多功能便携示波器的研制.pdf

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1、第34卷第7期物理实验Vo1．34No．72014年7月PHYSICSEXPER1MENTATIONJuI_，2O14多功能便携示波器的研制学生园地王秦君，李永涛，张绪德(南京邮电大学理学院，江苏南京210046)摘要：设计了低成本、低功耗的多功能示波器，采用了sT公司的STM32F4系列的单片机作为主控芯片，用片内AD进行采样，省去了AD转换芯片和FPGA，以此降低成本，同时运用STM32F4片内的FPU(浮点运算单元)还能对波形进行数学运算．多功能便携示波器全部使用触摸屏操作的方案使应用更加方便、快捷、形象．关键词：示波器；STM32；AD转换器；FPU；ARM中图分类号：TH7

2、44文献标识码：A文章编号：1005—4642(2014)07—0045—041系统概述2系统硬件设计目前市场上的示波器价格普遍较高，同时较2．1信号输入为笨重，不便于携带．基于低成本、低功耗、便携2．1．1信号衰减的理念，制作了这样一个系统．系统核心是衰减部分电路如图2所示瞳]．可以看到，输STM32F407VGT6，该MCU采用ARMCortex-入电路把输入信号电压幅度降到了原来的1／4，M4作为内核，主频高达168MHZ，具有196kB因为MCU的AD输入电压范围是0～3V，所以的RAM，片内有3个12位速度高达2．4MSPS输入信号的幅度可以为一6～6V．该电路中的电的AD

3、C．这样可以仅用片内AD来进行采样]，容是为了满足对高频信号良好的分压性能．以此可以最大限度的简化外围电路，同时降低成本．系统主要包括信号输入和衰减电路，触发电ADIN1ADIN2路、MCU模块和液晶模块．对于输入模块，采用电阻和电容分压的方式对输入信号进行衰减，然后通过电压跟随器和加法器最终输出0～3V的信号到MCU的AD输入端，本系统的成品，如图1所示．图2信号衰减电路图1示波器实物图收稿日期：2014—02—10；修改日期：2014—05—22资助项目：南京邮电大学自制实验仪器项目(No．2O13XZZ12)；南京邮电大学教改项目(No．JGOO713JX32)作者简介：王秦君

4、(1994一)，男，重庆合川人，南京邮电大学理学院应用物理专业2012级本科生．通讯作者：李永涛(1977一)，男，山东济宁人，南京邮电大学理学院讲师，博士，从事物理实验教学研究及管理工作．46物理实验第34卷2．1．2阻抗变换和加法器·图3是电压跟随器，其作用是把衰减之后的信号送入加法器，同时减小其输出电阻。图4所示的是加法器，将信号加上1．5V，使一1．5～1．5V的信号源范围转换到0～3V，供一5VMCU进行采样．图3电压跟随器GND200kQ图4加法器2．2触发电路转化为周期性的方波，用户可以选择采用关闭触触发电路(图5)的作用为了给MCU触发脉发、上升沿触发和下降沿触发3种

5、触发方式．程冲以此来稳定波形的显示．序会依据用户的选择，在触发信号到来时，进行相利用LM339作为电压比较器，将输入信号应地操作．5V图5电压比较器(用于产生触发脉冲)2．3信号采集和处理表1是STM32F4数据手册中的DMA2每该系统通过MCU的ADC1和ADC2两个通通道对应的外设，可以看到，ADC1对应了道进行采样．为了达到最大的响应速度，信号采Stream0的Channel0和Stream4的Channel0，集时采用了DMA传输的方式]．直接存储器存ADC2对应了Stream2的Channell和Stream3取(DMA)用来提供在外设和存储器之间或者存的Channel1．

6、在本系统中，ADC1采用了DMA2储器和存储器之间的高速数据传输．无须CPU的Stream0的Channel0，ADC2采用了DMA2的干预，数据可以通过DMA快速地移动，这节省了Stream2的Channel1．CPU的资源来做其他操作．第7期王秦君，等：多功能便携示波器的研制47内存中有3个1024×2byte的buffer，其中互，GUI控制按钮和菜单的显示，AD每转换1次2个用来存储ADC1和ADC2采样值，另外一个后会检测触摸屏是否被按下，如果被按下会执行用来存储采样完成后对波形进行数学运算的虚拟相应的操作，其流程如图6所示．波形的AD值．当用户选择的时间步进小于20肚s时

7、，DMA会把采集到的数据放人buffer．大于或等于5Os时，MCU通过时间步进计算延时时间，每隔1个延时采1次数据，以此来实现时间挡位可调节的功能]．数据采集完成后，通过用户选择，还会对波形进行相应处理，比如绘制李萨如图形或者进行快速傅里叶变换(FFT)．其中FFT采用了ST官方提供的DSP库来实现，1024点FFT只需要几ms，转换速度非常快．2．4液晶显示显示部分采用了400×240分辨率的TFT图6流程图屏．STM32则用FSMC驱动液晶．灵活的静