基于STM32F103RCT6的虛擬示波器硬件電路設(shè)計(jì)

季小榜，孫雷明

(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450046)

測控技術(shù)要求儀器不僅能單獨(dú)測量數(shù)據(jù)，而且儀器之間能夠互相通信以實(shí)現(xiàn)信息共享，從而完成對(duì)被測系統(tǒng)的綜合分析和評(píng)估，最后得出準(zhǔn)確的判斷。傳統(tǒng)儀器缺乏相應(yīng)的計(jì)算機(jī)接口，因而配合數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理十分困難[1-3]。在電路設(shè)計(jì)與科學(xué)研究中，對(duì)被測信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理有助于提高工作效率。

虛擬示波器采用硬件采集卡實(shí)現(xiàn)被測信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示結(jié)果，應(yīng)用靈活方便且硬件成本較低[4-7]。本設(shè)計(jì)的虛擬示波器電源部分采用MC34063型電源芯片實(shí)現(xiàn)負(fù)電源的產(chǎn)生，模擬前端電路采用TL082、TL084、CD4051芯片實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的放大與量程切換控制，采用STM32F103RCT6作為硬件采集卡的微處理器，利用STM32F103RCT6芯片內(nèi)的ADC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)端采用LabVIEW編寫虛擬示波器的上位機(jī)軟件，整機(jī)性價(jià)比較高。

1 虛擬示波器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 虛擬示波器的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware system structure diagram of virtual oscilloscope

虛擬示波器的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電源輸入采用計(jì)算機(jī)的USB接口，提供5 V的供電電壓，電源電路對(duì)5 V電源降壓并穩(wěn)壓后輸出3.3 V為微處理器供電，另外對(duì)+5 V電源進(jìn)行DC/DC變換后輸出-5 V，為模擬信號(hào)處理電路提供±5 V雙電源。

偏置電壓產(chǎn)生電路輸出-1.5 V電壓為模擬信號(hào)處理電路提供偏置電壓，經(jīng)過處理把示波器探針?biāo)蛠淼?1.5～+1.5 V的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?～3 V的電壓送至微處理器STM32F103RCT6內(nèi)部ADC的輸入端，微處理器內(nèi)部的ADC將被測模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并經(jīng)USB接口送至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件采用LabVIEW編寫，通過USB接口與下位機(jī)通信。

2 電源電路設(shè)計(jì)

圖2 電源電路Fig.2 Schematic diagram of power supply circuit

虛擬示波器的電源電路如圖2所示。USB_POWER連接至USB接口的電源端，故USB_POWER為+5 V電源，+5 V電源經(jīng)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲F1送至低噪聲線性電源穩(wěn)壓芯片VR1(LT1963AEST-3.3型)的輸入端，經(jīng)VR1穩(wěn)壓后輸出+3.3 V電壓為微處理器芯片供電。

U2(MC34063)及外圍元件構(gòu)成反轉(zhuǎn)型DC/DC變換器，將+5 V電壓變換為-5 V電壓，輸出電流可達(dá)100 mA。該電路輸出電壓的高低取決于取樣電阻R3和R4的阻值。根據(jù)電路原理分析可知輸出電壓

(1)

圖3 模擬信號(hào)處理電路Fig.3 Schematic diagram of analog signal processing circuit

將UO=5 V代入式(1)得到R3=3R4。設(shè)R4=1.2 kΩ，則得到R3=3.6 kΩ。

3 模擬信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

模擬信號(hào)處理電路如圖3所示。

示波器探針經(jīng)P5(BNC接頭)將送來的信號(hào)送至U5A的同相輸入端，電阻R19(1 MΩ)用于阻抗匹配，U5A為電壓跟隨器，實(shí)現(xiàn)阻抗變換。U5B及外圍元件實(shí)現(xiàn)-1倍放大，U7A及外圍元件實(shí)現(xiàn)-2倍放大，U7B及外圍元件實(shí)現(xiàn)-5倍放大，U7C及外圍元件實(shí)現(xiàn)-10倍放大。CD4051為八選一的電子開關(guān)，用于電壓幅度的量程切換。U7D為電壓跟隨器，該電路用于隔離CD4051的內(nèi)阻與后面的放大器輸入阻抗，以避免CD4051的內(nèi)阻與后面放大器輸入阻抗串聯(lián)導(dǎo)致的放大倍數(shù)出現(xiàn)誤差。U8A及外圍元件組成反向加法器，將U7D輸出的-1.5～+1.5 V的電壓與偏置電壓產(chǎn)生電路送來的-1.5 V電壓放大-1倍并疊加后輸出，實(shí)現(xiàn)直流電的平偏移，把-1.5～+1.5 V的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?～3 V的電壓輸出。電阻R40與二極管D4構(gòu)成雙向限幅保護(hù)電路，保證送至微處理器STM32F103RCT6內(nèi)部ADC輸入端的電壓在可承受范圍之內(nèi)，以免損壞微處理器。

