波形采集、存储与回放系统

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1、波形采集、存储与回放系统波形采集、存储与回放系统武汉东湖学院陈鹏、费埜、何凯摘要本设计以STM32F103ZET6作为控制芯片，把波形采集分为A、B两个通道，对A通道的输入信号进行衰减，对B通道的输入信号进行放大，然后采用内部集成的高速AD对信号进行实时采样，方式为上升沿内触发，可以实现波形的单次和多次触发存储和回放显示，以及频率、周期、峰-峰值的测量和显示，并具有掉电存储功能。整个系统操作简便，界面友好，达到了较好的性能指标。关键字：STM32、波形采集、波形存储、波形回放一、系统方案1.1题目要求及相关指标分析题目的要求是将待测信号进行数字存储，并通过普通示波器将被

2、测信号显示出来。由于被测信号为模拟信号，存储过程为数字方式，故应该将模拟信号进行量化处理，然后存储到存储器中，当需要显示的时候，从存储器输出数据并恢复为模拟信号，然后送往普通示波器进行显示。本设计的重点是模拟信号的处理与采样、数字信号的存储、系统的控制三个方面。1.2系统设计与框图：系统整体设计框图如图1-1所示。模拟信号通过信号调理模块（阻抗变换、固定衰减/放大、触发电路）将模拟信号的幅值大小调理到高速AD的输入范围03.3V。同时，两路信号经比较器得到方波，送处理器STM32进行测频。处理器测得输入信号频率后控制内部AD以输入信号频率的80倍速率采样。在STM32内

3、部增加波形存储控制模块，当满足触发条件时ARM对AD转换得到的数据进行存储。图1-1系统整体设计图图1图1图1A通道信号调理B通道信号调理存储、显示与控制STM32F103ZET6比较器比较器A通道信号调理输出B通道信号调理输出内部集成AD内部集成DA键盘显示二、理论分析与计算2.1A/D采样频率选择采用内部集成A/D，采样频率由输入信号的频率决定，在输入信号的一个周期内采集80个点，那么，通过式（2.1），可以求出采样频率，其中为信号频率。A/D采样由信号的上升沿触发，采样时间为一个信号周期，采样时间间隔为信号周期除以采样点（式2.2）。若采样频率过高，则处理器的

4、处理速度不够，若采样频率过低，则波形失真严重。通过多次试验，发现一个周期采集80个点可以符合要求。输入信号经比较器比较后转换为方波，由STM32内部定时器的外部输入捕获模式进行测量，测量两个上升沿之间的时间即为输入信号的周期，并且上升沿触发A/D采样。2.2A/D位数选择题目要求原信号与回放信号峰峰值之差的绝对值小于等于10mV，那么AD的最小分辨率至少为10mV，AD的参考电压为3.3V，那么AD位数至少为：本设计中采用12位AD及DA转换器，幅度最小分辨率为3.3V/4096=0.8mV，完全满足题目指标要求。2.3模拟信号调理参数的选择对于A通道，输入高电平约4V

5、，低电平接近0V，而AD的参考电压为3.3V，故需要对A通道输入信号进行衰减，再给AD转换。最小衰减倍数为4/3.3=1.21倍。经过处理器DA处理后，需要对信号进行相应倍数的放大。本设计中，AD及DA的参考电压均为3.3V，故对A通道输入信号1.5倍衰减，对A通道DA输出信号1.5倍放大的处理方法。对于B通道，输入为双极性信号，电压峰峰值为100mV，故需要对输入信号进行放大，以提高采样精度，同时，还需要给输入信号一个偏置，使输入信号在0-3.3V之间，满足AD允许输入信号的范围。本设计中，采取对B通道输入信号放大30倍，对B通道DA输出信号衰减30倍的处理方法。三、

6、电路与程序设计3.1电路设计：A、B通道输入电路A、B通道输入电路在整机中处于非常重要的地位，其性能决定了整机的主要技术指标，前置放大模块应满足高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声，低漂移的要求。图3-1为A通道的信号采集部分。为了增大输入阻抗，所以采用轨至轨射极跟随器，通过两个等值电阻衰减一半电压，根据式（3.1）计算得出电压符合设计要求。然后把收集到的单极性信号送给内部集成AD采样。图3-2为B通道信号采集部分。为了防止OP27产生自激振荡，采用双级放大电路。前级采用同相放大以增大输入阻抗，放大倍数为15倍，由式（3.2）求得，后级再进行两倍放大，由式（3.3）求得，并

7、且偏置1.6V，将100mV的双极性小信号放大到3V，达到AD采样要求。双极放大电路后接轨至轨射极跟随电路，防止电压过高，烧毁主控芯片。（3.2）（3.3）A、B通道输出电路：图3-3A、B通道信号输出图1图1图1图1图3-4为用LM393AD的比较器电路，用于测量频率，用电位器分压提供基准电压。3.2程序设计图3-5程序流程图图1图1图1图1否是是AD采样计算采样率开启DA转换计算峰值并显示是否回放结束否开始周期测量并显示开始采样？四、测试方案与测试结果4.1测试仪器及型号示波器：LTD2102CEL示波器万用表：VICTORVC890