多功能电子口袋仪器设计与实现

2018-07-03崔勇强王晓磊侯建华

实验技术与管理 2018年6期

崔勇强, 陈锟, 王晓磊, 侯建华

(中南民族大学电子信息工程学院, 湖北武汉 430074)

示波器、函数信号发生器等设备在电子信息类专业实验室中扮演了不可或缺的角色[1]。随着数字信号处理技术的日益成熟,数字存储示波器取代了模拟示波器成为了教学、科研、工程中首选的测量仪器[2-4]。函数信号发生器是可以提供各种波形、频率等的电测量信号的仪器,与示波器配合工作,成为电子设计与调试过程中必不可少的测试设备[5-6]。

目前,以泰克、力科、鼎阳等厂商为代表的主流示波器产品体积较大、要求220 V供电、价格较高,另外,大部分示波器并不集成函数信号发生器功能[7]。在新时代的发展趋势下,当代大学生的学习越来越强调从课本走向实践,传统电子测量仪器难以满足学生作为口袋仪器进行日常使用、携带的需求[8-9]。

本文采用STM32单片机为控制核心,设计并实现了集函数信号发生器、双踪数字存储示波器为一体的口袋仪器,丰富的功能可以满足电子设计与调试的需求。无论是在实验室内还是实验室以外的任何环境下,它都能够为工科学生、业余爱好者提供一个基于模拟电路开展动手项目的“口袋仪器实验室”。

1 系统结构与工作原理

系统总体设计框图见图1。系统软件在上位机运行,上位机与STM32之间通过USB转串口进行指令与数据的交互,上位机接收串口数据并显示波形。双踪示波器的2个输入信号通过IN1和IN2端口输入,两路信号经过放大调理之后,使用STM32内部的2路高精度ADC对其进行采样,采样后的数据传输至上位机处理、计算与显示。STM32接收函数信号发生器设置的波形、频率、幅度等参数,采用直接频率合成技术(DDS)完成所需波形的合成[10-11],并由STM32内部的高速、高精度DAC进行数模转换,然后经过低通滤波器滤除杂波,平滑信号,最终输出信号至OUT端口。

图1 系统总体框图

2 系统关键模块设计

2.1 函数信号发生器设计

函数信号发生器采用DDS方案,DDS作为第三代频率合成技术[12],从“相位”的概念出发进行频率合成,不仅可以产生不同频率的正弦波,而且可以很方便地产生其他周期信号,比如三角波和方波,并且可以控制波形的初始相位。系统在STM32中完成DDS信号的合成,其框图见图2。

图2 函数信号发生器框图

根据DDS原理,生成信号的频率fout的表达式为

其中,M为频率控制字,即相位累加器的累加步长,N为相位累加器的位宽，fc为定时器频率。

查询表的地址位宽为P,因此累加器的高P位用于寻址查询表。在本系统中,采用STM32的高精度定时器完成控制,定时器工作时钟fc为12 MHz,累加器位宽N为32位,所以频率精度fc/2N为0.01 Hz,查询表地址位宽P为10,查询表大小为1024,查询表中的波形精度为12 bit。由此可知,系统DDS可以输出频率范围0.1 Hz～20 kHz、分辨率为0.1 Hz的信号,幅度控制由STM32内部乘法器完成,乘法器的两路输入为12 bit,一路为信号,一路为幅度控制字,乘法器输出24 bit中的高12 bit用于DAC驱动,输出信号经过放大后,可以输出幅度0～10 V、分辨率为0.1 V的信号,动态范围为40 dB。STM32的DAC输出台阶状的模拟信号,需要进行低通滤波去除杂波,使得信号平滑。放大及低通滤波器的电路如图3所示,放大倍数为10倍,截止频率约为50 kHz。

图3 DDS低通滤波器电路

2.2 数字示波器设计

双踪数字存储示波器由STM32内部集成的12位逐次逼近型模拟数字转换器来完成信号的采集[13]。STM32的ADC配置为双重模式、连续转换、规则转换,2路ADC同时采样。当输入信号满足触发条件时,STM32开始采样,每通道每次采样1 024个数据,通过串口传输至上位机,上位机对数据作处理与显示。示波器的工作流程如图4所示。

图4 示波器工作流程图

示波器的垂直灵敏度分为5、1、0.5 V/div 3档,水平灵敏度分为50、5、1 ms/div和100 μs/div 4档,触发方式可选上升沿或下降沿,耦合方式可选AC或DC耦合。

STM32的ADC若干个ADC_CLK周期对输入电压采样,采样周期数目可以通过ADC_SMPR1和ADC_SMPR2寄存器中的SMP[2∶0]位更改。每个通道可以分别用不同的时间采样。总转换时间的计算公式为

3 测试结果与分析

该仪器的实现效果如图5所示,通过USB接口与笔记本电脑相连,完成供电与数据传输。

图5 系统实现效果图

该仪器测试结果如图6所示,函数信号发生器输出0.01 Hz、5 V的正弦波,示波器采用50 ms/div水平档位和5 V/div的垂直档位进行采集。测试结果表明,研制的多功能便携式数字存储示波器的各项功能达到设计目标要求。

图6 系统测试结果

使用示波器测量函数信号发生器输出信号的频率和幅度,测试结果见表1。测试结果表明,系统的频率和幅度测量精度均符合口袋仪器日常测量要求,对其多次重复测试表明系统工作稳定,测试重复性好。

表1 测试数据

4 结语

本文提出并实现的多功能口袋仪器兼具函数信号发生器和示波器的功能。函数信号发生器可以产生正弦波、三角波和方波,信号频率范围为0.1 Hz～20 kHz,分辨率为0.1 Hz,幅度范围为0～10 V,分辨率为0.1 V。双踪数字存储示波器支持2通道的模拟信号输入,可以实时对比显示2个通道的波形,垂直灵敏度3档可调,扫描速度4档可调,可以设置触发和耦合方式,并且可以实时计算和显示两通道的频率、幅度、相位信息。结果表明,本系统并且具有成本低、集成度较高、测量准确和操作便捷的特点,方便工科学生进行电子设计与调试。

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