数字示波器

简易式数字示波器

1.系统供电

本项目需要+5V，+3.3V，+12V，-12V四种电压值的供电，电源采用 Type-C 数据线作为输入，采用boost升压芯片MT3608（输入电压是2V~24V，输出电流可到2A）将输入电压转换为+15V和-15V，+15V经过78L12得到+12V，+15V经过78L05得到+5V，-15V经过79L12得到-12V，至于+3.3V，当然是采用经典的AMS1117来获得。（VBUS为+5V）

 

2.模拟输入通道

扩展板提供了两路示波器输入通道，如下图包含了电阻分压和运算放大器实现的信号调理，和比较器实现的方波输出（供触发和测频使用）；

INA、INB是示波器的两个输入端，模拟输入信号与此处的SMA直头正脚座子连接，通过电阻（953K和49.9K）串联分压实现1MΩ的输入阻抗，并产生两个信号供选择，一个输入直通，一个衰减为1/20。

运算放大器采用TL084（集成四运放），+12V和-12V 双电源供电；

AnalogA、AnalogB：经过同相放大器放大和平移后的模拟信号与STM32H750开发板连接，进入H750的ADC中进行采样；

TrigerA、TrigerB：AnalogA、AnalogB与直流参考电平（由H750的一路DAC产生）经过比较器后产生的方波信号，进入STM32H750的定时器进行测频；

DAC_OUT1: 直流参考电平，通过STM32H750配置内部DAC发出。

首先我们知道，当STM32H750的VREF用3.3V供电时，STM32的ADC输入范围是0-3.3V，而我们的输入信号最大是±15V，所以我们需要解决大信号输入不能饱和的问题，让我们来解个方程：

15 * a + b = 3.3；

-15 * a + b = 0；

可以解得 a=0.11，b=1.65；

也就是说我们需要将输入信号至少衰减到0.11倍（约衰减为1/9），再加上1.65V直流，就能满足ADC采样的满量程输入。

根据叠加定理，首先分析输入信号AIN对输出Vo的贡献，将电路中另一路电压源-1.65V接地，这样输入信号经过R8（953K）和R10（49.9K）后被分压到1/20，接着被同相放大器电路放大2倍，输入信号的整体增益就是1/10；而分析直流-1.65V对输出Vo的贡献时，将输入信号AIN接地，-1.65V的放大倍数是-1倍。于是得到输出Vo = -1.65V * (-1) + AIN/10 = 1.65V + AIN/10。

-1.65V的电压由下面这个电路来产生；

解决了±15V输入匹配到ADC的0-3.3V输入范围的问题呢，我们还要考虑当输入信号较小时也能够准确采样的问题，例如当10mV信号输入时，经过上面的电路，会衰减到1mV，为了尽可能保证输入信号的信噪比，我们这里在模拟前端加入切换分档的方式，当采集小信号的时候，使用开关选择直通INA进入运放同相端，而不再选择INA衰减后的信号进入运放同相端，这样确保进入ADC的信号尽可能大。再配合16位ADC，可以让采样结果准确可靠。

3.模拟输出通道

扩展板提供了一路信号输出通道，如下图包括了电阻分压和运算放大器实现的信号调理；

我们知道，当STM32H750的VREF用3.3V供电时，内部DAC的输出范围是0-3.3V，为了达到±10V输出，我们需要解个方程：

0*a + b = -10V；

3.3*a + b = 10V；

解得a=6.06，b=-10；

上图中，STM32H750内部的DAC（PA5）输出的0-3.3V的信号，经过两阶RC低通滤波器后从TL084的同相端输入，构成了放大倍数为6倍的同相放大器，放大后得到波形为0-19.8V；然后利用TL084反相放大器部分的-5倍放大能力，将5V分压得到的+2V经过-5倍放大得到-10V，和同相放大器输出的0-19.8V信号叠加得到约±10V输出。计算公式为：Vout = -10 + 6*Vin 。

4.比较器电路

比较器采用LM393（双路），+5V供电；为了实现触发功能和频率计功能，我们在板上设计了两路比较器通道，将两路模拟输入通道进入ADC前的波形转换为方波信号给H750的定时器输入使用。这里之所以使用进入ADC前的波形进行比较，是因为进入ADC的波形经过前端模拟电路调理已经落到已知的0-3.3V范围之内，这样比较器的比较门限容易设计。

如上图，H750利用内部的DAC输出一个0-3.3V的直流，来和进入ADC前的通道2波形进行比较，将通道2的波形变为方波，这样H750的定时器功能就可以利用方波信号进行中断处理和定时器捕获处理。

5.通道选择

采用继电器作为选通开关，选择直通信号或衰减为1/20的信号进入第一级同相放大器，同相放大器完成两个工作，第一是将同相端输入信号放大两倍，二是将放大后的信号平移1.65V，计算公式为 Vo = 1.65 + 2*Vi。

在1M欧姆输入分压电阻后面我们加入一个信号开关（继电器或手动开关），用于选择AIN是直接进入运放同相端还是分压到1/20之后进入，两种方式对于AIN来说输入阻抗都是1M欧姆。当我们需要采集小信号时，我们可以拨动开关使用直通输入来获取更精确的测量结果。可以计算得到：当选择直通输入时，Vo = 2*AIN + 1.65，而当选择衰减输入时，Vo = AIN/10 + 1.65。因此，对应电路整体增益为2倍或1/10倍。

信号源信号继电器选择分压网络，用于输出小信号时利用模拟电路分压来获得好的效果。跟ADC类似，要使信号源输出覆盖±10mV到±10V，同时兼顾大信号范围和小信号精度，DAC的分辨率是个问题。H750的DAC是12位，DAC满量程（也就是4096个码值都用满时）输出是±10V，当我们靠调小DAC码值输出小信号时，要想波形的电压分辨率达到7位精度，也就是波形的垂直分辨率有128个点，只能将波形衰减128/4096=1/32，换算到输出电压范围±10V/32 =±0.3215V，在±0.3125V以下更小的信号，再靠调小码值输出的话，DAC的分辨率就不足了，波形上的台阶就比较明显。于是我们使用模拟分档的方式，当要输出±0.3125V以下更小的信号的时候，使用开关切换电阻分压将波形衰减1/20输出，确保了小信号下的电压分辨率。同时，R57和R62的组合也使得电路在1/20衰减下的输出电阻为50Ω，R51使得电路在x1档下的输出电阻为50Ω。

搭配硬木课堂H750核心板，如下图所示：