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基于STM32的數(shù)字示波器
數(shù)字示波器的硬件設(shè)計 信息來源:http://www.365zhanlan.com
系統(tǒng)硬件總體框圖
系統(tǒng)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(diào)理單元，A/D采樣與FIFO存儲單元，時鐘單元，TFT顯示單元等組成。輸入信號經(jīng)阻抗匹配后，送入信號調(diào)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(nèi)，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(jié)果存入FIFO單元中。CPU從FIFO中讀存數(shù)據(jù)并進(jìn)行內(nèi)插運算，然后根據(jù)用戶通過鍵盤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(shù)據(jù)通過RS232接口上傳給上位機(jī)，或進(jìn)行打印等處理。
輸入阻抗匹配電路
對于低速數(shù)據(jù)采集，由于信號反射對信號的傳輸過程影響微乎其微，所以低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)良好的高阻抗性能，對提高系統(tǒng)的測量度有很大的意義。本設(shè)計中采用電壓跟隨器實現(xiàn)阻抗變換，數(shù)據(jù)采集阻抗變換電路的設(shè)計方案如圖2所示，其輸入阻抗為10MΩ。
信號調(diào)理電路
信號調(diào)理電路主要采用具有可變增益的數(shù)字程控放大器AD8260。AD8260是AD公司生產(chǎn)的一款大電流驅(qū)動器及低噪聲數(shù)字可編程可變增益放大器。該器件增益調(diào)節(jié)范圍為-6dB～+24dB，可調(diào)增益的-3dB帶寬為230MHz，可采取單電源或雙電源供電。主要用于數(shù)字控制自動增益
系統(tǒng)、收發(fā)信號處理等領(lǐng)域。本設(shè)計主要使用其數(shù)字控制自動增益功能。AD8260內(nèi)部的數(shù)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(nèi)部前端放大器6dB的固定增益放大，-30dB程控衰減以及末級放大器18dB固定增益放大后，由7和8腳輸出。第11、12、13、14腳為四位數(shù)字控制信號(D0、D1、D2、D3)，與STM32的I/O口直接連接，實現(xiàn)增益控制。表3給出了AD8260增益調(diào)節(jié)真值表。 信息來源:www.365zhanlan.com
/D和FIFO電路 信息來源:http://365zhanlan.com
在數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計中，選用BB公司的8位高速AD轉(zhuǎn)換器ADS830E，zui高采樣頻率為60MSa/s，zui低采樣頻率為10kSa/s。8位轉(zhuǎn)換精度的顯示分辨率為256格，能夠滿足所選用分辨率為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(dá)1024K。FIFO存儲器是一種雙口的SRAM，沒有地址線，隨著寫入或讀取信號對數(shù)據(jù)地址指針進(jìn)行遞加或遞減，來實現(xiàn)尋址。
2.5時鐘電路
時鐘產(chǎn)生電路為AD轉(zhuǎn)換器提供一系列的采樣時鐘信號，共有8種頻率，分別對應(yīng)著不同的水平掃速。時鐘產(chǎn)生電路主要由高穩(wěn)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(gòu)成?；鶞?zhǔn)時鐘信號由一塊60MHz的溫度補償型有源晶體模塊提供，輸出的60MHz信號經(jīng)過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通過對74F151的三根選通信號線進(jìn)行控制來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(shè)為80MHz。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(jī)通信采用RS232口。
3、系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，整個程序主要由初始化程序、人機(jī)交互菜單程序、鍵盤掃描程序、觸發(fā)程序、顯示程序和數(shù)據(jù)采集及頻率控制程序組成。系統(tǒng)軟件的流程圖如圖4所示。
實驗測試
在實驗室對研制的樣品機(jī)進(jìn)行了測試實驗，圖5和圖6分別顯示了頻率為16.2kHz和1kHz的方波信號。由測試數(shù)據(jù)分析可得：垂直靈敏度滿足要求，電壓測量誤差≤5%，輸入端輸入阻抗大于2MΩ，實驗結(jié)果達(dá)到了設(shè)計要求。
結(jié)束語
近年來，隨著國內(nèi)電子信息產(chǎn)業(yè)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，催生了龐大的數(shù)字示波器市場需求。數(shù)字示波器在信號顯示，處理以及帶寬等方面比傳統(tǒng)模擬示波器更有優(yōu)勢，因此數(shù)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，能夠滿足TFT彩色波形顯示，數(shù)字插值算法處理等。通過采用高速AD和FIFO器件，實現(xiàn)了高采樣率，寬頻帶的技術(shù)要求。實驗室測試結(jié)果表明本文的設(shè)計是正確的，各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。