CN203941216U - 基于stm32的便携式多功能数字示波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及嵌入式仪器仪表技术领域。基于STM32嵌入式平台设计的便携式多功能数字示波器，是一种移植μC/OS-II实时多任务操作系统和μCGUI的图形支持系统，形成一个完善的有人机接口的实时嵌入式精密测量仪器，通过数字插值算法和快速傅里叶算法处理，可以进行频谱分析。通过STM32内部自带高速AD器件，实现了高速采样，宽频带的技术要求，带宽可以达到3M。本实用新型具有边沿触发模式选择、自动捕捉波形、复位、暂停、波形存储、频率和幅值拉伸缩小、波形整体平移、峰-峰值、有效值、频率、周期、占空比显示、频谱分析等功能，由于采用高速集成处理器，外设资源丰富，简化了电路板的设计自作，更加的便携，功能多样。
Description
技术领域
本实用新型涉及嵌入式仪器仪表技术领域，具体涉及便携式多功能数字示波器。
背景技术
随着信息、通信技术的持续创新与发展，各类行业标准的不断引入，通信设备、计算机及消费电子等各类终端产品在研发、设计与生产等方面的技术和环境要求也越来越高，从而对示波器的应用也相应提出更高的要求。模拟示波器要提高带宽，需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进，难度大。
目前平台化、集成化成为示波器发展的重要趋势。市场上存在的示波器，一般把目标定位在产品的高性能和强大功能的竞争优势上，造成市场上的模拟及数字示波器一般价格高昂、体积较大且很多专业功能并不实用。更便宜、更快、更方便使用的示波器成为当今市场销售的主流，现场工程师需要借助具有各种功能的、方便实用、小巧随手的测试工具，来验证和解决越来越多的高复杂性问题。
随着嵌入式处理器的快速发展，STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM。系统时钟频率高达72Mhz，内部外设丰富，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品。将嵌入式操作系统μC/OS-II移植到STM32平台上有广泛的应用前景。设计一款基于STM32便携式多功能的数字示波器具有重要意义。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，提供一种基于STM32的便携式多功能数字示波器，解决以上技术问题。
为解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案是：
基于STM32的便携式多功能数字示波器，包括信号接口端子、阻抗匹配电路、信号调理模块，其特征在于，还包括过液晶显示模块、波形存储模块、触摸屏模块；
所述信号接口端子连接一输入过压保护电路，所述阻抗匹配电路通过引出端口与信号调理模块相连，所述信号调理模块与嵌入式控制模块相连；
所述晶显示模、波形存储模块、触摸屏模块分别与嵌入式控制模块相连。
本实用新型信号通过信号端子连接到系统上，为了保护系统，采用过压保护电路对输入信号进行限幅处理。对于低速数据采集，由于信号反射对信号的传输过程影响微乎其微，所以低速数据采集系统具有良好的高阻抗性能，对提高系统的测量精确度有很大的意义，对于微弱信号的处理前级放大模块采用专用的仪表放大器，次级放大采用具有可变增益的数字程控放大器，由于STM32内部自带的AD无法对负电压进行采集，通过设计一个加法器将负压抬高到零电平以上，过压保护电路防止高电压对处理器造成损害，为了使示波器工作在触发模式，系统中需要有个触发电平，这里的触发电平由斯密特触发器电路产生同时用来对频率进行计数，采用SD卡对波形存储，触摸屏的应用使对系统的设置操作更加的方便。
示波器采用的是STM32和外围电路硬件搭建而成，主要用到片上资源的ADC1、ADC2、ADC3，定时器TIM1、TIM2，外部中断等。其中ADC最大采样速度为1Mhz，利用三个ADC模块的交叉互补工作方式，可以实现3Mhz的采样速率。通过TIM2控制它的采用频率，对于不同频率的波形，可以自由调节时基，接上信号，按一下“自动”按钮，系统会通过分析数据，自己选择合适的时基，自动搜索出波形。TIM1、外部中断起到波形的频率、周期、占空比的测量，外部中断采用的边沿触发的模式，这样分处理可以矫正ADC采样的时间。TIM1是一个功能强大的定时器，他可以设定为比较输出和捕捉模式，本系统设定为上升沿和下降沿都捕捉模式，分别计算两次捕捉的时间，然后计算出频率、周期、占空比，电压的幅值是根据ADC采到的电压值和放大的比列倍数计算得到的，利用FFT算法可以对频谱进行分析。
所述阻抗匹配电路采用电压跟随器实现阻抗变换。
所述仪表放大电路采用AD620，共模抑制比高，可以抑制温漂和热噪声。
所述数字程控放大器主要采用高增益的运放和模拟开关设计完成，通过STM32来进行放大选择控制。
有益效果：通过STM32内部自带高速AD器件，实现了高速采样，宽频带的技术要求，带宽可以达到3Mhz。本发明具有边沿触发模式选择、自动捕捉波形、复位、暂停、波形存储、频率和幅值拉伸缩小、波形整体平移、峰-峰值、有效值、频率、周期、占空比显示、频谱分析等功能，由于采用高速集成处理器，外设资源丰富，简化了电路板的设计自作，更加的便携，功能多样。
