基于STM32的示波器的设计开题报告

开题报告：

1.本课题研究的目的、意义： 随着电子行业的发展，示波器在实际生活生产中占据的地位越来越重要，其实用之广泛和发展速度之快都远远超过其他测量仪器，已经广泛应用于国防、科研、学校以及工农商业等各个领域和部门。而在由芯片控制的数字示波器已经逐步成为示波器市场上的主要产品。目前国内市场上出现的高精度数字示波器普遍存在着价格昂贵、不便于户外的测量等等缺点。本课题研究的意义是通过本课题的研究，能够开发出一款价格较低，功能较齐全、体积较小而又不影响测量精度的手持式数字示波器，以求弥补国内市场在这方面的空缺。本课题采用STM32为主控芯片，采用LCD液晶屏作为显示设备，通过外部A/D对输入信号采集和处理，最终将波形信息显示在液晶屏上，以此完成一款手持式数字示波器的设计。使用单片机是本专业学生需要掌握的一项基本技能，本课题的主要目的是通过对单片机的应用，进一步加深单片机硬件电路的连接以及软件的编程。可以达到学以致用，把理论与实践相结合，学会如何应用自己的所学的知识，学会在设计的过程中发现问题、解决问题的能力，掌握设计的技巧，为以后工作打下基础，并完成一个能够基本满足需求的手持式数字示波器。 2.国内外研究现状

数字示波器经过多年的飞速发展,其自身的各种性能、功能和价格已经完全可与模示 波器相媲美,而且集捕获、显示、测盘、分析、存储于一体。它的实时带宽已达2GHz,测量精度Y轴达土1%~十2%、X轴达十0.01%。这种示波器显示屏幕一般比模拟示波器显示屏幕要大,通常为7英寸和9英寸。彩显CRT数字示波器价格下跌,过去普遍用于1GHz示波器,现已开始用于40MHz的数字示波器。过去独占示波器鳌头约50年的模拟示波器虽也有很大进步,但还是退出了长期一统示波器天下的局面。经过较量之后,带宽1GHz的模拟 示波器已全部让给等效和实时采样数字示波器,10MHz~500MHz也已基本让给了实时采 样数字示波器,只有在100MHz以下的示波器中大约还能占到近一半的份额。各示波器生产厂商纷纷倒向数字示波器的生产。继80年惠普公司的示波器全部转至数字示波器生产后,泰克公司相继放弃7000系列1GHz、400MHz模拟示波器的生产,结束了长期独家占领1GHz模拟示波器市场的局面,全力转至数字和数字取样示波器的研制和生产。经过前一时期的发展,CRT存储示波器已不复存在,取样示波器已改为数字(惠普公司)或数字取样(泰克公司)示波器、DSO已全部(惠普公司)归到数字示波器或部分(泰克公司)归到数字示波器之中。

3.拟采取的研究路线：

欲完成此设计，首先应查阅相关的资料、文献，对所需的芯片和器件的规格、结构、性能进行了解，并选取芯片，本设计拟选用意法半导体生产的STM32F103系列单片机。

然后对电路的硬件部分进行构思，因为考虑到测量精度的问题，首先在输入端加入一个阻抗匹配电路，并对信号进行放大处理。然后对采样信号进行AD转换，并将转换后的数字信号送入LCD显示，这样就实现了波形的显示，另外将键盘接入后就能实现波形大小、采样间隔等控制。为了能够便于手持，还可以加入一个电源控制电路，采用充电式锂电池供电。

软件部分应用C语言编程，C语言是在国内外广泛使用的一种语言。是单片机编程应用最为广泛的编程语言之一。使用C语言编程的优点在于程序编写方便、可读性强、便于模块化及有益于维护和升级。整体思路是对单片机的ADC模块、LCD显示模块、键盘模块和USB接口部分进行编程。

系统电路的焊接与调试工作都需要在实验室中进行，通过调试, 不断优化程序代码, 对程序中的问题及时更正修改, 使系统的性能得以提高,工作状态更加稳定。在测试的过程中可以修正电路中元器件的参数等,以避免理论分析与实际状态的差距引起的波形显示效果不佳以及显示中噪声的影响。 4.进度安排：

文献综述：

前言

为了完成本课题的设计任务，本人查阅了相关资料。目前世界范围内，数字示波器已经逐步代替模拟示波器，其优点为精度高、功能齐全、操作简单。但国内市场上高精度数字示波器的价格往往较高，并且不易携带，往往不能满足日常生活生产的需要。本课题采用STM32F103单片机作为主控芯片，由于其供电电压较低，故考虑使用充电式锂电池作为供电设备，这样更易于实现随身携带。在信号采集时加入一个保护放大电路，这样会增加测量精度。采用TFT-LCD液晶屏作为显示设备，可以使显示更加清晰。以上为总体思路的确定，下面对系统的各个部分进行详细的描述。 1. 硬件部分：

