简易数字示波器设计报告

I 简易数字示波器简易数字示波器 设计报告设计报告 学校 学校 苏州大学苏州大学 学院 学院 电子信息学院电子信息学院 班级 班级 电子与通信工程电子与通信工程 组员 组员 王婷王婷 杨静芝杨静芝 范静范静 1 第一章 设计内容与要求 1 1 设计内容设计内容 设计并制作一台具有实时采样方式和等效采样方式的数字示波器 示意 图如图 1 所示 图 1 数字示波器示意图 1 2 基本设计要求 基本设计要求 1 被测周期信号的频率范围为 10Hz 10MHz 仪器输入阻抗为 1M 显示屏的刻度为 8 div 10div 垂直分辨率为 8bits 水平显示分辨率 20 点 div 2 垂直灵敏度要求含 1V div 0 1V div 两档 电压测量误差 5 3 实时采样速率 1MSa s 等效采样速率 200MSa s 扫描速度要求含 20ms div 2 s div 100 ns div 三档 波形周期测量误差 5 4 仪器的触发电路采用内触发方式 要求上升沿触发 触发电平可调 5 被测信号的显示波形应无明显失真 1 3 扩展要求 扩展要求 1 提高仪器垂直灵敏度 要求增加 2mV div 档 其电压测量误差 5 输入短路时的输出噪声峰 峰值小于 2mV 2 增加单次触发功能 即按动一次 单次触发 键 仪器能对满足触发条 件的信号进行一次采集与存储 被测信号的频率范围限定为 10Hz 50kHz 2 第二章 系统的总体设计 2 1 总体框图 总体框图 2 2 硬件系统设计 硬件系统设计 2 2 1 输入信号调理电路 3 图 2 输入信号调理电路 该电路中涉及到的芯片有 1 AD603 在很多信号采集系统中 信号变化的幅度都比较大 那么放大以后的信号 幅值有可能超过 A D 转换的量程 所以必须根据信号的变化相应调整放大器的增益 在 自动化程度要求较高的系统中 希望能够在程序中用软件控制放大器的增益 或者放大器 本身能自动将增益调整到适当的范围 AD603 正是这样一种具有程控增益调整功能的芯 片 它是美国ADI公司的专利产品 是一个低噪 90MHz 带宽增益可调的集成运放 如增 益用分贝表示 则 增益与控制电压成线性关系 压摆率为 275V s 管脚间的连接方式 决定了可编程的增益范围 增益在 11 30dB 时的带宽为90Mhz 增益在 9 41dB 时 具有 9MHz 带宽 改变管脚间的连接电阻 可使增益处在上述范围内 该集成电路可应用 于射频自动增益放大器 视频增益控制 A D 转换量程扩展和信号测量系统 2 TL431 德州仪器公司 TI 生产的 TL431 是一是一个有良好的热稳定性能的三端可 调分流基准源 它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从 Vref 2 5V 到 36V 范围 内的任何值 该器件的典型动态阻抗为 0 2 在很多应用中可以用它代替齐纳二极管 例 如 数字电压表 运放电路 可调压电源 开关电源等等 TL431 是一种并联稳压集成电 路 因其性能好 价格低 因此广泛应用在各种电源电路中 在很多应用中可以用它代替 齐纳二极管 例如 数字电压表 运放电路 可调压电源 开关电源等等 4 2 2 2 AD 采样电路 图 3 AD 采样电路 该电路中涉及到的芯片有 1 AD9280 AT9280是单芯片 单电源 8bit 32MSPS 模数转换器 内 部集成了采样保持放大器和电源基准源 AT9280使用多级差分流水线架构保证 了32MSPS 数据转换数率下全温度范围内无失码 2 2 3时钟与高速存储电路 5 图 4 AD 采样电路 该电路中涉及到的芯片有 1 DS1085 DS1085 是双输出频率合成器 无需外部定时元件 它可以作为 独立振荡器 或作为一个由处理器控制的 可动态编程的外设部件来使用 内 部主振荡器可以在 66MHz 至 133MHz 的范围内进行编程 有三个分辨率选择 分 别为 10kHz 25kHz 与 50kHz 一个可编程的 3 位预定标器 1 2 4 或 8 分频 从主振荡器生成一个基准振荡器输出 OUT0 范围是 8 2MHz 至 133MHz 另一 个独立的预定标器和一个 1 至 1025 分频器产生主输出 OUT1 范围是 8 1kHz 至 133MHz 两路输出尽管都与主振荡器同步 但可独立编程 可编程主振荡器 