CN105759098B - 优化微小信号测量的示波器及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种优化微小信号测量的示波器及其方法。示波器包括战舰STM32F103开发板和VCA810程控放大模块。其基本思路为先进行一轮预采样，以判断被测信号是否属于微小信号，并且测出信号的实际幅值；假如通过预采样判定被测信号是微小信号，则微处理器通过程控放大模块放大被测信号，使信号的信噪比提高；示波器对此放大后的信号进行采样，并与预采样得到的幅值相对比，得到信号被放大的倍数；微处理器按照此放大倍数，将采集到的信号数据还原为信号放大前的数据，即原始被测信号的数据，噪声在此过程中将被明显抑制。应用本发明，可以得到准确、清晰、低噪声的波形和准确的幅值、频率信息。
Description
技术领域
本发明涉及电子设备领域，特别涉及一种优化微小信号测量的示波器及其方法。
背景技术
模拟示波器主要的实现方法为：使用模拟电路电子枪向屏幕发射电子，电子聚焦形成电子束，击中屏幕留下荧光印迹，被人眼所识别。电子束从电子枪到屏幕的路程中，会经过两对互相垂直的极板：竖直放置的极板两端电压周期性变化，保证电子束在屏幕上从左到右不断扫描；水平放置的极板两端加以外界电压，电压越大，则电子束偏转越明显。如此一来，利用人眼的余辉效应，用户就能在屏幕上观察到实际的波形，并能进行调整、测量等操作。模拟示波器最大的局限在于其可以表示的频率范围。在频率非常低的地方，信号呈现出明亮而缓慢移动的点，而很难分辨出波形。而当信号频率超过阴极射线管的写速度时，波形显示过于暗淡，难于观察。
现有的数字示波器采用A/D转换器采集数据，并存储于微控制器的存储器中，根据采集的数据进行绘图，并通过一系列数据运算，得到所测信号的幅值、频率等信息。这种方法在信号幅值较大时工作良好，但是信号幅值非常小时，信噪比非常低，显示的波形带有大量噪声，用户难以分辨波形原本的样子，示波器也无法正确地测出信号的幅值、频率。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种优化微小信号测量的示波器，提升可测信号的频率幅值范围，提升波形精确度。
一种优化微小信号测量的示波器，包括战舰STM32F103开发板和VCA810程控放大模块；
战舰STM32F103开发板由DAC输出引脚、ADC1、ADC2、地线引脚GND、液晶屏和键盘组成。战舰STM32F103开发板的DAC输出引脚经过第一电源后，连接至VCA810程控放大模块的DAC控制信号输入引脚；战舰STM32F103开发板的ADC1和ADC2分别连接到VCA810程控放大模块的输入端和输出端；战舰STM32F103开发板的地线引脚通过第二电源后，连接至VCA810程控放大模块的地线引脚；被测信号输入VCA810程控放大模块的输入端；战舰STM32F103开发板上连接用于显示的液晶屏和用于输入的键盘，由单片机直接控制。
作为优选，所述的第一电源为2节1.5V干电池，所述的第二电源为1节1.5V干电池。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述示波器的优化微小信号测量的示波方法，步骤如下：
1)首先将被测信号输送至VCA810程控放大模块的输入端；
2)被测信号首先被ADC1采样，单片机读取ADC1采样得到的数据，并与预设值比较以判断被测信号是否属于微小信号；当判断出被测信号不属于微小信号时，继续使用ADC1进行采样，单片机对ADC1采样得到的数据进行筛选，直至当波形符合用户所设置触发条件时，将采样所得数据存储；当存储数据满足预设条件时，完成一轮采样，单片机读取存储的数据，并计算信号的幅值；战舰STM32F103开发板的DAC输出控制信号，使得VCA810程控放大模块不工作；STM32F103单片机根据本轮采样得到的数据，驱动LCD显示屏显示波形及信号参数；
