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基于STM32的便携式示波器的设计

本设计是一种简易数字示波器，以STM32单片机作为控制核心，经过按键

设置相应档位后，被测信号经过与处理电路、A/D转换电路、采样电路后再经过

数据处理最后显示实时波形。测试结果表明本课题设计的便携式示波器系统稳

定、波形清晰、可靠性高，而且本课题设计的便携式示波器成本低，具有很高的

实用价值。

标签：便携式示波器；STM32；预处理电路；A/D转换；实时采样

引言

示波器的应用与日俱增。对硬件开发来说，测量信号的幅度、频率等信息都

离不开示波器，但是对于非盈利的教学组织和广大电子爱好者来说高精度的示波

器非常昂贵[1]。为满足众多电子设计爱好者由于高精度示波器昂贵的价格所带

来的困扰，设计了一种基于STM32的便携式示波器。

1便携式数字示波器的工作原理

本设计硬件电路部分由信号调理电路、主控芯片、按键选择电路组成，显示

部分为LCD液晶显示电路。本设计以STM32为控制核心，首先将被测信号离散

化，之后将离散数据暂存于FIFO中，单片机从FIFO中读取数据，然后经过一

系列数据处理将数据输出在LCD显示器上，实现被测信号的波形显示。

2硬件设计

2.1前端信号的处理

本模块具有两大功能，一是通过拨码开关切换测试档位；二是信号波形的处

理。

被测信号分为两种：一种是直流信号，另一种是交流信号。对于选择直流信

号还是交流信号是通过拨码开关进行选择的。首先，判定信号是直流还是交流；

然后通过调整拨码开关将示波器测试模式调整至合适测试档位。测量交流信号

时，信号经过电容进入模拟通道；测量直流信号时，信号直接进入模拟通道。

信号波形处理电路主要由信号抬升电路和阻抗变换电路两部分组成。信号抬

升电路作用是使信号在垂直方向上处于A/D转换器的输入范围[3]。但STM32属

于数字器件，不能直接对模拟信号进行处理，所以需要对信号进行离散化处理

[4]。

2.2信号的采集

信号的采集部分采用BB公司的8位AD，是本设计的核心部分，经过AD

采集的数据不是直接发送至MCU，而是首先发送到AD与MCU之间的FIFO，

以便起到数据缓冲的作用。而在FIFO寻址时，由于FIFO没有地址线，所以使

用地址指针增减的方式来进行寻址操作。AD和FIFO的同步时钟均来源于单片

机的ALE引脚，这样保障了FIFO和AD的时钟同步。

2.3液晶显示

本设计的波形显示模块采用8位并行数據处理的2.4寸LCD显示屏，时域

分量体现在横轴上，幅值体现在纵轴上[7]。液晶屏有4个编程端口：RS、RW、

EN和PSB。

2.4按键电路

设置了1个按键控制波形的run和stop，2个独立按键设置幅值和时间轴的

大小，当MCU检测到按键被按下时，软件中相应的参数值会发生相应地变化，

从而改变了波形的大小。

本设计横轴方向能够设置三档扫描速度：10us/div，20us/div，40us/div，纵

轴方向能够设置三档垂直灵敏度：10mV/div、0.1mV、1V/div，此外还可以设置

1倍、2倍、5倍的不同档位。

3软件部分

3.1流程图的设计

总体设计流程图如图1所示。

3.2测量频率流程图

本设计采用计数法测量频率。基本思想就是利用计数器累加的方法，测量单

位时间内被测信号的上升沿数量，将1s等分成20个50ms，防止计数器产生溢

出，测出信号频率[8]。

3.3测试结果

测试方式如下：

（1）测试频率为3KHZ，幅值为3.3V的方波信号。示波器输出波形与实际

波形基本相符。显示幅值为3.4V，频率大致为3KHZ。（2）测试频率为10KHZ，

幅值为5V的正弦信号。输出波形也与实际波形相符。显示幅值为5.1V，频率大

致为10KHZ。两次测试结果均与被测信号基本相符，误差较小。

4结束语

本文设计的基于STM32的便携式数字示波器，通过对软件和硬件的优化，

经测试可以达到所要求的性能指标，所设计的便携式数字示波器运行稳定、可靠。

此外，该数