圖4 偏置電壓產(chǎn)生電路Fig.4 Schematic diagram of bias voltage generation circuit

4 偏置電壓產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

偏置電壓產(chǎn)生電路如圖4所示。電源電路中的低噪聲線性電源穩(wěn)壓芯片VR1(LT1963AEST-3.3型)輸出的+3.3 V電壓經(jīng)電阻R30限流降壓、穩(wěn)壓芯片U9(CJ431)穩(wěn)壓、電容C38和C39濾波后，在電容C38兩端形成精確的2.5 V電壓，經(jīng)R31和R33串聯(lián)分壓后，在電阻R33兩端得到+1.5 V電壓。+1.5 V電壓經(jīng)電容C37濾波后，送至U8C構(gòu)成的電壓跟隨器進(jìn)行電流放大，再經(jīng)過U8D反相放大后輸出-1.5 V的偏置電壓。

5 微處理器電路設(shè)計(jì)

圖5 微處理器電路Fig.5 Microprocessor circuit schematic diagram

微處理器電路如圖5所示。微處理器采用STM32F103RCT6，該芯片內(nèi)置12位ADC，最高采樣率可達(dá)1 MHz，滿足該虛擬示波器20 kHz模擬帶寬的需求。+3.3 V電源電壓送至微處理器U1B的1、32、48、64、19號(hào)引腳，為該芯片內(nèi)部的數(shù)字電路供電，+3.3 V經(jīng)L1、C4、C5濾波后送至微處理器的13號(hào)引腳為該芯片內(nèi)部的模擬電路供電，數(shù)字地(GND)與模擬地(GNDA)通過磁珠L2連接。C6、C7、C8、C9、C10為+3.3 V電源濾波電容，布局布線時(shí)分別靠近微處理器的1、32、48、64、19號(hào)引腳放置。在PCB布局布線時(shí)，模擬部分與數(shù)字部分要分開布局，以便降低數(shù)字電路噪聲對(duì)模擬電路的干擾、提高整機(jī)的信噪比。S1為復(fù)位按鈕，用于手動(dòng)復(fù)位；P1為SWD接口，用于下載調(diào)試程序；P4為USB接口，經(jīng)USB電纜連接至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)USB接口為整機(jī)提供電源，同時(shí)實(shí)現(xiàn)USB通信；P6、P7將微處理器的端口引出，可用于后續(xù)功能的擴(kuò)展。

6 實(shí)物測試

虛擬示波器實(shí)物如圖6所示，虛擬示波器測量自身輸出的1 kHz方波測試圖如圖7所示。經(jīng)實(shí)際測試驗(yàn)證，該硬件電路功能正常，性能良好，可滿足頻率為0～20 kHz、幅度為-15～+15 V(示波器探針?biāo)p10倍)信號(hào)的測量。

7 結(jié)語

虛擬示波器是測試測量領(lǐng)域中常見的一類儀器，它的設(shè)計(jì)涉及硬件電路和軟件系統(tǒng)兩部分。本設(shè)計(jì)提出了一種高性價(jià)比的虛擬示波器硬件系統(tǒng)方案，并完成了樣機(jī)的制作，經(jīng)實(shí)測驗(yàn)證其功能與性能指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期。本設(shè)計(jì)可滿足音頻設(shè)備維修人員的測量需求與電工電子類實(shí)訓(xùn)的教學(xué)需求，也可用于學(xué)生課外實(shí)踐活動(dòng)和技能競賽訓(xùn)練。

圖6 虛擬示波器Fig.6 The photo of virtual oscilloscope

圖7 虛擬示波器的測試圖Fig.7 Test diagram of virtual oscilloscope