3)当判断出被测信号属于微小信号时，示波器将启用ADC2进行采样，单片机对ADC2采样得到的数据进行筛选，直至当波形符合用户所设置触发条件时，将采样所得数据存储；当存储数据满足预设条件时，完成一轮采样，单片机读取存储的数据，并计算信号的幅值；战舰STM32F103开发板的DAC输出控制信号，使得VCA810程控放大模块工作在放大状态，将被测微小信号放大；STM32F103单片机根据本轮采样得到的数据，驱动LCD显示屏显示波形及信号参数；
4)显示一次波形后，示波器重复步骤2)和3)，进行下一轮采样并根据本轮采样得到的数据，驱动LCD显示屏显示波形及信号参数。
其中：步骤2)和3)不断循环进行采样和波形显示，直至用户关闭示波器。
本发明的基本原理是：先进行一轮预采样，以判断被测信号是否属于微小信号，并且测出信号的实际幅值。假如通过预采样判定被测信号不是微小信号，则示波器按照常规方式采样、显示。
假如通过预采样判定被测信号是微小信号，则微处理器通过程控放大模块放大被测信号，使信号的信噪比提高。下一轮采样时，示波器对此放大后的信号进行采样，并与预采样得到的幅值相对比，得到信号被放大的倍数。微处理器按照此放大倍数，将采集到的信号数据还原为信号放大前的数据，即原始被测信号的数据，噪声在此过程中将被明显抑制。
本发明的示波器利用此数据进行运算和显示，就可以得到准确、清晰、低噪声的波形和准确的幅值、频率信息。
附图说明
图1为本发明控制示波器的方法流程图。
图2为一种优化微小信号测量的示波器的结构示意图。
图中，战舰STM32F103开发板1、键盘2、液晶屏3、第二电源4、第一电源5、VCA810程控放大模块6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，本发明的基本思路为：信号首先经过ADC1采样模块进入单片机，通过预采样确定采样模式。若被测信号不是微小信号，信号将直接在液晶屏3上显示相关参数和波形；如果被测信号是微小信号，信号经过由DAC输出控制的程控放大电路放大，再通过ADC2采样模块进入单片机，在液晶屏3上显示正确的参数和波形。
如图2所示，一种优化微小信号测量的示波器，包括战舰STM32F103开发板和VCA810程控放大模块6；
战舰STM32F103开发板的DAC输出引脚经过第一电源5后，连接至VCA810程控放大模块6的DAC控制信号输入引脚。这是为了将DAC输出电压抬升至足够高，以有效控制VCA810程控放大模块6。当判定输入信号为微小信号时，STM32单片机会通过DAC输出控制信号，使得VCA810工作在放大状态，将微小信号放大。
战舰STM32F103开发板的ADC1和ADC2分别连接到VCA810程控放大模块6的输入端和输出端。ADC1连接到VCA810程控放大模块6的输入端，用于判断被测信号是否是微小信号。ADC2连接到VCA810程控放大模块6的输出端，当输入信号为微小信号时，ADC2将放大后的波形采集到STM32单片机。
战舰STM32F103开发板的地线引脚通过第二电源4后，连接至VCA810程控放大模块6的地线引脚。这是为了让ADC1和ADC2采集到的信号相对两个ADC有1.5伏的抬升，从而从双极性信号变为单极性信号，便于ADC的采样。
被测信号输入VCA810程控放大模块6的输入端；战舰STM32F103开发板上连接用于显示的液晶屏3和用于输入的键盘2，由单片机直接控制。用户可以通过按键操作控制采样和波形参数。
本实施方式中，所述的第一电源5为2节1.5V干电池，所述的第二电源4为1节1.5V干电池。
基于上述装置，本发明还提供了一种利用所述示波器的优化微小信号测量的示波方法，步骤如下：
1)首先将被测信号输送至VCA810程控放大模块6的输入端；
