手持式示波表的设计

2018-05-30 01:48桂林电子科技大学信息与通信学院张德煌孔垂鑫

电子世界 2018年9期

桂林电子科技大学信息与通信学院张德煌孔垂鑫刘涛

1 示波表的发展概括

数字示波器简介：

目前，测量技术在科学技术发展领域的地位越来越重要，测量技术体现了一个国家的科学技术发展水平。示波器是电子测量中最常用的仪器，用来测量信号的周期、幅度，还原信号的特征，是电子工程师必备的仪器。模拟示波器的X，Y通道对信号的处理都是利用模拟信号来完成，对X轴加偏转电压，Y轴提供待测的信号[1]。模拟示波器的测量效果差，波形无法进行存储，测量人员在进行信号测量的时候，只能够用肉眼仔细观察波形，如果第一次错失之后，就只能重新开始，在进行测量，非常不方便。随着技术的不断发展，模拟示波器由于具有非常多的缺点，逐渐被数字存储示波器取代。数字存储示波器的基本原理是将波形送入模拟通道进行处理，进过ADCC将模拟信号进行转变为离散的数字信号，再将数据存到存储器中。和传统的模拟示波器相比，数字示波器还具有先进的预触发功能，可以观察出发点之前的波形。数字存储示波器无论是在波形显示，还是数据处理上都比模拟示波器的效果好[2]。

2 数字示波表的系统设计

系统整体结构：

整个系统分为三个部分；数字示波器、数字万用表和DDS信号源三部分，系统采用ARM处理器STM32F429[3]对这三个部分进行处理。数字示波器部分以STM32F429为核心，包括前段模拟信号处理模块、显示模块、编码旋钮模块。通过32内部ADC采集数据存入RAM中，通过编程来处理数据，通过旋钮来控制波形；DDS信号源部分通过STM32F429编程实现加法器、ROM查询表和时钟，控制内部DAC输出波形；数字万用表部分使用STM32F429为主控芯片，控制内部ADC采集数据，通过电阻分压和运放放大来选择档位，使用开关来实现手动换挡。

3 硬件电路设计

3.1 示波器的硬件电路设计

示波器设计主要原理为对大信号进行衰减，对小信号进行放大，用ADC进行信号数据采集，通过软件编程来处理数据，从而还原信号。衰减电路通过电阻分压，换挡电路则是通过主控芯片IO口控制继电器的导通来选择不同的放大倍数。ADC采集数据范围为0-3.3V，信号有正负电压之分，故须把信号负电压转为正电压，其原理就是通过加法器让信号叠加一个直流信号，直流信号通过5V电压分压得到。ADC的采样范围值为0-3.3V，超过这个范围ADC会容易烧坏，在切换衰减放大量程时，其输出信号幅度可能超出ADC输入电压范围，因此ADC输入端需要接入保护电路。采用高速二级管，ADC输入电压钳位在0-3.2V。

3.2 DDS信号源的硬件设计

由ARM控制器产生DAC输出，DAC输出电压值为0-3.3V，但信号源输出为正负电压，经过反向放大后再进行电平抬升，使之输出有负电压，该输出再经过滤波器电路，因为前一级经过了一次反向放大，所以后级放大器为反向放大器，通过滑阻来控制放大倍数。正弦波信号具有频谱分量单一、输出频率较高的特点，设计时主要需要考虑的是在通带内使需要的信号的衰减尽量小，而使谐波分量尽量得到抑制以满足输出要求。为了达到要求，选用 7阶椭圆滤波器来实现所需的滤波器。

3.3 数字万用表的硬件设计

直流电压和交流电压分200mv、2v和20v档位，200mv因电压太小，ADC采样数据可能会有较大误差，通过运放放大10倍进行测量，用软件进行衰减；2v档位刚好在ADC采样范围，这个档位无需处理，20v档位因为幅度较大，用电阻分压来衰减10倍，用软件进行放大。

直流电流和交流电流的测量电路设计采用ACS712，它是一款检测电流的霍尔传感器，该器件具有精确的低偏置线性霍尔传感器电路与位于附近的铜传导路径表面的电路小片，外加电流流过这个铜传导路径产生的磁场感应到被集成霍尔IC比例转换成电压。本测量电流就是根据霍尔传感器输出电压与电流的关系，通过测量电压，推出电流值。

电阻测量电路的设计用标准电阻和被测电阻串联，通过分压原理，测出被测电阻两端电压，根据公式推算出电阻值，不同的档位使用不同的标准电阻。

电压、电流和电阻的输出需要经过限幅电路，ADC的采样范围值为0-3.3V，超过这个范围ADC会容易烧坏，在切换衰减放大量程时，其输出信号幅度可能超出ADC输入电压范围，因此ADC输入端需要接入保护电路。采用高速二级管，ADC输入电压钳位在0-3.2V。