基于单片机数字示波器的设计.pdf
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目录目录 （一） 实训内容1 （二） 实训目的1 （三） 数字示波器原理1 1.机型介绍.1 1.1. 整体介绍.1 1.2. 功能简介.1 2．本机参数介绍.2 3. 基本原理.3 3.1. 硬件总体框图.3 3.2. 耦合方式选择电路 3 3.3 灵敏度选择电路① 4 3.4. 电压跟随器.5 3.5. 灵敏度选择电路② 5 3.6. 信号调理电路.6 3.7. 触发电路.7 3.8. 档位控制电路.7 3.9. 去耦合电路.8 3.10. 电源供电电路.8 3.11. 单片机接口电路 9 4. 元器件功能与检测.10 4.1. STM32F103Cx 单片机. 10 4.2. TL084 运算放大器. 10 4.3. LM7805 三端稳压集成电路. 11 4.4. LM7905 三端稳压集成电路. 11 4.5. LM1117 3.3 三端稳压集成电路. 11 5． PCB 版11 （四） 数字示波器的组装11 （五） 数字示波器的调试12 （六） 小组分工13 （七） 实训心得13 （八） 参考文献14 （九） 附录15 1 （一） 实训内容 1. 利用套件中各种电子元器件/模块组装数字示波器。
2. 学习数字示波器原理与系统组成 （二） 实训目的 1. 理解数字示波器内部组成结构和工作原理 2. 学习数字示波器的组装、调试、维修以及升级方法 3. 锻炼学生动手与实践能力 （三） 数字示波器原理 1.1.机型介绍机型介绍 1.1.1.1. 整体介绍：整体介绍： DSO138 数字示波器采用 9V 电源供电， 以 STM32F103Cx 单片机为核心处理器， 具有将信号数字化后再建波形，记忆、存储被观测信号的功能，还可以用来观测 和比较单次过程和非周期现象、低频和慢速信号采用彩色 TFTLCD 屏幕，使 示波器灵敏度、可视度得到很大的提高，并留有 USB 端口可供二次升级开发总 体来说 DSO138 示波器具有体积小、重量轻，便于携带，操作方便，能自动测量 波形的频率、周期、峰峰值、有效值、最大值、最小值等特点 1.2.1.2. 功能简介：功能简介： 3 个拨动开关：CPL、SEN1、SEN2其中 CPL 开关有 GND、AC、DC 三种耦合 2 方式选择，当置于 GND 位置时示波器输入接地，当置于 AC 位置时示波器输入为 交流信号直流信号不能通过， 当置于 DC 位置时示波器输入交流和直流信号； SEN1 和 SEN2 为灵敏度选择开关，其中 SEN1 可选择灵敏度为 1V、0.1V、10mV，SEN2 是对应 SEN1 开关的灵敏度选择，分别有×5、×2、×1 三个档位的选择。
5 个轻触开关：RESET、SEL、 “-” 、 “+” 、 “OK” 其中 RESET 为复位开关，可 对示波器进行重启复位操作；SEL 为菜单选择开关，可以对时基、触发模式、触 发边沿、触发电平指示、水平位置调节、垂直位置调节、示波器工作模式等参数 的选择； “-” 、 “+”开关是对 SEL 选择菜单后进行参数的调节； “OK”开关可对波 形进行冻结与解冻，当长按此键时可出现第二功能键 轻触开关的使用： 当选择时基菜单时，按“-” 、 “+”键可对时基进行大小的改变，长按“OK” 键屏幕上即可显示对波形频率、峰峰值、有效值等参数的自动测量； 当选择触发模式菜单时， 按 “-” 、 “+” 键对自动 （Auto） 模式、 常规 （Normal） 模式、单次（Single）模式等三种模式的选择； 当选择触发边沿菜单时，按“-” 、 “+”键可进行上升沿、下降沿两种触发边 沿的选择； 当选择触发电平指示菜单时，按“-” 、 “+”键可对波形的任一位置进行电平 大小的测量； 当选择水平调节菜单时，按“-” 、 “+”键可对波形进行左右移动； 当选择示波器工作模式菜单时，按“-” 、 “+”键可对工作模式进行选择； 当选择垂直位置调节菜单时，按“-” 、 “+”键可对波形进行左右调节。