2)被测信号首先被ADC1采样，单片机读取ADC1采样得到的数据，并与预设值比较以判断被测信号是否属于微小信号；当判断出被测信号不属于微小信号(例如，信号为100毫伏，属于微小信号)时，继续使用ADC1进行采样，单片机对ADC1采样得到的数据进行筛选，直至当波形符合用户所设置触发条件时，将采样所得数据存储；当存储数据满足预设条件时，完成一轮采样，单片机读取存储的数据，并计算信号的幅值；战舰STM32F103开发板的DAC输出控制信号，使得VCA810程控放大模块6不工作；STM32F103单片机根据本轮采样得到的数据，驱动LCD显示屏显示波形及信号参数；
3)当判断出被测信号属于微小信号时，示波器将启用ADC2进行采样，单片机对ADC2采样得到的数据进行筛选，直至当波形符合用户所设置触发条件时，将采样所得数据存储；当存储数据满足预设条件时，完成一轮采样，单片机读取存储的数据，并计算信号的幅值；战舰STM32F103开发板的DAC输出控制信号，使得VCA810程控放大模块6工作在放大状态，将被测微小信号放大；STM32F103单片机根据本轮采样得到的数据，驱动LCD显示屏显示波形及信号参数；
4)显示一次波形后，示波器重复步骤2)和3)，进行下一轮采样，显示的波形保留至下一次显示；第二轮采样时，ADC2采样到的是经过放大的信号，因此能够保证良好的采样质量和分辨率。STM32F103单片机将读取存储的数据，计算信号的幅值，并根据本轮采样得到的数据，驱动LCD显示屏显示波形及信号参数；采样、处理数据、驱动LCD显示屏显示的过程将不断循环，直到用户关闭本示波器。
Claims (3)
1.一种利用优化微小信号测量的示波器的示波方法，其特征在于，所述的示波器包括战舰STM32F103开发板和VCA810程控放大模块；
战舰STM32F103开发板的DAC输出引脚经过第一电源后，连接至VCA810程控放大模块的DAC控制信号输入引脚；战舰STM32F103开发板的ADC1和ADC2分别连接到VCA810程控放大模块的输入端和输出端；战舰STM32F103开发板的地线引脚通过第二电源后，连接至VCA810程控放大模块的地线引脚；被测信号输入VCA810程控放大模块的输入端；战舰STM32F103开发板上连接用于显示的液晶屏和用于输入的键盘，由STM32F103单片机直接控制；
所述示波方法的步骤如下：
1）首先将被测信号输送至VCA810程控放大模块的输入端；
2）被测信号首先被ADC1采样，STM32F103单片机读取ADC1采样得到的数据，并与预设值比较以判断被测信号是否属于微小信号；当判断出被测信号不属于微小信号时，继续使用ADC1进行采样，STM32F103单片机对ADC1采样得到的数据进行筛选，直至当波形符合用户所设置触发条件时，将采样所得数据存储；当存储数据满足预设条件时，完成一轮采样，STM32F103单片机读取存储的数据，并计算信号的幅值；战舰STM32F103开发板的DAC输出控制信号，使得VCA810程控放大模块不工作；STM32F103单片机根据本轮采样得到的数据，驱动LCD显示屏显示波形及信号参数；
3）当判断出被测信号属于微小信号时，示波器将启用ADC2进行采样，STM32F103单片机对ADC2采样得到的数据进行筛选，直至当波形符合用户所设置触发条件时，将采样所得数据存储；当存储数据满足预设条件时，完成一轮采样，STM32F103单片机读取存储的数据，并计算信号的幅值；战舰STM32F103开发板的DAC输出控制信号，使得VCA810程控放大模块工作在放大状态，将被测微小信号放大；STM32F103单片机根据本轮采样得到的数据，驱动LCD显示屏显示波形及信号参数；
4）显示一次波形后，示波器重复步骤2）和3），进行下一轮采样并根据本轮采样得到的数据，驱动LCD显示屏显示波形及信号参数。
2.如权利要求1所述的示波方法，其特征在于，所述的第一电源为2节1.5V干电池，所述的第二电源为1节1.5V干电池。
3.如权利要求1所述的示波方法，其特征在于，步骤2）和3）不断循环进行采样和波形显示，直至用户关闭示波器。
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