基于单片机的数字示波器研究与设计

徐霜 胡志豪 孙卓异

摘要：本示波器以STM32芯片作为控制元件，LCD显示屏作为输出设备、按键作为输入设备，可以对复杂信号的频率、周期、峰峰值等参数进行较高精度的测量。被测信号在通过调理电路、放大器、采样保持器、A/D转换器后以二进制数的形式输入到控制芯片中，经过分析、计算后控制LCD的显示，其中按键作为输入设备可以控制波形的显示。本数字示波器示波器具有便于携带，操作方便，性价比较高的特点，能自动测量波形的频率、周期、峰峰值等参数，且精度、稳定性较高，具有很好的市场应用前景。

关键词：操作系统;软/硬件设计;性价比;稳定性

一、设计说明

本示波器采用STM32型号的处理器[1]，以按键作为输入设备，LCD显示屏作为输出设备，设计了一款高性价比、高稳定性、操作简便的便携式数字示波器。该示波器在对输入的模拟信号进行信号调理、采样保持、A/D转换后送至处理器进行分析、运算，再控制LCD显示屏显示测量结果。利用唐都仪器的自动控制试验箱产生的模拟信号和测试软件对示波器和进行测试，测试结果表明本设计能够很好地对信号进行较高精度的测量。

（一）设计目的和意义

示波器作为一种应用普遍的信号测量仪器，能将不可见的模拟信号转换成可视化图像，并能够对信号特征进行测量。本文设计了一款基于STM32处理器的高性价比、高稳定性、操作简便的便携式数字滤波器，其便携性拓宽了应用场合，操作简便可以用于教学展示。

（二）方案论证及可行性分析

本设计方案如图1所示，输入信号在经过调理电路、放大电路、采样/保持器后，经A/D转换器变成单片机可识别的二进制数，在经过STM32芯片的分析、运算后，经D/A转换在驱动电路帮助下控制LCD的显示。其中按键和PC作为外设可以对LCD的显示进行控制。

1技术性分析

本方案采用了电容式耦合隔离电路，能够有效地对直流信号进行隔离。电压跟随器有着隔离输入输出两端噪声信号的作用，而且能大大减小负载的变化对输出信号的影响。信号调理电路能够对信号进行滤波，放大，成为适合ADC的输入信号。去耦合电路能对高频信号无阻碍作用对直流电压进行耦合，使得直流电压更稳定。

2方案的性价比

本设计方案以按键作为输入设备，LCD作为输出设备实现了对信号的测量和分析，操作简便，稳定性高，和同类产品相比功能较为齐全，便携性高，而使用的元器件较为廉价，总体造价约为50元，性价比较高

3市场需求

目前市场上的数字示波器造价较为昂贵，且体积较大，不不便于携带。本数字示波器仅有手掌大小，便于携带，且稳定性较好，适用范围较广，能对不同类型的信号进行较高精度的测量，因此在同类产品中有很好的市场前景。

（三）总体设计

本数字示波器采用9V电源供电，以STM32F103Cx为单片机核心处理器，将信号数字化后再建立波形，具有记忆、存储被观测信号的功能，还可以用来观测和比较单次过程和非周期现象以及低频和慢速信号。本设计采用彩色的TFTLCD屏幕，使示波器灵敏度和可视度得到很大提高，并留有USB端口可供二次升级开发。总体来说本数字示波器示波器具有体积小、重量輕，便于携带，操作方便，能自动测量波形的频率、周期、峰峰值、有效值、最大值、最小值等。

（四）软硬件设计

本数字示波器采用STM32处理器，建立了UCOS操作系统便于任务的调度，提高了执行效率。利用按键实现命令输入，LCD显示屏实现结果输出。而硬件电路主要包括信号调理电路、A/D转换电路、按键控制电路等。

1硬件设计

被测信号经过耦合后，利用信号调理电路进行滤波、放大，再经过A/D转换后转换成能被控制器识别的二进制信号，在经过分析、运算后控制LCD显示，其中按键控制电路和档位控制电路作为输入设备，控制LCD的波形显示。耦合方式选择电路，利用电容对直流信号的隔离作用，组成的耦合方式选择电路，SW1为单刀三掷开关，拨到“1”位置时交流直流均可以通过，“3”只能通过交流，“4”直接接地。由运算放大器的原理可知“0”信号处等于“1”等于“2”信号处，即输入信号等于输出信号。

图2为信号进入ADC前的信号调理电路，由同相放大器和电压比较器组成，当输入信号的幅度较小时，此电路可对信号进行放大;当信号幅度过大时，可以使之衰减。利用信号调理电路可以使信号成为适合ADC输入的信号。

2软件设计

利用μcos操作系统，建立包括按键扫描、LCD显示、串口通信等任务，并利用消息队列传递参数，实现波形的显示、存储和控制。其中按键和PC机可以控制LCD显示的内容包括横纵坐标的单位值和以及直流、交流输入模式。

二、设计总结

本示波器便携性较好、操作简便，性价比较同类产品较高，能够很好地对各种复杂信号进行测量、分析。

参考文献：

[1] 徐健，唐胤.基于STM32的便携式数字示波器设计[J].电子设计工程，2019，27（14）：139-143.

[2]张华忠.基于STM32的便携式数字示波器设计[J].现代计算机（专业版），2017（19）：45-47.