预标定器以及分频器组合起来可以生成数千个用户规定的频率 主振荡器 预 标定器以及分频器的设置都保存在 NV EEPROM 存储器中 在上电时提供默认 值 因此可以将其作为独立振荡器使用 通过 2 线串行接口可以对主振荡器 预标定器 P0 与 P1 分频器 N 进行在线动态编程 如果需要 可以进行动态 频率调节 或者 对于固定频率应用 DS1085 可以采用工厂或用户编程的固定 数值 2 SN74F574DW 这 8 位触发器功能 3 态输出专为驱动高容性或相对低阻抗负 载 它特别适合于实施缓冲寄存器 I O 端口 双向总线驱动程序和工作寄 存器 八触发器的 SN74F574 的是边沿触发的 D 型触发器 在时钟 CLK 输入 的正跳变时 Q 输出将被设置为分别设置在数据 D 输入的逻辑电平 一个缓 冲输出使能 OE 输入可用于放置八个输出在任何一个正常的逻辑状态 高或 低逻辑电平 或高阻抗状态 在高阻抗状态 输出负载也没有显著驱动总线线 高阻抗状态 增加驱动器提供驱动总线线无接口或拉组件的能力 输出使能 OE 不影响触发器的内部操作 旧数据可以保留或新的数据可以输入而输出 6 是在高阻抗状态 3 IDT7204 能够实现高速存储功能 2 2 4 DA 电路 图 5 DA 电路 该电路中涉及到的芯片有 1 AD5320 2 MC74VHC4051D 2 2 4 电源电路 7 图 6 电源电路 该电路中涉及到的芯片有 1 A0512S 输入 5V 双输出 12V 模块 2 7805 7805 三端稳压集成电路 电子产品中 常见的三端稳压集成电路 有正电压输出的 78 系列和负电压输出的 79 系列 顾名思义 三端 IC 是指这种稳压用的集成电路 只有三条引脚输出 分别是输入端 接地端和 输出端 它的样子象是普通的三极管 TO 220 的标准封装 也有 9013 样子的 TO 92 封装 用 78 79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少 电路内部还有过流 过热及调整管的保护电路 使用起来可靠 方便 而且价 格便宜 该系列集成稳压 IC 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压 电路的输出电压 如 7806 表示输出电压为正 6V 7909 表示输出电压为负 9V 因为三端固定集成稳压电路的使用方便 电子制作中经常采用 2 3 数字示波器的性能参数设计 数字示波器的性能参数设计 数字存储示波器的指标很多 包括采样率 带宽 灵敏度 通道数 存储 容量 扫描时间和最大输入电压等 其中关键的技术指标主要有采样率 垂直 灵敏度 分辨率 水平扫描速度 分辨率 这几项指标直接与所选 A D FIFO 和高速运放器件的性能 以及电路设计有关 下面根据所选器件的性能参数 合理地分析和确定示波器的采样率和分辨率 2 3 1 y 通道参数计算 8 1 输入阻抗 对于低速数据采集 由于信号反射对信号的传输过程影响微乎其微 所以 低速数据采集系统良好的高阻抗性能 对提高系统的测量精确度有很大的意义 本设计中采用电压跟随器实现阻抗变换 数据采集阻抗变换电路的设计方案如 图4所示 其输入阻抗为1M 2 4 5 312 VCC GND R1 R2 R3R4 C Vi Vo 图 4 输入阻抗电路图 2 灵敏度 垂直灵敏度有两档指标要求 1V div 0 1V div 为此 我们必须在前端 设计一个有两种增益的放大电路 A D 转换器的基准电压为 2V D A 转换器的 基准电压为 2 5V 此外 该 DAC 的输出还具有两倍的增益 因此 其满幅输出 为 5V 示波器显示屏垂直方向有 8 格 对应为 5V 即 0 625 div 而信号经过 D A 和 A D 后又被放大了 2 5 倍 由此计算三档垂直灵敏度对应的放大倍数如 表 2 1 所示 表 1 垂直灵敏度与放大倍数的关系 垂直灵敏度 1V div0 1V div 放大倍数 0 252 5 2 3 2 扫描速度 本系统显示屏的水平刻度为 10 格 水平显示分辨率 n 为 20 点 div 则水 平共显示 20 点 div 10div 200 个点 假设扫描速度为 s 采样频率为 fs 则 fs n s 由此得到设计要求的两档扫描速度所对应的采样频率如表 2 2 所 示 9 表 2 扫描速度与采样频率的关系 扫描速度 