基于STM32的便携式数字示波器的设计
摘要：随着集成电路的发展和数字信号处理技术的采用，数字示波器已成为集显示、测量、运算、分析、记录等各种功能于一体的智能化测量仪器。数字示波器在性能上也逐渐超越模拟示波器，并有取而代之的趋势。与模拟示波器相比，数字示波器不仅具有可存储波形、体积小、功耗低，使用方便等优点，而且还具有强大的信号实时处理分析功能。因此，数字示波器的使用越来越广泛。目前我国国内自主研发的高性能数字示波器还是比较少，广泛使用的仍是国外产品。因此，有必要对高性能数字示波器进行广泛和深入研究。基于STM32控制器的数字示波器,主要完成前端硬件电路设计和算法程序的实现,实现电压信号的显示,实时采样速率最高可达为200KHz.通过STM32芯片的AD功能实时识别信号源的电压与频率,并且以一定的采样周期采样电压数据,按照队列方式储存芯片当中,再通过TFT串口显示屏(240×320)把波形实时地显示出来.
关键字： STM32；数字示波器；
Abstract: with the development of integrated circuit and the adoption of digital signal processing technology, digital oscilloscope has become an intelligent measuring instrument which integrates display, measurement, calculation, analysis, recording and other functions. The performance of digital oscilloscope is gradually surpassing that of analog oscilloscope, and there is a trend to replace it. Compared with analog oscilloscope, digital oscilloscope not only has the advantages of waveform storage, small size, low power consumption, easy to use, but also has a powerful real-time signal processing and analysis function. Therefore, the use of digital oscilloscope is more and more extensive. At present, there are few high-performance digital oscilloscopes independently developed in China, and the products widely used are still foreign products. Therefore, it is necessary to study the high performance digital oscilloscope extensively and deeply. The digital oscilloscope based on STM32 controller mainly completes the design of front-end hardware circuit and the realization of algorithm program, realizes the display of voltage signal, and the real-time sampling rate can be up to 200kHz. Through the ad function of STM32 chip, the voltage and frequency of signal source can be identified in real time, and the voltage data can be sampled in a certain sampling period, and stored in the chip according to the queue mode, The waveform is displayed in real time by TFT serial display (240 × 320)
Keywords: STM32; digital oscilloscope;
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目录
1、选题背景与意义 6
1.1 选题依据 6
1.2 设计目的 6
1.3 设计意义 6
1.4 应用分析 7
1.5 本章小结 7
2、基于 STM32 数字示波器系统总体设计 7
2.1 系统总体设计框图 7
2.2 硬件系统方案设计 8
2.3 系统软件方案设计 10
2.4 本章小结 12
3、基于 STM32 数字示波器硬件电路设计 12
3.1 电源部分 12
3.2 信号调理部分 12
3.3 D/A 输出滤波部分 15
4、基于 STM32 数字示波器系统软件设计 19
4.1.2 数值计算部分 20
4.2.2 设置采样时间 21
4.2.3 设置转换模式 24
4． 双 ADC 模式 24
4.5.2 频率和参数设置 30
4.6.1 操作系统的应用 32
4.6.2 图形化界面设计 35
5.1 系统测试方案 37
5.2 系统测试及分析 41
5.2.1 系统设计平台 41
5.2.2 系统测试仪器 41
5.3 测试结果分析 42
6、总结与展望 49
附录 1 原理图 53
附录 2 PCB 布局布线 54
附录 3 实物图 54
附录 4 元器件清单 55
附录 5 程序代码（部分） 55
最早的模拟示波器是利用显像管技术，通过电极所产生的电场将电子束射入偏
转打向荧光屏上的荧光粉颗粒上，从而产生荧光来显示波形。在测量某些周期信号
来说如正弦波方波和三角波等，传统模拟示波器可以比较稳定的显示出所测的信号
的波形，但是若对于非周期信号或者说瞬间信号通常不能正常的显示出来，并且在
测量是会出现波形的丢失。尤其是测量低频小信号时失真率比较大，当输入频率小
于100Hz 时波形闪烁很严重，在测量小于 30Hz 信号时，需要通过光点的移动来提前判断信号的波形和周期，这样所造成的误差太大，并且由于模拟示波器比较笨重不利于携带。随着数字示波器的问世，由于数字示波器有着强大的波形处理能力，在泰克、福禄克等数字示波器可以直接进行 FFT 等变换，特别是对于一些小信号的测量失真率比较小，再加上数字示波器体积小、便于携带可以通过 USB 或者 RS232
进行通讯，对实时波形进行保存，便于信号的采集存储因此而得到广泛的应用[4]。
1、选题背景与意义
1.1 选题依据
本设计是基于 ARM Cortex-M3 的数字示波器设计可以通过 AD 采样和数值处理
显示周期信号和非周期信号并且将信号的峰峰值、最大值、最小值、频率和动态的
实时波形显示在 TFT 上。系统的设计包括前端信号调理 AD 采样控制、J-Tag 仿真接
口、TFT 显示实时波形，其优点是方便携带，能够实时对数据进行采集。
1.2 设计目的
本设计的目的是通过接收任意电压信号并且能够将显示所接收到的实时波形，
并且能够测量出波形的峰峰值、最大值、最小值和频率。并完整的显示动态波形，
显示出波形的频率和幅度特性本设计还附加信号发生器功能让系统更加完整。
1.3 设计意义
本设计实现了对信号包括周期信号和瞬时信号的采集和显示，去除了模拟传统
示波器只能显示周期信号的弊端，并且由于采用嵌入式设计这样使得设计的体积很
小，有利于便携和数据的实时采集。本设计中采用 STM32 系列 ARM 芯片为主控制
器，最大实时采样速率可以达到 1M，并且采用彩色 TFT（分辨率为 240*320）液晶
显示，配合前端模拟信号的调理包括有阻抗的匹配、信号的衰减和放大，最终显示
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出波形的频率和幅度特性，得到波形的峰值和频率。
此外,本设计是基于嵌入式的数字示波器并且控制器内部集成 A/D 和 D/A，具有
小体积、高可靠性能优点，对于信号的便携式采集有着重要意义，能够满足本设计
的要求。
文献参考
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