基于STM32的數字示波器設計與實現

摘要：為實現一個高采樣率，寬頻帶的便攜式數字存儲示波器，設計了以STM32為控制核心的數字示波器。硬件平臺主要采用了AD8260數字程控增益放大器作為前端信號調理電路，ADS830高速寬帶模數轉換器和IDT7204高速緩存作為數字采集電路，以及信號波形采用了TFT彩屏顯示。另外，通過采用數字內插的數字信號處理算法來重建和還原信號波形，進而改善了信號波形顯示細節(jié)。最后對研制樣品進行了實驗室測試，實驗結果表明硬件設計思路與軟件及算法的處理是正確的，性能參數達到設計要求，可以應用在工程實踐中。
關鍵詞：數字示波器；STM32；數字內插

0 引言
隨著集成電路的發(fā)展和數字信號處理技術的采用，數字示波器已成為集顯示、測量、運算、分析、記錄等各種功能于一體的智能化測量儀器。數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。與模擬示波器相比，數字示波器不僅具有可存儲波形、體積小、功耗低，使用方便等優(yōu)點，而且還具有強大的信號實時處理分析功能。因此，數字示波器的使用越來越廣泛。目前我國國內自主研發(fā)的高性能數字示波器還是比較少，廣泛使用的仍是國外產品。因此，有必要對高性能數字示波器進行廣泛和深入研究。本文通過采用高速高性能器件，設計了一實時采樣率為60 Msa／s的寬帶數字示波器。

1 數字示波器的性能參數設計
數字存儲示波器的指標很多，包括采樣率、帶寬、靈敏度、通道數、存儲容量、掃描時間和最大輸入電壓等。其中關鍵的技術指標主要有采樣率、垂直靈敏度(分辨率)、水平掃描速度(分辨率)。這幾項指標直接與所選A／D、FIFO和高速運放器件的性能，以及電路設計有關。下面根據所選器件的性能參數，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轉換器的轉換速率，常用每秒取樣點數Sa／s(sample／second)來表示。本系統(tǒng)設計最高實時采樣率為60MSa／ s，若進一步提高采樣率可采用文獻提出的等效采樣技術，不過等效采樣技術的軟硬件和價格成本很高。為了使示波器具有較高的信號波形分析細節(jié)，采用數字內插技術來恢復和重建信號波形。文獻中詳細論述了線性內插和正弦內插算法在示波器設計中的應用問題。因此，對這兩種內插算法不再詳細論述，在本文設計中直接引用文獻中的研究成果。根據文獻研究結果，取信號每周期采樣點數為20，插值倍數為4。水平顯示像素點數為400個，共10格。水平掃速與采樣時鐘頻率的關系表如下。

1．2 垂直靈敏度
垂直分辨率的高低直接影響數字示波器對波形細節(jié)的顯示，垂直分辨率越高，則示波器上的信號波形細節(jié)越小，它取決于A／D轉換精度和TFT的顯示分辨率。本文設計中取最大采樣輸入電壓為2 Vpp，垂直刻度為8格，共256個像素點，因此垂直精度為0．25 V／格。共設計9個靈敏度檔位，每檔靈敏度與程控放大倍數的關系如表2所示。