2 个微调电容： C4、 C6 调节微调电容 C4 可对 0.1V 档输出的波形进行补偿； 调节微调电容 C6 可对 1V 档输出的波形进行补偿 2 2．本机参数介绍．本机参数介绍 最高实时取样率：1Msps 精度：12Bit 取样缓冲器深度：1024 字节 模拟频带宽度： 0 – 200KHz 垂直灵敏度：10mV/Div – 5V/Div (按 1-2-5 方式递进) 垂直位移可调，并带有指示 输入阻抗：1MΩ 最高输入电压：50Vpp（1:1 探头），400Vpp（10:1 探头） 耦合方式包括 DC/AC/GND 水平时基范围：10μs/Div – 50s/Div (按 1-2-5 方式递进) 具有自动、常规和单次触发方式，方便捕捉瞬间波形 可用上升或下降边沿触发 触发电平位置可调，并带有指示 可观测触发之前的波形(负延迟) 可随时冻结波形显示(HOLD 功能) 自带 1KHz /3.3V 方波测试信号源 3 可实时显示采集波形的频率、周期、脉宽、占空比、最大值、最小值、平均 值、峰峰值、有效值等 3.3. 基本原理基本原理 3.1.3.1. 硬件总体框图硬件总体框图 3.2.3.2. 耦合方式选择电路耦合方式选择电路 图（1） 如上图利用电容对直流信号的隔离作用，组成了耦合方式选择电路，SW1 为 单刀三掷开关，显然当开关拨到‘1’位置时交流直流信号都可以通过，拨到‘3’ 只能通过交流信号，拨到‘4’时输入就直接接地了，此时输入为 0。
耦合方 式选择 灵敏度 选择 信号调 理电路 A/D 转换 中心控 制器 档位控制电路 按键控制电路 LCD 显示 电源供电电路 4 3.33.3 灵敏度选择电路灵敏度选择电路①① 图（2） 上图为灵敏度选择电路，利用电阻的分压原理对电压进行衰减，衰减的越大 相应的量程就越大经分析可知‘3’端输出相对于‘1’端衰减了 10 倍， ‘4’ 输出相对于‘1’端衰减的 100 倍假设输入为 10V 的信号，则理论上‘1’端的 输出为 10V， ‘3’端的输出为 1V， ‘4’端的输出为 0.1V而图中的电容则是为 了减小对高频信号的阻抗，相当于微分，信号上升速度加快，提高相应速度微 调点解电容 C4、C6 则是利用不同容量电容充电放电能力的不同对信号就行不同 程度的补偿 对此电路的仿真结果如下： 输入（正弦信号）输出（V） 幅度频率(Hz)1 档3 档4 档 10V 1k9.9980.1000.098 10 k9.9970.9900.098 100 k10.0000.9150.075 15V 1 k14.9971.4990.148 10 k14.9961.4850.147 100 k14.9991.3730.111 20V 1 k19.9961.9980.198 10 k19.9951.9800.196 100 k19.9991.8300.149 5 3.4.3.4. 电压跟随器：电压跟随器： 图（3） 上图为电压跟随器原理图，由运算放大器的原理可知‘0’处信号等于‘1’ 信号等于‘2’处信号，即输入信号等于输出信号。
因为运放的输入阻抗趋近于 无穷大输出阻抗趋近于零， 所以电压跟随器有着隔离输入输出两端噪声信号的作 用，且能大大的减小负载的变化对输出信号的影响 3.5.3.5. 灵敏度选择电路灵敏度选择电路②② 图（4） 上图为纯电阻分压网络，对灵敏度选择电路①输出的电压进一步的衰减由 图可见， ‘1’处的输出电压等于输入电压， ‘3’处的输出电压为出入的 1/2,‘4’ 处的输出电压等于输入电压的 1/5， 由此对应于 SW2 的每个档位形成了×1、 ×2、 6 ×5 三个档位 3.6.3.6. 信号调理电路：信号调理电路： 图（5） 上图为信号进入模数转换器 ADC 前的信号调理电路， 由同相放大器和电压比 较器组成，当输入信号的幅度小时，此电路可对信号进行放大，使之成为适合 ADC 输入的信号；当信号过大时，因为有 R10 和 AV-的作用，使之衰减，成为适 合 ADC 输入的信号其中 C8 对信号具有保持的作用 7 3.7.3.7. 触发电路：触发电路： 图（6） 触发电路的作用就是保证每次时基扫描或采集的时候， 都从输入信号上与定 义的相同的触发条件开始，这样每一次扫描或采集的波形就同步，可以每次捕获 的波形相重叠，从而显示稳定的波形，或保证单次信号的捕获。