s 20ms div2 s div 采样频率sf 1Khz10Mhz 当扫描速度在 20ms div 和 2 s div 档时采用实时采样方式进行采样 由 表 2 可见 当扫描速度为 2 s div 时 采样频率 fs超过了题目规定的最高实 时采样速率 1MSa s 的要求 为解决这个问题 我们仍采用 1MHz 的采样频率 而在最后显示被测波形时将读 RAM 的速率变为锯齿波扫描速率的 10 倍 这就相 当于将采样频率扩大了 10 倍 而实际的采样速率并没有超过题目的规定 这样 便满足了实时采样速率 1MSa s 和等效采样速率 200MSa s 的要求 2 42 4 STM32STM32 简介 简介 1 STM32F10 STM32 系列基于专为要求高性能 低成本 低功耗的嵌入式应 用专门设计的 ARM Cortex M3 内核 按性能分成两个不同的系列 STM32F103 增强型 系列和 STM32F101 基本型 系列 增强型系列时钟频率 达到 72MHz 是同类产品中性能最高的产品 基本型时钟频率为 36MHz 以 16 位产品的价格得到比 16 位产品大幅提升的性能 是 16 位产品用户的最佳选择 两个系列都内置 32K 到 128K 的闪存 不同的是 SRAM 的最大容量和外设接口的 组合 时钟频率 72MHz 时 从闪存执行代码 STM32 功耗 36mA 是 32 位市场上 功耗最低的产品 相当于 0 5mA MHz STM32 型号的说明 以 STM32F103RBT6 这个型号的芯片为例 该型号的组成为 7 个部分 其命名规则如下 1 STM32 STM32 代表 ARM Cortex M3 内核的 32 位微控制器 2 F F 代表芯片子系列 3 103 103 代表增强型系列 4 R R 这一项代表引脚数 其中 T 代表 36 脚 C 代表 48 脚 R 代表 64 脚 V 代表 100 脚 Z 代表 144 脚 5 B B 这一项代表内嵌 Flash 容量 其中 6 代表 32K 字节 Flash 8 代表 64K 字节 Flash B 代表 128K 字节 Flash C 代表 256K 字节 Flash D 代表 384K 字节 Flash E 代表 512K 字节 Flash 10 6 T T 这一项代表封装 其中 H 代表 BGA 封装 T 代表 LQFP 封装 U 代 表 VFQFPN 封装 7 6 6 这一项代表工作温度范围 其中 6 代表 40 85 7 代表 40 105 103103 性能性能 1 特点 内核 ARM32 位 Cortex M3 CPU 最高工作频率 72MHz 1 25DMIPS MHz 单 周期乘法和硬件除法 存储器 片上集成 32 512KB 的 Flash 存储器 6 64KB 的 SRAM 存储器 时钟 复位和电源管理 2 0 3 6V 的电源供电和 I O 接口的驱动电压 POR PDR 和可编程的电压探测器 PVD 4 16MHz 的晶振 内嵌出厂前调校的 8MHz RC 振荡电路 内部 40 kHz 的 RC 振荡电路 用于 CPU 时钟的 PLL 带校准 用于 RTC 的 32kHz 的晶振 低功耗 3 种低功耗模式 休眠 停止 待机模式 为 RTC 和备份寄存器供 电的 VBAT 调试模式 串行调试 SWD 和 JTAG 接口 DMA 12 通道 DMA 控制器 支持的外设 定时器 ADC DAC SPI IIC 和 UART 2 个 12 位的 us 级的 A D 转换器 16 通道 A D 测量范围 0 3 6 V 双采样 和保持能力 片上集成一个温度传感器 2 通道 12 位 D A 转换器 STM32F103xC STM32F103xD STM32F103xE 独有 最多高达 112 个的快速 I O 端口 根据型号的不同 有 26 37 51 80 和 112 的 I O 端口 所有的端口都可以映射到 16 个外部中断向量 除了模拟输入 所有的都可以接受 5V 以内的输入 最多多达 11 个定时器 4 个 16 位定时器 每个定时器有 4 个 IC OC PWM 或者 脉冲计数器 2 个 16 位的 6 通道高级控制定时器 最多 6 个通道可用于 PWM 输 出 2 个看门狗定时器 独立看门狗和窗口看门狗 Systick 定时器 24 位 倒计数器 2 个 16 位基本定