基于STM32的數(shù)字示波器設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：為實現(xiàn)一個高采樣率，寬頻帶的便攜式數(shù)字存儲示波器，設(shè)計了以STM32為控制核心的數(shù)字示波器。硬件平臺主要采用了AD8260數(shù)字程控增益放大器作為前端信號調(diào)理電路，ADS830高速寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器和IDT7204高速緩存作為數(shù)字采集電路，以及信號波形采用了TFT彩屏顯示。另外，通過采用數(shù)字內(nèi)插的數(shù)字信號處理算法來重建和還原信號波形，進而改善了信號波形顯示細節(jié)。最后對研制樣品進行了實驗室測試，實驗結(jié)果表明硬件設(shè)計思路與軟件及算法的處理是正確的，性能參數(shù)達到設(shè)計要求，可以應(yīng)用在工程實踐中。
關(guān)鍵詞：數(shù)字示波器；STM32；數(shù)字內(nèi)插

0 引言
    隨著集成電路的發(fā)展和數(shù)字信號處理技術(shù)的采用，數(shù)字示波器已成為集顯示、測量、運算、分析、記錄等各種功能于一體的智能化測量儀器。數(shù)字示波器在性能上也逐漸超越模擬示波器，并有取而代之的趨勢。與模擬示波器相比，數(shù)字示波器不僅具有可存儲波形、體積小、功耗低，使用方便等優(yōu)點，而且還具有強大的信號實時處理分析功能。因此，數(shù)字示波器的使用越來越廣泛。目前我國國內(nèi)自主研發(fā)的高性能數(shù)字示波器還是比較少，廣泛使用的仍是國外產(chǎn)品。因此，有必要對高性能數(shù)字示波器進行廣泛和深入研究。本文通過采用高速高性能器件，設(shè)計了一實時采樣率為60 Msa／s的寬帶數(shù)字示波器。

1 數(shù)字示波器的性能參數(shù)設(shè)計
    數(shù)字存儲示波器的指標很多，包括采樣率、帶寬、靈敏度、通道數(shù)、存儲容量、掃描時間和最大輸入電壓等。其中關(guān)鍵的技術(shù)指標主要有采樣率、垂直靈敏度(分辨率)、水平掃描速度(分辨率)。這幾項指標直接與所選A／D、FIFO和高速運放器件的性能，以及電路設(shè)計有關(guān)。下面根據(jù)所選器件的性能參數(shù)，合理地分析和確定示波器的采樣率和分辨率。
1．1 采樣率與水平掃描分辨率
    采樣率主要取決于A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，常用每秒取樣點數(shù)Sa／s(sample／second)來表示。本系統(tǒng)設(shè)計最高實時采樣率為60MSa／  s，若進一步提高采樣率可采用文獻提出的等效采樣技術(shù)，不過等效采樣技術(shù)的軟硬件和價格成本很高。為了使示波器具有較高的信號波形分析細節(jié)，采用數(shù)字內(nèi)插技術(shù)來恢復(fù)和重建信號波形。文獻中詳細論述了線性內(nèi)插和正弦內(nèi)插算法在示波器設(shè)計中的應(yīng)用問題。因此，對這兩種內(nèi)插算法不再詳細論述，在本文設(shè)計中直接引用文獻中的研究成果。根據(jù)文獻研究結(jié)果，取信號每周期采樣點數(shù)為20，插值倍數(shù)為4。水平顯示像素點數(shù)為400個，共10格。水平掃速與采樣時鐘頻率的關(guān)系表如下。

1．2 垂直靈敏度
    垂直分辨率的高低直接影響數(shù)字示波器對波形細節(jié)的顯示，垂直分辨率越高，則示波器上的信號波形細節(jié)越小，它取決于A／D轉(zhuǎn)換精度和TFT的顯示分辨率。本文設(shè)計中取最大采樣輸入電壓為2 Vpp，垂直刻度為8格，共256個像素點，因此垂直精度為0．25 V／格。共設(shè)計9個靈敏度檔位，每檔靈敏度與程控放大倍數(shù)的關(guān)系如表2所示。

2 數(shù)字示波器的硬件設(shè)計
2．1 系統(tǒng)硬件總體框圖
    系統(tǒng)硬件總體框圖如圖1所示，主要由STM32控制單元，信號輸入阻抗匹配單元，信號調(diào)理單元，A／D采樣與FIFO存儲單元，時鐘單元，TFT顯示單元等組成。輸入信號經(jīng)阻抗匹配后，送入信號調(diào)理單元，將信號的幅度放大或衰減到適合A／D采樣的范圍內(nèi)，A／D采樣單元對幅度為2VPP的信號進行A／D采樣，并將采樣結(jié)果存入FIFO單元中。CPU從FIFO中讀存數(shù)據(jù)并進行內(nèi)插運算，然后根據(jù)用戶通過鍵盤輸入的指令將信號波形顯示在TFT液晶屏上。另外，CPU還可以將數(shù)據(jù)通過RS232接口上傳給上位機，或進行打印等處理。

