#训练营#基于STM32的简易示波器项目-5892883A - 嘉立创EDA开源硬件平台

一、硬件电路分析

数字示波器是一种用于显示电信号波形的仪器，由多个关键电路组成，每个电路起着重要的作用。在这个项目中，主要涉及到的电路有电源电路、单片机电路、模拟前端电路、比较器测频电路、屏幕驱动电路、按键控制电路和指示电路。

1.1模拟前端处理电路

模拟前端处理电路是数字示波器的核心，负责处理输入模拟信号。其中，交直流耦合选择电路适应不同信号输入；电压衰减电路调整信号幅值；信号处理电路进一步放大、滤波和调理信号；频率检测电路则测量信号频率以助采样和显示。

图1 模拟前端处理电路

1.1.1交直流耦合切换电路

信号分为直流和交流两大类，但实际中往往不完美。直流电源信号因纹波而不平直，交流信号也可能混入直流成分，影响测量。为精确测量交流信号，可利用电容允许交流通过而阻挡直流的特性，串联电容过滤直流分量，即交流耦合。而直流耦合则保留所有信号成分。

图2 交直流耦合切换

电路中通过一个拨动开关SW2对输入交直流耦合信号进行切换，当开关2与1接到一起时为直流耦合，当开关2接到3时为交流耦合。当对输入进行直流耦合时，电流通路为导线，此时没有对输入信号做任何额外的处理。当电路为交流耦合时，由于串联在电路中的电容具有隔直通交的特性，直流分量并不能从电容所在的支路通过，因此就在电路的前端被滤除，从而不影响到后续交流信号的处理。

1.1.2输入信号衰减电路

信号经过前端的交直流耦合切换电路之后进入到输入信号衰减电路，通过SW3我们可以从两个通道中选择一个通道作为输入。当开关1和2连接到一起时，输入电压没有经过电阻分压直接进入后端的电压跟随器，而当开关2和3接到一起时，输入电压经过经过R7、R11和R11分压之后，进入后端电压跟随器的电压为落在R14上的电压，通过计算R14/R7+R11+R14=1/50可以得出，实际输入到后端的电压值应该前端输入的1/50，也就是信号衰减到原来的1/50。

图3 输入信号衰减电路

1.1.3信号调理电路

虚短：当运算放大器处于深度负反馈状态时，会出现一个被称为“虚短”的现象。这种现象的本质在于，两个输入端的电位在此时几乎相同，仿佛它们被短接在一起。因此，我们可以近似地认为正输入端的电压（V+）等于负输入端的电压（V-），也就是V+ = V-。

虚断：理想运放的设计中，其输入阻抗被设定为无穷大，意味着理论上在输入端不应该有电流流过。然而，在实际应用中，真实的运放输入阻抗是有限的，尽管它可能非常大。

这种输入端电流几乎为零的现象，我们称之为“虚断”。它反映了运放在设计上的高输入阻抗特性，使得在实际应用中，运放的输入端对外部电路的影响极小，从而保证了运放的稳定性和准确性。

图4 信号调理电路

（1）电压跟随器

由图4我们可以看到，U7.2芯片运放的反向输入引脚2被连接到了运放的输出端（引脚1），正向输入引脚3与前级电路相连接。根据我们上文提到的运算放大器虚短的概念，V+ = V-。可以得到此时电压跟随器的反向输入引脚上的电压会等于正向输入引脚上的电压，而反向输入引脚又与运放输出端直接相连，所以运放输出端的电压即为正向输入电压，放大倍数为1。

图5 电压跟随器

那么这里可能会有人提出问题，这样子一看，电压跟随器的存在不是多此一举吗，直接用一个导线与后级电路相连岂不是更省事？

电压跟随器在电路中起到信号缓冲和阻抗匹配的作用。它连接前后级电路，实现电气隔离，防止相互干扰。同时，电压跟随器的高输入阻抗和低输出阻抗能够匹配不同电路之间的阻抗，减少信号损失，保持信号传递的低失真。

（2）比例放大电路

图6 比例放大电路

同样，面对比例放大电路，我们也是直接从运放虚短、虚断的特性入手分析。我么先看到运放的正向输入引脚，V+是由+5V电压经过R4和R8分压之后，降落在R8上的电压，因此：

根据运放虚短的概念：

由于运放存在虚断，我们可以将R13与运放反向输入引脚之间视为断路，那么R13和R15之间就是串联。我们设R13左端输入电压，也就是前级电路输入进来的电压是Vx，比例放大电路输入到单片机引脚上的电压，我们将其设为Vo，单片机GPIO一般可忍受电压为0V~3.3V，也就是Vo的可接受范围为0V~3.3V。

然后我们列出式子：

代入数据计算：

（1）当Vo = 0V时：

解得：

（2）当Vo = 3.3V时：

解得：

所以，在单片机ADC引脚能够容忍的范围内，且不使输入信号衰减的前提下，测量范围约为-1.6V~5V，如若信号是衰减输入，则应乘上相应倍数50，也就是测量范围扩大为-80V~250V。

总结：低压档测量范围：-1.6V~5V  高压档测量范围：-80V~250V

实际上，构成电压跟随器和比例放大器的两个独立的运算放大器是集成在一块8Pin的集成芯片上的，它们同在一块芯片中，除了共享正负电源输入外，是两个独立的运算放大器。

1.1.3比较器测频电路

我们知道，信号的波形是有很多种的，常见的信号波形除了方波之外，还有正弦波、三角波等等，但是单片机的输入捕获功能检测的是一个波形的上升沿或者下降沿，为了捕获到波形以及获得更高的准确性，我们可以对信号波形进行处理，将其转化为方波，以更方便更精准地测量。为了实现波形的转换，我们可以用施密特触发器来对信号波形进行处理：

图7 比较器测频电路

首先，我们需要先了解一下比较器的特性，电压比较器通常用于比较两个输入电压的大小，并输出一个相应的高或低电平。通常被用于判断信号的阈值，产生数字逻辑信号或触发其他电路的操作。电压比较器的输出是离散的，只有两个可能的状态，通常是高电平或低电平，如果正相输入引脚的电压是高于反向输入引脚的，那么比较器将会输出高电平，反之则输出低电平。

为了分析施密特电路的工作原理，我们需要先给它设定初始输出状态。

（1）假设比较器初始输出电平为高电平，等效电路图如下：

图8 初始高电平施密特触发器

当比较器的初始电平为高电平时，原电路图可简化为图7，电压比较器正相输入引脚的电压V+为10kΩ电阻上的分压，所以：

其中，V2就是比较器正相输入引脚上的电压。

（1）假设比较器初始输出电平为低电平：

图9 初始低电平施密特触发器

当比较器的初始电平为低电平时，原电路图可简化为图8，电压比较器正相输入引脚的电压V+为10kΩ电阻上的分压，所以：

x其中，V2就是比较器正相输入引脚上的电压。

所以，当反向输入端的输入大于2.235V时，比较器将会输出低电平，而当其下降到2.142V时，比较器将会输出高电平。