硬件部分共分为：信号采集处理部分、键盘控制部分、LCD显示部分和电源管理部分。

（1）.信号采集处理部分：

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如图所示, 其输入阻抗为10M。信号放大电路主要采用具有可变增益的数字程控放大器AD8260。AD8260是AD公司生产的一款大电流驱动器及低噪声数字可编程 可变增益 放大器。 该器件 增益 调节范围为 - 6 dB ~ + 24 dB , 可调增益的-3dB带宽为230MHz,可采取单电源或双电源供电。主要用于数字控制自动增益系统、收发信号处理等领域，本设计主要使用其数字控制自动增益功能。AD转换部分使用的STM32F103芯片的数模转换ADC模块。

阻抗变换电路

（2）.键盘控制部分

加入键盘控制的主要目的是为了能够实现波形显示时幅值，频率间隔等控制，键盘就采用STM32F103自带键盘，通过软件编程来实现对波形的各项参数的控制。由于这部分主要依赖软件编程，所以在硬件连接部分不再做多余赘述，将于软件部分对此项进行具体说明。 （3）.LCD显示部分

LCD液晶显示器是Liquid Crystal Display的简称，LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，通过通电与否来控制 杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。 LCD的主要技术参数有：

对比度：LCD制造时选用的控制IC、滤光片和定向膜等配件，与面板的对比度有关，对于一般用户而言，对比度能够达到350:1就足够了，但在专业领域这样的对比度还不能满足用户的要求。对比值定义是最大亮度值(全白)除以最小亮度值(全黑)的比值。

亮度：LCD是一种介于固态与液态之间的物质，本身是不能 发光的，需要借助于额外的光源才行。因此，灯管数目关系着液晶显示器亮度。液晶显示器的最大亮度，通常由冷阴极涉嫌管来决定，亮度值一般都在200~250cd/m2间。 可视面积：液晶显示器所表示的尺寸就是与实际可以使用的屏幕范围一致。 可视角度：当背光源通过偏极片、液晶和去向层之后，输出的光线变具有了方向性。也就是说大多说光都是从屏幕中 垂直射出来的，所以从某一个较大的角度观看液晶显示时，便不能看到原来的颜色，甚至是只能看到全白或者全黑。为了解决这个问题，制造商们也着手开发广角技术，到目前为止有三种比较流行的技术，分别是：TN+FILM、IPS和MVA。

色彩度：任何一种色彩都是由红、绿、蓝三种基本色组成的。LCD面板上是由480×272个像素点组成现象的，每个独立的像素色彩是由红、绿、蓝(R、G、B)三种基本色来控制。 （4）.电源管理部分：

与普通示波器不同的是，充电电池采用锂电池，它具有能量密度高的特性，较镍镉电池而言，这种充电电池具有重量轻、体积小、容量大和无记忆效应等优点。充电管理模块采用的是LTC4054芯片，该芯片是可编程的独立的线性的锂电池充电器，可通过USB接口进行充电，所以我们自然也配备了USB接口，对锂电池进行充电，充分满足了户外现场测试的需要。LTC4054简洁的应用电路非常适合用于便携式电子设备中。其组成的充电电路非常简单,充电的所有功能均由单个芯片实现,结构紧凑可靠。 2. 软件部分：

软件部分采用C语言编程。系统软件设计采用模块化设计方法, 整个程序主要由初始化 程序、人机交互菜单程序、键盘扫描程序、电源管理程序、触发程序、显示程序和数据采集及频率控制程序组成。 键盘扫描：利用4个按键K1,K2,K3,K4来选择波形的放大和缩小，按键采用外部中断方式。其中通过K1和K2来调整波形显示的高度比例，通过K3和K4来改变采样间隔增加或减少一个周期内采样点数，达到控制水平扫描速度，使低频率波形能完整显示。当检测到K1时，波形幅度系数置为2，当检测到K2时，波形幅度系数置为1/2，否则波形幅度系数为1，以此控制幅度的放大和缩小。当检

测到K3、K4时，采样函数中分别加入不同的延时函数来拉长或缩短波形。 显示及数据采集：该部分程序主要有LCD初始化，AD转换过来的数据转换成显示数据。用数组连续存储AD转换结果，存满后依次在LCD上显示，依次循环。显示过程中由于STM32处理器频率较低，导致显示一屏的时间较长，从而使刷屏速度较慢，效果不好。这里采用每次刷一列的的算法，即每次显示下一列点之前将此列初始化为屏幕底色，从而改善视觉效果。

电源管理：采用内部电池供电和外部USB供电两种方式。外部USB供电时，同时自动对内部电池进行充电。在内部电池供电时，会概略显示内部电池的剩余电量，包括FULL（充足）HALF（一半）FEW（很少）和EMPTY（空）四种状态。 系统流图如下：

参考文献：

1. 周萍，陈毅华，陆毅.基于STM32的掌上型数字存储示波器的研制.江苏技术师范学院学报.

2. 周富相, 陈德毅, 刘培国, 魏政霞. 基于STM32数字示波器的设计与实现. 山西电子技术.

3. 丁昊,宋杰,关键.基于TFT彩屏液晶的便携数字存储示波器. 现代电子技术. 4. 李维提. 液晶显示技术.电子工业出版社. 5. 李健，田航.锂电池线性充电管理芯片LTC4054及其应用. 重庆教育学院学报 6. 谭浩强.C程序设计教程.清华大学出版社

7. 李静.快速学通51单片机C语言程序设计.人民邮电出版社

外文文献：

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/t9xh.html