基于stm32的便攜式多功能數(shù)字示波器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及嵌入式儀器儀表【技術(shù)領(lǐng)域】。基于STM32嵌入式平臺設(shè)計(jì)的便攜式多功能數(shù)字示波器，是一種移植μC/OS-II實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)和μCGUI的圖形支持系統(tǒng)，形成一個完善的有人機(jī)接口的實(shí)時嵌入式精密測量儀器，通過數(shù)字插值算法和快速傅里葉算法處理，可以進(jìn)行頻譜分析。通過STM32內(nèi)部自帶高速AD器件，實(shí)現(xiàn)了高速采樣，寬頻帶的技術(shù)要求，帶寬可以達(dá)到3M。本實(shí)用新型具有邊沿觸發(fā)模式選擇、自動捕捉波形、復(fù)位、暫停、波形存儲、頻率和幅值拉伸縮小、波形整體平移、峰-峰值、有效值、頻率、周期、占空比顯示、頻譜分析等功能，由于采用高速集成處理器，外設(shè)資源豐富，簡化了電路板的設(shè)計(jì)自作，更加的便攜，功能多樣。
【專利說明】基于STM32的便攜式多功能數(shù)字示波器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及嵌入式儀器儀表【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及便攜式多功能數(shù)字示波器。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著信息、通信技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新與發(fā)展，各類行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷引入，通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)及消費(fèi)電子等各類終端產(chǎn)品在研發(fā)、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)等方面的技術(shù)和環(huán)境要求也越來越高，從而對示波器的應(yīng)用也相應(yīng)提出更高的要求。模擬示波器要提高帶寬，需要示波管、垂直放大和水平掃描全面推進(jìn)，難度大。
[0003]目前平臺化、集成化成為示波器發(fā)展的重要趨勢。市場上存在的示波器，一般把目標(biāo)定位在產(chǎn)品的高性能和強(qiáng)大功能的競爭優(yōu)勢上，造成市場上的模擬及數(shù)字示波器一般價格高昂、體積較大且很多專業(yè)功能并不實(shí)用。更便宜、更快、更方便使用的示波器成為當(dāng)今市場銷售的主流，現(xiàn)場工程師需要借助具有各種功能的、方便實(shí)用、小巧隨手的測試工具，來驗(yàn)證和解決越來越多的高復(fù)雜性問題。
[0004]隨著嵌入式處理器的快速發(fā)展，STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM。系統(tǒng)時鐘頻率高達(dá)72Mhz，內(nèi)部外設(shè)豐富，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品。將嵌入式操作系統(tǒng)μ C/0S-1I移植到STM32平臺上有廣泛的應(yīng)用前景。設(shè)計(jì)一款基于STM32便攜式多功能的數(shù)字示波器具有重要意義。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的在于，提供一種基于STM32的便攜式多功能數(shù)字示波器，解決以上技術(shù)問題。
[0006]為解決上述問題，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:
[0007]基于STM32的便攜式多功能數(shù)字示波器，包括信號接口端子、阻抗匹配電路、信號調(diào)理模塊，其特征在于，還包括過液晶顯示模塊、波形存儲模塊、觸摸屏模塊；
[0008]所述信號接口端子連接一輸入過壓保護(hù)電路，所述阻抗匹配電路通過引出端口與信號調(diào)理模塊相連，所述信號調(diào)理模塊與嵌入式控制模塊相連；
[0009]所述晶顯示模、波形存儲模塊、觸摸屏模塊分別與嵌入式控制模塊相連。
[0010]本實(shí)用新型信號通過信號端子連接到系統(tǒng)上，為了保護(hù)系統(tǒng)，采用過壓保護(hù)電路對輸入信號進(jìn)行限幅處理。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)具有良好的高阻抗性能，對提高系統(tǒng)的測量精確度有很大的意義，對于微弱信號的處理前級放大模塊采用專用的儀表放大器，次級放大采用具有可變增益的數(shù)字程控放大器，由于STM32內(nèi)部自帶的AD無法對負(fù)電壓進(jìn)行采集，通過設(shè)計(jì)一個加法器將負(fù)壓抬高到零電平以上，過壓保護(hù)電路防止高電壓對處理器造成損害，為了使示波器工作在觸發(fā)模式，系統(tǒng)中需要有個觸發(fā)電平，這里的觸發(fā)電平由斯密特觸發(fā)器電路產(chǎn)生同時用來對頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，采用SD卡對波形存儲，觸摸屏的應(yīng)用使對系統(tǒng)的設(shè)置操作更加的方便。
