#第六届立创电赛#低成本虚拟示波器

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* 1、项目功能介绍

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在一些简单的电子电路设计中，无需使用到高性能且体积庞大的台式示波器。因此，本项目为体积小巧的USB虚拟示波器。在设计过程中，在考虑了成本问题的基础上，尽量实现标准示波器的各项功能，充分发挥芯片性能。该虚拟示波器的参数和特点如下。

•采样率2MSa/S

•测量范围±10V

•交流耦合和直流耦合模式

•输入阻抗约为1MΩ/100pF

•最大100倍程控增益

•电压测量精度2%

•支持一键自动功能

•支持FFT模式

•在快速模式下屏幕刷新率可达20FPS

•元器件成本小于30元（基于立创商城价格计算）

*2、项目属性

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硬件部分、单片机程序和上位机程序均为原创设计，没有参加其他比赛，也没有在校参加答辩。

* 3、开源协议

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GPL3.0开源协议

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*4、硬件部分

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•实物图

PCB大小为6×4厘米，双层板设计，元器件只在顶层。模拟信号从左端SMA接口输入，由Micro-USB接口连接至上位机，并引出程序调试端口。

为了便于手工焊接，阻容器件选用了0805封装，在进行设计时也加大了间距，故在PCB布局和布线上仍有优化空间。值得一提的是，这次的丝印莫名比以往都要清楚，可以清晰的看到元件值和嘉立创的logo。

•总体说明

硬件主要包括将测量信号转换至单片机AD可以采集的模拟信号转换部分、单片机电路USB串口数字电路部分和±3.3V电源部分。下面将依次进行说明。

•芯片和方案选择

由于不需要驱动OLED，主控芯片的性能可以较低，只需要实现AD转换和串口发送功能。选用了STM32G030F6单片机，TSSOP20封装，8KRAM，12位AD最大转换速率为2.5M，更关键的是，在立创商城的价格仅为8元，符合设计需求。

为了测量小信号，信号转换部分的运放需要双极性供电。考虑到整体的电流较小，负电源选用了极性反转电荷泵方案。在立创商城中有并没有找到价格合适的，最终选用了SGM3204（本项目用到的唯一在立创商城没有现货的芯片），具有200mA输出电流的电荷泵，只要三个电容就可以将+5V电源转换成-5V电源信号。

该-5V电源的纹波较大，需经过LDO稳压芯片才能给运放电路供电。选用了XC6902N331稳压芯片，价格接近3元。同样，+5V电源也需要经过稳压芯片，给运放和单片机供电，选用了常见的1117线性稳压芯片。

运放芯片选用了NCS20072，具有3.2MHz带宽、2.4V/us压摆率，极高的输入阻抗，具有单位稳定增益，在±3.3V供电下有着±3V的输入输出范围，价格仅为1.6元。完全符合设计要求。

除此之外，还选用了模拟开关CD4053，串口转USB芯片CH340，通用比较器LM393，不再赘述。

•信号转换电路

信号首先经过680KΩ和220KΩ电阻电容构成的衰减电路，使得±10V的信号转化至运放可以处理的±2.5V范围，后一级电压跟随器使得示波器的输入阻抗为900KΩ/90pF。

由单刀双掷开关控制是否经过RC高通滤波器，以实现交直流耦合切换。此处使用继电器是一个更好的方案，但模拟开关CD4053的价格显然更为合适。

两个同相比例放大器构成类似于级联的形式，由模拟开关控制是否进行放大。第一级放大倍数为5倍，第二级放大倍数接近于20倍。从而可以实现放大倍数为1倍、5倍、20倍、100倍的不同增益。相比较由一个运放构成的改变反馈电阻的程控放大电路，该电路对于频率较高的小信号有更好的放大能力。

后续经过电压抬升电路，将正负电压信号转换成单片机AD可以采集的信号，最终的信号将叠加在1.5V直流量上。比较器的正比较端也接入1.5V直流信号，比较器输出端即为同频率的脉冲信号。加入比较器的主要作用是获取波形的频率值，以更快的实现一键自动功能。

