手持式示波表的設(shè)計

桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院 張德煌 孔垂鑫 劉 濤

1 示波表的發(fā)展概括

數(shù)字示波器簡介：

目前，測量技術(shù)在科學(xué)技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的地位越來越重要，測量技術(shù)體現(xiàn)了一個國家的科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平。示波器是電子測量中最常用的儀器，用來測量信號的周期、幅度，還原信號的特征，是電子工程師必備的儀器。模擬示波器的X，Y通道對信號的處理都是利用模擬信號來完成，對X軸加偏轉(zhuǎn)電壓，Y軸提供待測的信號[1]。模擬示波器的測量效果差，波形無法進(jìn)行存儲，測量人員在進(jìn)行信號測量的時候，只能夠用肉眼仔細(xì)觀察波形，如果第一次錯失之后，就只能重新開始，在進(jìn)行測量，非常不方便。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，模擬示波器由于具有非常多的缺點，逐漸被數(shù)字存儲示波器取代。數(shù)字存儲示波器的基本原理是將波形送入模擬通道進(jìn)行處理，進(jìn)過ADCC將模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字信號，再將數(shù)據(jù)存到存儲器中。和傳統(tǒng)的模擬示波器相比，數(shù)字示波器還具有先進(jìn)的預(yù)觸發(fā)功能，可以觀察出發(fā)點之前的波形。數(shù)字存儲示波器無論是在波形顯示，還是數(shù)據(jù)處理上都比模擬示波器的效果好[2]。

2 數(shù)字示波表的系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)：

整個系統(tǒng)分為三個部分；數(shù)字示波器、數(shù)字萬用表和DDS信號源三部分，系統(tǒng)采用ARM處理器STM32F429[3]對這三個部分進(jìn)行處理。數(shù)字示波器部分以STM32F429為核心，包括前段模擬信號處理模塊、顯示模塊、編碼旋鈕模塊。通過32內(nèi)部ADC采集數(shù)據(jù)存入RAM中，通過編程來處理數(shù)據(jù)，通過旋鈕來控制波形；DDS信號源部分通過STM32F429編程實現(xiàn)加法器、ROM查詢表和時鐘，控制內(nèi)部DAC輸出波形；數(shù)字萬用表部分使用STM32F429為主控芯片，控制內(nèi)部ADC采集數(shù)據(jù)，通過電阻分壓和運放放大來選擇檔位，使用開關(guān)來實現(xiàn)手動換擋。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 示波器的硬件電路設(shè)計

示波器設(shè)計主要原理為對大信號進(jìn)行衰減，對小信號進(jìn)行放大，用ADC進(jìn)行信號數(shù)據(jù)采集，通過軟件編程來處理數(shù)據(jù)，從而還原信號。衰減電路通過電阻分壓，換擋電路則是通過主控芯片IO口控制繼電器的導(dǎo)通來選擇不同的放大倍數(shù)。ADC采集數(shù)據(jù)范圍為0-3.3V，信號有正負(fù)電壓之分，故須把信號負(fù)電壓轉(zhuǎn)為正電壓，其原理就是通過加法器讓信號疊加一個直流信號，直流信號通過5V電壓分壓得到。ADC的采樣范圍值為0-3.3V，超過這個范圍ADC會容易燒壞，在切換衰減放大量程時，其輸出信號幅度可能超出ADC輸入電壓范圍，因此ADC輸入端需要接入保護(hù)電路。采用高速二級管，ADC輸入電壓鉗位在0-3.2V。

3.2 DDS信號源的硬件設(shè)計

由ARM控制器產(chǎn)生DAC輸出，DAC輸出電壓值為0-3.3V，但信號源輸出為正負(fù)電壓，經(jīng)過反向放大后再進(jìn)行電平抬升，使之輸出有負(fù)電壓，該輸出再經(jīng)過濾波器電路，因為前一級經(jīng)過了一次反向放大，所以后級放大器為反向放大器，通過滑阻來控制放大倍數(shù)。正弦波信號具有頻譜分量單一、輸出頻率較高的特點，設(shè)計時主要需要考慮的是在通帶內(nèi)使需要的信號的衰減盡量小，而使諧波分量盡量得到抑制以滿足輸出要求。為了達(dá)到要求，選用 7階橢圓濾波器來實現(xiàn)所需的濾波器。

3.3 數(shù)字萬用表的硬件設(shè)計

直流電壓和交流電壓分200mv、2v和20v檔位，200mv因電壓太小，ADC采樣數(shù)據(jù)可能會有較大誤差，通過運放放大10倍進(jìn)行測量，用軟件進(jìn)行衰減；2v檔位剛好在ADC采樣范圍，這個檔位無需處理，20v檔位因為幅度較大，用電阻分壓來衰減10倍，用軟件進(jìn)行放大。

直流電流和交流電流的測量電路設(shè)計采用ACS712，它是一款檢測電流的霍爾傳感器，該器件具有精確的低偏置線性霍爾傳感器電路與位于附近的銅傳導(dǎo)路徑表面的電路小片，外加電流流過這個銅傳導(dǎo)路徑產(chǎn)生的磁場感應(yīng)到被集成霍爾IC比例轉(zhuǎn)換成電壓。本測量電流就是根據(jù)霍爾傳感器輸出電壓與電流的關(guān)系，通過測量電壓，推出電流值。

電阻測量電路的設(shè)計用標(biāo)準(zhǔn)電阻和被測電阻串聯(lián)，通過分壓原理，測出被測電阻兩端電壓，根據(jù)公式推算出電阻值，不同的檔位使用不同的標(biāo)準(zhǔn)電阻。

電壓、電流和電阻的輸出需要經(jīng)過限幅電路，ADC的采樣范圍值為0-3.3V，超過這個范圍ADC會容易燒壞，在切換衰減放大量程時，其輸出信號幅度可能超出ADC輸入電壓范圍，因此ADC輸入端需要接入保護(hù)電路。采用高速二級管，ADC輸入電壓鉗位在0-3.2V。

4 實驗結(jié)果

4.1 信號源數(shù)據(jù)分析

正弦波（方波、三角波）輸出0-10KHz頻率，其數(shù)據(jù)具體如表1所示。

表1 信號源頻率輸出數(shù)據(jù)表

4.2 萬用表數(shù)據(jù)分析

直流電壓測量0-20V數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 直流電壓測量數(shù)據(jù)表

4.3 萬用表數(shù)據(jù)分析

直流電壓測量0-20V數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 直流電壓測量數(shù)據(jù)表

5 總結(jié)

手持?jǐn)?shù)字示波表設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，電路簡單，器件較為便宜，其主要核心為主控芯片，運用主控芯片內(nèi)部資源加外部電路來完成本設(shè)計，功能豐富，具有體積小、方便攜帶等優(yōu)點，同時供電方便，使用方便。

[1]王巖巖,李夢佳.淺談示波器的發(fā)展史[J].中國電子商務(wù),2014(10).

[2]趙東東.基于AMR的數(shù)字示波器的設(shè)計[D].大連：大連海事大學(xué),2015.

[3]張洋,劉俊,嚴(yán)漢宇等.精通STM32F4(庫函數(shù)版)[M].北京：北京航天航空大學(xué),2015.