即： 1、是使重复信号稳定显示 2、次信号进行捕获 3、复信号中的异常波形和单次事件中的特殊波形进行隔离捕获 此示波器的触发方式有一下 4 种： 1、自动模式：在自动模式下，不管是否有触发发生示波器都会不符按更新 显示波形，如果有触发则触发点为参考点显示波形，否则随机显示波形因此使 用时有触发时波形时稳定的，没有触发时波形时滚动的 2、常规模式：在常规模式下，示波器只有当有触发时才作波形的更新显示， 如果没有触发，波形不动 3、与常规模式类似，不同的是单次模式下波形显示后自动进入冻结状态， 需手动退出才会进行下一次波形的采集 3.8. 档位控制电路： 8 图（7） 此电路的开关分别与 SW1、SW2、SW3 形成联动开关，输出端分别连接到单片 机的 CPLSEL、VSENSEL1、VSENSEL1 三个端口，当开关置于‘1’档时，输出为 5V，当考官置于‘3’档时，输出约为 1.24V，当开关置于‘4’档时，输出为 0 所以单片机根据不同端口的不同输入即可有不同的处理结果， 进而在 LCD 上有不 同的显示 3.9. 去耦合电路： 图（8） 当直流低电压在经过长距离传输后， 中间会夹杂着各种噪声信号使其直流电 压不稳点，所以需要如上图电路利用电容对直流电压有阻碍左右，对高频信号无 阻碍作用对直流电压进行去耦合，是直流电压更稳定。
3.10. 电源供电电路： 输出为 5V 和 3.3V 的供电电路 9 图（9） LM78L05 是三端稳压集成电路，其输入为为 5V—18V，输出为 4.8V—5.2V 典型值为 5V，所以在电路中 AV+处的输出电压约为 5V；LM11173.3 为输入为 5V 输出为 3.3V 的三端稳压集成电路，所以在 TP23 处的输出约为 3.3V图中电解 电容 C19、C21、C22 都起着对输出电压进行补偿，稳定输出电压的的作用，L3、 C20 则可以对输出的电压进行滤波，出去其中的交流信号，D2 则可以防止电流回 流保护电路 输出为-5V 的供电电路： 图（10） 图中7905 稳压集成芯片的输入电压范围是-8V到-35V， 输出为-4.8V—-5.2V 典型值为-5V所以经过 79L05 后输出电压约为-5V 3.11. 单片机接口电路： 10 图（11） 4.4. 元器件功能与检测元器件功能与检测 4.1.4.1. STM32F103CxSTM32F103Cx 单片机单片机 STM32F103Cx基于高性能32位RISC的ARMCortex-M3核， 工作频率为72 MHz 片上集成了高速存储器，通过 APB 总线连接了丰富、A/D 和 D/A 转换器增强的外 设和 I／O。
所有的设备都提供标准的通信接口片上集成 32-512KB 的 Flash 存 储器6-64KB 的 SRAM 存储器12 通道 DMA 控制器支持的外设：定时器，ADC， DAC，SPI，IIC 和 USART2 个 12 位的 us 级的 A/D 转换器，2 通道 12 位 D/A 转 换器，最多高达 112 个的快速 I/O 端口，最多多达 11 个定时器，最多多达 13 个通信接口 4.2.4.2. TL084TL084 运算放大器运算放大器 TL084 为供电电压±18V，输入电压±15V，差分输入电压±30V，具有宽共 模微分电路，低输偏置电流和置电流，输出路保护，具有型（J-FET）高输阻抗， 内部频率补偿，锁存自由作，高压 16V/μs（典值）。
