(qū)的首地址；SRAM2設置為讀使能無效，寫使能有效，地址線指著將要寫入SRAM2那塊數據區(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驅動程序會自動檢測LCD驅芯片的型號。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，因此實際驅動LCD只用到了16位色。綜合考慮產品的成本、萬用板的尺寸以及總體設計方案，最終選擇了方案2這一設計思路，不僅降低了控制的復雜度，同時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，具有良好的社會效益和經濟。 3 軟件設計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為基準設計編寫。本次設計采用KEIL uVision V4.13編寫程序。3.2 軟件流程圖 圖11 軟件流程圖用簡單明了的軟件流程圖，指導編寫程序，根據流程圖逐步完成對整個硬件系統(tǒng)的控制，不僅使編寫思路清晰，而且在設計實現的檢測過程中更容易找出錯誤與不良，因為可以將程序根據流程圖劃分為局部與整體的關系，可以先檢查局部程序，繼而完成對整體的檢測，而不用從頭到尾，一行行的檢查程序。4 設計實現4.1 出現的問題以及解決方法（1）信號干擾問題：在組合好整個設計后，發(fā)現即使不輸入信號，在液晶上也會顯示一定的波形。解決方案：通過實驗后，首先確定了不是軟件的問題，其次硬件的連接與導通都很正常，在討論分析后發(fā)現，由于模擬線路與數字線路排列緊密，導致信號間互相干擾，最終通過擴張電路間的空隙，重新設計線路的走勢，得以完好解決。（2）被測信號幅值不夠問題：由DDS信號發(fā)生模塊產生的正弦波幅值（峰峰值）未能達到試題要求的10V（發(fā)揮部分20V）。解決方案：通過查閱資以及料精確計算后，以搭建三極管電壓放大電路的方式，提高輸出信號的幅值，結果表明該方法明顯提高了輸出信號的幅值。5 測試 5.1 測試儀器20MH GOS-620模擬示波器UT51數字萬用表YB2003 DDS函數信號發(fā)生器PC機5.2 測試過程（1）將制作完成的被測信號連接到示波器的輸入端口，調節(jié)被測信號，檢測頻率是否為100Hzf500KHz， 峰峰值0.1VVp-p10V的正弦波。（2）將函數信號發(fā)生器連接到制作好的MSO信號接收端口，測試能否完成對信號的采集、存儲、顯示以及失真情況。（3）垂直靈敏度檢測：分別在四檔靈敏度時，對比被測信號在本設計液晶中與標準示波器上波形（對比多次，減小誤差）。（4）水平速度測試：分別在四檔時，檢測水平分辨率是否為20V/div，以及掃描速度是否達到預設標準。（5）檢測信號發(fā)生器是否能循環(huán)輸出4路數字信號，波特率為10Mb/s， 碼長為16位，且碼型有加計數、減計數兩種固定碼型。（6）檢查是否能在同一液晶屏上顯示輸出信號的碼型示意波形。（7）檢測是否增加垂直靈敏度檔位，能使被測信號幅度達到0.05VVp-p 20V；檢測是否增加掃描速度擋位，能使被測信號頻率達到10Hz f5 MHz；檢測信號發(fā)生器的碼率可變(10Mb/s，20Mb/s，30Mb/s)， 能否通過鍵盤能任意設置碼型，并輸出相應波特率和碼型的4路數字信號。5.3 測試結果表2.1 測試結果示意表格測試項目測試結果備注被測信號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/div4路數字信號16位、100Mb/s、加減計數碼型循環(huán)輸出碼型示意顯示波形/增加檔位0VVpp10V/增加掃描速度0HZf5MHZ/碼率可變可設任意碼型，顯示相應波特率4路數字信號差弱6 結論經過反復嚴格的測試與調整后，本次設計能很好的完成：（1）被測信號達到要求100Hzf500KHz，0.1VVp-p10V；（2）能對被測信號采集，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（手動調整）；（4）觸發(fā)方式為自動；電壓誤差5%；5）可增加垂直靈敏度檔位，被測信號幅度達到0.05VVp-p20V；（6）增加掃描速度擋位，被測信號頻率可達到10Hzf5MHz；（7）數字信號發(fā)生器循環(huán)輸出4路數字信號，其波特率為10Mb/s，碼長為16位，碼型有加計數、減計數兩種固定碼型；（8）在示波器同一液晶屏上顯示輸出信號的碼型示意波形；（9）信號發(fā)生器的碼率可變(10Mb/s，20Mb/s，30Mb/s)，通過鍵盤能任意設置碼型，并輸出相應波