附图说明
图1为本实用新型的结构原理框图；
图2为本实用新型的信号调理电路原理图；
图3为本实用新型的供电电源原理图。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本实用新型。
参照图1结构原理框图所示，基于STM32的便携式多功能数字示波器，包括信号接收端子1、输入电压过压保护2、阻抗匹配电路3、仪表放大电路4、程控放大电路5、加法器6、输出过压保护电路7、斯密特触发器8、数模转换器9、波形存储模块10、液晶显示模块11、触摸屏模块12、嵌入式控制模块13。
阻抗匹配电路3采用电压跟随器电路，增大输入阻抗和减小输出阻抗，实现对微弱信号的无衰减的传输。程控放大电路5采用高带宽运放和模拟开关串联实现，数模转换器9采用主控芯片内部集成的高速AD模块，转换速度可达1Mhz，充分利用STM32内部自带的3个AD模块，进行交叉互补采样模式，可以实现3Mhz的采样速率。波形存储模块10采用通用的SD卡，STM32有专属的SPI和SD接口协议与其相通信，SPI串行通信接口读写速度可达18Mhz。液晶显示模块11、采用TFT真彩液晶，触摸屏模块12、采用电阻式触摸屏抗干扰能力强于电容屏，两个模块都集成在一块屏幕上，采用并行的数据总线，读写方便，速度快。
参照图2信号调理电路原理图所示，考虑到对处理器的保护作用，特别在信号的输入和输出的地方加上过压保护二极管进行嵌压保护，输入嵌制在-5V--+5V之间，防止信号调理电路的烧毁，输出嵌制在0--3.3V之间，防止主控芯片的因超出额定电源电压损坏。
运算放大器采用高带宽，共模抑制比大的单片集成双个运放的AD827，原本是为视频电路设计的，增益带宽达50Mhz，SR达到300V/us，是目前市场上电压反馈型双运放的顶级货，其高频经营剔透，在正负5V的供电下仍有优异的性能，放大3M的高频信号没有衰减和相位偏移现象出现。所有的集成电路的电源管脚都相应的加上10UF和104nF去耦滤波电容。
模拟开关采用CD4052，CD4052是一个差分4通道数字控制模拟开关，有A、B两个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。0～5V的数字信号可控制-13.5～5V的模拟信号，幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰峰值至20V的模拟信号。
参照图3供电电源原理图所示，系统中要用到正负5V供外围电路使用，和数字+3.3V供单片机使用，模拟+3.3V供ADC作为参考电源管理模块，分别用LM7805，LM7905，LM1117--3.3V三端线性稳压器实现，线性稳压器的优点在于输出的高次谐波少，电压纹波小。三端稳压器的输入和输出都要加上去耦滤波电容，数字+3.3V电源和数字参考电源地采用无源LC滤波后作为模拟的+3.3V电源和模拟的参考电源地，去除干扰，为后续的模数转化模块提供一个精准的参考电源基准。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.基于STM32的便携式多功能数字示波器，包括信号接口端子、阻抗匹配电路、信号调理模块，其特征在于，还包括液晶显示模块、波形存储模块、触摸屏模块；
所述信号接口端子连接一输入过压保护电路，所述阻抗匹配电路通过引出端口与信号调理模块相连，所述信号调理模块与嵌入式控制模块相连；
所述液晶显示模、波形存储模块、触摸屏模块分别与嵌入式控制模块相连。
2.根据权利要求1所述的基于STM32的便携式多功能数字示波器，其特征在于：所述的阻抗匹配电路对低速微弱信号采集具有良好的高阻抗性能，提高系统的测量精确度。
3.根据权利要求1所述的基于STM32的便携式多功能数字示波器，其特征在于：所述的信号调理模块包括仪表放大电路，可以抑制温漂和热噪声，所述的仪表放大电路与程控放大电路相连，所述的程控放大电路与输出过压保护电路相连。
4.根据权利要求3所述的基于STM32的便携式多功能数字示波器，其特征在于：所述的输出过压保护电路连接一加法器，所述的加法器连接一数模转换器，所述的数模转换器采用嵌入式控制模块内部集成的ADC。
5.根据权利要求1所述的基于STM32的便携式多功能数字示波器，其特征在于：所述的信号调理模块包括斯密特触发器，所述的斯密特触发器连接一嵌入式控制模块，使示波器工作在触发模式。
6.根据权利要求1所述的基于STM32的便携式多功能数字示波器，其特征在于：所述的波形存储模块对后续需观察分析的波形可以保存在SD卡中。
7.根据权利要求6所述的基于STM32的便携式多功能数字示波器，其特征在于：所述的SD卡通过SPI串行接口与嵌入式控制模块连接。
8.根据权利要求1所述的基于STM32的便携式多功能数字示波器，其特征在于：所述的触摸屏模块对系统的设置操作更加的方便。
9.根据权利要求1所述的基于STM32的便携式多功能数字示波器，其特征在于：在测量过程中，可以选着耦合方式，直流或者交流耦合。
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