2．2 輸入阻抗匹配電路
    對于低速數(shù)據(jù)采集，由于信號反射對信號的傳輸過程影響微乎其微，所以低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)良好的高阻抗性能，對提高系統(tǒng)的測量精確度有很大的意義。本設(shè)計中采用電壓跟隨器實現(xiàn)阻抗變換，數(shù)據(jù)采集阻抗變換電路的設(shè)計方案如圖2所示，其輸入阻抗為10MΩ。

2．3 信號調(diào)理電路
    信號調(diào)理電路主要采用具有可變增益的數(shù)字程控放大器AD8260。AD8260是AD公司生產(chǎn)的一款大電流驅(qū)動器及低噪聲數(shù)字可編程可變增益放大器。該器件增益調(diào)節(jié)范圍為-6 dB～+24 dB，可調(diào)增益的-3 dB帶寬為230MHz，可采取單電源或雙電源供電。主要用于數(shù)字控制自動增益
系統(tǒng)、收發(fā)信號處理等領(lǐng)域。本設(shè)計主要使用其數(shù)字控制自動增益功能。AD8260內(nèi)部的數(shù)字程控增益功能框圖如圖3所示。經(jīng)阻抗匹配后的信號可直接輸入AD8260的17、18腳，經(jīng)AD8260內(nèi)部前端放大器6 dB的固定增益放大，-30 dB程控衰減以及末級放大器18 dB固定增益放大后，由7和8腳輸出。第11、12、13、14腳為四位數(shù)字控制信號(D0、D1、D2、D3)，與STM32的I／O口直接連接，實現(xiàn)增益控制。表3給出了AD8260增益調(diào)節(jié)真值表。

2．4 A／D和FIFO電路
    在數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計中，選用BB公司的8位高速AD轉(zhuǎn)換器ADS830E，最高采樣頻率為60 MSa／s，最低采樣頻率為10 kSa／s。8位轉(zhuǎn)換精度的顯示分辨率為256格，能夠滿足所選用分辨率為640*480的TFT顯示模塊。FIFO存儲器采用IDT7204高速緩存，其緩存深度達1 024 K。FIFO存儲器是一種雙口的SRAM，沒有地址線，隨著寫入或讀取信號對數(shù)據(jù)地址指針進行遞加或遞減，來實現(xiàn)尋址。
2．5 時鐘電路
    時鐘產(chǎn)生電路為AD轉(zhuǎn)換器提供一系列的采樣時鐘信號，共有8種頻率，分別對應(yīng)著不同的水平掃速。時鐘產(chǎn)生電路主要由高穩(wěn)定度的溫補晶振，分頻器74LS390，多路選擇器74F151以及分頻器74F74觸發(fā)器構(gòu)成。基準時鐘信號由一塊60 MHz的溫度補償型有源晶體模塊提供，輸出的60 MHz信號經(jīng)過分頻器的多次分頻得到8種不同的頻率，然后送入多路選擇器74F151。STM32通過對74F151的三根選通信號線進行控制來選擇所需的采樣頻率。另外，中央控制器采用STM32處理器，主頻設(shè)為80 MHz。顯示器采用分辨率為640*480的TFT顯示模塊，與STM32之間采用SPI接口。與其它上位機通信采用RS232口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，整個程序主要由初始化程序、人機交互菜單程序、鍵盤掃描程序、觸發(fā)程序、顯示程序和數(shù)據(jù)采集及頻率控制程序組成。系統(tǒng)軟件的流程圖如圖4所示。

4 實驗測試
    在實驗室對研制的樣品機進行了測試實驗，圖5和圖6分別顯示了頻率為16．2 kHz和1 kHz的方波信號。由測試數(shù)據(jù)分析可得：垂直靈敏度滿足要求，電壓測量誤差≤5％，輸入端輸入阻抗大于2 MΩ，實驗結(jié)果達到了設(shè)計要求。

5 結(jié)束語
    近年來，隨著國內(nèi)電子信息產(chǎn)業(yè)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，催生了龐大的數(shù)字示波器市場需求。數(shù)字示波器在信號顯示，處理以及帶寬等方面比傳統(tǒng)模擬示波器更有優(yōu)勢，因此數(shù)字示波器是今后示波器發(fā)展的重要方向。本文采用STM32高性能ARM處理器作為核心控制芯片，能夠滿足TFT彩色波形顯示，數(shù)字插值算法處理等。通過采用高速AD和FIFO器件，實現(xiàn)了高采樣率，寬頻帶的技術(shù)要求。實驗室測試結(jié)果表明本文的設(shè)計是正確的，各項指標均達到設(shè)計要求。