[0011]示波器采用的是STM32和外圍電路硬件搭建而成，主要用到片上資源的ADC1、ADC2、ADC3，定時器--Μ1、--Μ2，外部中斷等。其中ADC最大采樣速度為IMhz，利用三個ADC模塊的交叉互補(bǔ)工作方式，可以實(shí)現(xiàn)3Mhz的采樣速率。通過--Μ2控制它的采用頻率，對于不同頻率的波形，可以自由調(diào)節(jié)時基，接上信號，按一下“自動”按鈕，系統(tǒng)會通過分析數(shù)據(jù)，自己選擇合適的時基，自動搜索出波形。--Μ1、外部中斷起到波形的頻率、周期、占空比的測量，外部中斷采用的邊沿觸發(fā)的模式，這樣分處理可以矯正ADC采樣的時間。--Μ1是一個功能強(qiáng)大的定時器，他可以設(shè)定為比較輸出和捕捉模式，本系統(tǒng)設(shè)定為上升沿和下降沿都捕捉模式，分別計(jì)算兩次捕捉的時間，然后計(jì)算出頻率、周期、占空比，電壓的幅值是根據(jù)ADC采到的電壓值和放大的比列倍數(shù)計(jì)算得到的，利用FFT算法可以對頻譜進(jìn)行分析。
[0012]所述阻抗匹配電路采用電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)阻抗變換。
[0013]所述儀表放大電路采用AD620，共模抑制比高，可以抑制溫漂和熱噪聲。
[0014]所述數(shù)字程控放大器主要采用高增益的運(yùn)放和模擬開關(guān)設(shè)計(jì)完成，通過STM32來進(jìn)行放大選擇控制。
[0015]有益效果:通過STM32內(nèi)部自帶高速AD器件，實(shí)現(xiàn)了高速采樣，寬頻帶的技術(shù)要求，帶寬可以達(dá)到3Mhz。本發(fā)明具有邊沿觸發(fā)模式選擇、自動捕捉波形、復(fù)位、暫停、波形存儲、頻率和幅值拉伸縮小、波形整體平移、峰-峰值、有效值、頻率、周期、占空比顯示、頻譜分析等功能，由于采用高速集成處理器，外設(shè)資源豐富，簡化了電路板的設(shè)計(jì)自作，更加的便攜，功能多樣。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理框圖；
[0017]圖2為本實(shí)用新型的信號調(diào)理電路原理圖；
[0018]圖3為本實(shí)用新型的供電電源原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019]為了使本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。
[0020]參照圖1結(jié)構(gòu)原理框圖所示，基于STM32的便攜式多功能數(shù)字示波器，包括信號接收端子1、輸入電壓過壓保護(hù)2、阻抗匹配電路3、儀表放大電路4、程控放大電路5、加法器
6、輸出過壓保護(hù)電路7、斯密特觸發(fā)器8、數(shù)模轉(zhuǎn)換器9、波形存儲模塊10、液晶顯示模塊11、觸摸屏模塊12、嵌入式控制模塊13。
[0021]阻抗匹配電路3采用電壓跟隨器電路，增大輸入阻抗和減小輸出阻抗，實(shí)現(xiàn)對微弱信號的無衰減的傳輸。程控放大電路5采用高帶寬運(yùn)放和模擬開關(guān)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器9采用主控芯片內(nèi)部集成的高速AD模塊，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)IMhz，充分利用STM32內(nèi)部自帶的3個AD模塊，進(jìn)行交叉互補(bǔ)采樣模式，可以實(shí)現(xiàn)3Mhz的采樣速率。波形存儲模塊10采用通用的SD卡，STM32有專屬的SPI和SD接口協(xié)議與其相通信，SPI串行通信接口讀寫速度可達(dá)18Mhz。液晶顯示模塊11、采用TFT真彩液晶，觸摸屏模塊12、采用電阻式觸摸屏抗干擾能力強(qiáng)于電容屏，兩個模塊都集成在一塊屏幕上，采用并行的數(shù)據(jù)總線，讀寫方便，速度快。
[0022]參照圖2信號調(diào)理電路原理圖所示，考慮到對處理器的保護(hù)作用，特別在信號的輸入和輸出的地方加上過壓保護(hù)二極管進(jìn)行嵌壓保護(hù)，輸入嵌制在-5V-+5V之間，防止信號調(diào)理電路的燒毀，輸出嵌制在0-3.3V之間，防止主控芯片的因超出額定電源電壓損壞。
