基于STM32的數(shù)字示波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為實(shí)現(xiàn)一個(gè)高采樣率，寬頻帶的便攜式數(shù)字存儲(chǔ)示波器，設(shè)計(jì)了以STM32為控制核心的數(shù)字示波器。硬件平臺(tái)主要采用了AD8260數(shù)字程控增益放大器作為前端信號(hào)調(diào)理電路，ADS830高速寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器和IDT7204高速緩存作為數(shù)字采集電路，以及信號(hào)波形采用了TFT彩屏顯示。另外，通過采用數(shù)字內(nèi)插的數(shù)字信號(hào)處理算法來重建和還原信號(hào)波形，進(jìn)而改善了信號(hào)波形顯示細(xì)節(jié)。最后對(duì)研制樣品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明硬件設(shè)計(jì)思路與軟件及算法的處理是正確的，性能參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以應(yīng)用在工程實(shí)踐中。
關(guān)鍵詞：數(shù)字示波器；STM32；數(shù)字內(nèi)插

0 引言
隨著集成電路的發(fā)展和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的采用，數(shù)字示波器已成為集顯示、測(cè)量、運(yùn)算、分析、記錄等各種功能于一體的智能化測(cè)量?jī)x器。數(shù)字示波器在性能上也逐漸超越模擬示波器，并有取而代之的趨勢(shì)。與模擬示波器相比，數(shù)字示波器不僅具有可存儲(chǔ)波形、體積小、功耗低，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有強(qiáng)大的信號(hào)實(shí)時(shí)處理分析功能。因此，數(shù)字示波器的使用越來越廣泛。目前我國(guó)國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的高性能數(shù)字示波器還是比較少，廣泛使用的仍是國(guó)外產(chǎn)品。因此，有必要對(duì)高性能數(shù)字示波器進(jìn)行廣泛和深入研究。本文通過采用高速高性能器件，設(shè)計(jì)了一實(shí)時(shí)采樣率為60 Msa／s的寬帶數(shù)字示波器。

1 數(shù)字示波器的性能參數(shù)設(shè)計(jì)
數(shù)字存儲(chǔ)示波器的指標(biāo)很多，包括采樣率、帶寬、靈敏度、通道數(shù)、存儲(chǔ)容量、掃描時(shí)間和最大輸入電壓等。其中關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)主要有采樣率、垂直靈敏度(分辨率)、水平掃描速度(分辨率)。這幾項(xiàng)指標(biāo)直接與所選A／D、FIFO和高速運(yùn)放器件的性能，以及電路設(shè)計(jì)有關(guān)。下面根據(jù)所選器件的性能參數(shù)，合理地分析和確定示波器的采樣率和分辨率。
1．1 采樣率與水平掃描分辨率
采樣率主要取決于A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，常用每秒取樣點(diǎn)數(shù)Sa／s(sample／second)來表示。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)最高實(shí)時(shí)采樣率為60MSa／ s，若進(jìn)一步提高采樣率可采用文獻(xiàn)提出的等效采樣技術(shù)，不過等效采樣技術(shù)的軟硬件和價(jià)格成本很高。為了使示波器具有較高的信號(hào)波形分析細(xì)節(jié)，采用數(shù)字內(nèi)插技術(shù)來恢復(fù)和重建信號(hào)波形。文獻(xiàn)中詳細(xì)論述了線性內(nèi)插和正弦內(nèi)插算法在示波器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用問題。因此，對(duì)這兩種內(nèi)插算法不再詳細(xì)論述，在本文設(shè)計(jì)中直接引用文獻(xiàn)中的研究成果。根據(jù)文獻(xiàn)研究結(jié)果，取信號(hào)每周期采樣點(diǎn)數(shù)為20，插值倍數(shù)為4。水平顯示像素點(diǎn)數(shù)為400個(gè)，共10格。水平掃速與采樣時(shí)鐘頻率的關(guān)系表如下。

1．2 垂直靈敏度
垂直分辨率的高低直接影響數(shù)字示波器對(duì)波形細(xì)節(jié)的顯示，垂直分辨率越高，則示波器上的信號(hào)波形細(xì)節(jié)越小，它取決于A／D轉(zhuǎn)換精度和TFT的顯示分辨率。本文設(shè)計(jì)中取最大采樣輸入電壓為2 Vpp，垂直刻度為8格，共256個(gè)像素點(diǎn)，因此垂直精度為0．25 V／格。共設(shè)計(jì)9個(gè)靈敏度檔位，每檔靈敏度與程控放大倍數(shù)的關(guān)系如表2所示。