此外，图中所用的LM358通用运放在实际调试中改成了性能更好的NCS20072运放。可能由于LM358的压摆率太低，导致在频率超过10KHz时就会出现奇怪的失真波形。

•电源电路

电脑USB的5V电源信号质量较差，含有大量的高频脉冲噪声，故首先经过简单的LC滤波电路。之后的SGM3204电荷泵可以将+5V电源信号转换至-5V电源，XC6902N331稳压器和ZLDO1117稳压器用于输出稳定的±3.3V信号。该电路均参考各自的芯片手册。

•数字电路

简单的单片机外围电路，用于注意程序调试的PA14引脚和BOOT0引脚为同一个，需要接入下拉电阻。20引脚的STM32G030F6P6TR的没有将模拟电源和数字电源分开，这可能会使得单片机AD有更大的噪声。在实际测试过程中，在2M采样率，256个采样点中，单片机AD的测量结果会产生最大15LSB的偏差（即0.3%的偏差）。

STM32G030F6没有USB接口，需要接入串口转USB芯片以实现串口数据传输的功能。CH340N内置晶振，只需要一个去耦电容即可。

•调试图片

 

 

*5、软件部分

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软件包括STM32单片机部分和LabVIEW上位机部分。下面将分别说明。

•单片机程序总体说明

单片机主要实现串口接收指令、AD采集、波形数据转换和串口发送波形数据的功能。采用STM32Cube预先配置各项参数，在Keil中进一步编程。

•单片机参数配置

配置ADC触发方式为定时器触发，这样可以更精准的控制采样间隔。由DMA控制器将波形数据保存至数组，并设置DMA为非循环模式。

配置串口波特率为256000（没有采用常用的115200，因为只有在该波特率下才能够实现20FPS的刷新率）。开启接收中断。由DMA控制串口发送数据，这样在发送串口数据时，不会影响主程序的运行，从而可以提高刷新速度。

在频率测量中，配置定时器为输入捕获模式，将定时器从模式设置为复位，触发源为TI1FP1。由DMA控制器将每次脉冲信号来临时，将定时器的计数值保存至数组。另外，比较器的输出端含有高频脉冲噪声，需要配置定时器输入通道滤波器。

•单片机波形采集程序

串口波形数据格式为< Time00640+Fre00100+Amp0+DC+波形数据点>的形式。其中AD触发定时器的计数值Time，最大65535；输入捕获定时器的计数值Fre，最大65535；程控放大器的放大倍数Amp，最大值3；耦合方式用DC和AC表示。

波形采集过程如下。

 

•上位机程序

上位机的主要工作是解析来自串口的字符串，处理波形、计算相关参数并显示。在单片机中不进行浮点运算，所有的波形数据均为AD采集的原始数据，为整数形式。而在上位机中，需要将这些整数转换成电压值。很显然，单片机AD值和输入电压值之间理论上成完全的线性关系，在上位机中需要跟据此线性关系求得实际电压值。在本作品中，有着4种程控增益，也就对应着4个函数关系。

上位机示意图如下。

 

•总结

本作品可以实现基本的示波器测量功能，对于电压测量有着较好的精度。其2M的采样率，对于音频范围内的信号，即20KHz的信号可以充分测量。由于示波器的带宽较小，使得其本身的底噪也不大。在下面的视频中，对于20mV的正弦波进行了测试。另外，该虚拟示波器可以测量具有5V直流偏置、频率为50KHz、幅度仅为50mV的小信号，该测量在下面的视频中也有所展示。

当然，一般的手持示波器都采用的是FPGA+高速AD的方案来实现高采样率，这是单片机内置AD远不能达到的。但是在价格方面，本作品的成本约为35元，也算是本作品的最大特点。在电路设计和选型过程中，也是尽量精简电路，减小成本。

*6、BOM清单

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请输入内容…

*7、大赛LOGO验证

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* 8、演示您的项目并录制成视频上传

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分为常规功能展示和功能展示两个视频。