[0023]運(yùn)算放大器采用高帶寬，共模抑制比大的單片集成雙個運(yùn)放的AD827，原本是為視頻電路設(shè)計(jì)的，增益帶寬達(dá)50Mhz，SR達(dá)到300V/us，是目前市場上電壓反饋型雙運(yùn)放的頂級貨，其高頻經(jīng)營剔透，在正負(fù)5V的供電下仍有優(yōu)異的性能，放大3M的高頻信號沒有衰減和相位偏移現(xiàn)象出現(xiàn)。所有的集成電路的電源管腳都相應(yīng)的加上1UF和104nF去耦濾波電容。
[0024]模擬開關(guān)采用⑶4052，⑶4052是一個差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，有A、B兩個二進(jìn)制控制輸入端和INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。O?5V的數(shù)字信號可控制-13.5?5V的模擬信號，幅值為4.5?20V的數(shù)字信號可控制峰峰值至20V的模擬信號。
[0025]參照圖3供電電源原理圖所示，系統(tǒng)中要用到正負(fù)5V供外圍電路使用，和數(shù)字+3.3V供單片機(jī)使用，模擬+3.3V供ADC作為參考電源管理模塊，分別用LM7805，LM7905，LMl117-3.3V三端線性穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)，線性穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)在于輸出的高次諧波少，電壓紋波小。三端穩(wěn)壓器的輸入和輸出都要加上去耦濾波電容，數(shù)字+3.3V電源和數(shù)字參考電源地采用無源LC濾波后作為模擬的+3.3V電源和模擬的參考電源地，去除干擾，為后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊提供一個精準(zhǔn)的參考電源基準(zhǔn)。
[0026]以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理和主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.基于STM32的便攜式多功能數(shù)字示波器，包括信號接口端子、阻抗匹配電路、信號調(diào)理模塊，其特征在于，還包括液晶顯示模塊、波形存儲模塊、觸摸屏模塊； 所述信號接口端子連接一輸入過壓保護(hù)電路，所述阻抗匹配電路通過引出端口與信號調(diào)理模塊相連，所述信號調(diào)理模塊與嵌入式控制模塊相連； 所述液晶顯示模、波形存儲模塊、觸摸屏模塊分別與嵌入式控制模塊相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于STM32的便攜式多功能數(shù)字示波器，其特征在于:所述的阻抗匹配電路對低速微弱信號采集具有良好的高阻抗性能，提高系統(tǒng)的測量精確度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于STM32的便攜式多功能數(shù)字示波器，其特征在于:所述的信號調(diào)理模塊包括儀表放大電路，可以抑制溫漂和熱噪聲，所述的儀表放大電路與程控放大電路相連，所述的程控放大電路與輸出過壓保護(hù)電路相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于STM32的便攜式多功能數(shù)字示波器，其特征在于:所述的輸出過壓保護(hù)電路連接一加法器，所述的加法器連接一數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用嵌入式控制模塊內(nèi)部集成的ADC。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于STM32的便攜式多功能數(shù)字示波器，其特征在于:所述的信號調(diào)理模塊包括斯密特觸發(fā)器，所述的斯密特觸發(fā)器連接一嵌入式控制模塊，使示波器工作在觸發(fā)模式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于STM32的便攜式多功能數(shù)字示波器，其特征在于:所述的波形存儲模塊對后續(xù)需觀察分析的波形可以保存在SD卡中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于STM32的便攜式多功能數(shù)字示波器，其特征在于:所述的SD卡通過SPI串行接口與嵌入式控制模塊連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于STM32的便攜式多功能數(shù)字示波器，其特征在于:所述的觸摸屏模塊對系統(tǒng)的設(shè)置操作更加的方便。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于STM32的便攜式多功能數(shù)字示波器，其特征在于:在測量過程中，可以選著耦合方式，直流或者交流耦合。
【文檔編號】G01R13/02GK203941216SQ201420375829
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】張浩然, 劉帥 申請人:浙江師范大學(xué)