#训练营#基于GD32核心板的示波器项目 - 嘉立创EDA开源硬件平台

# 项目概述 基于`立创·GD32E230C8T6开发板`的示波器训练营项目 <font size=5 > [视频展示](https://www.bilibili.com/video/BV1ux42117zt/?spm_id_from=333.999.list.card_archive.click&vd_source=eef8469158ba8d654abe9e773a29f825)</font> ## 目录 - 项目概述 - 目录 - 硬件设计 - 需要深入理解的内容 - 设计原理 - 示波器前端处理电路的方法和原理 - 交直流信号及在实际中信号的处理方式 - 信号调理电路 - 电压跟随器电路的特点 - 反向比例放大电路的特点 - 同向比例放大电路的特点 - 综合电路的特点 - 信号衰减结论分析 - 比较器测频电路的特点 - 电源电路 - 负电压产生电路 - 单片机电路 - 人机交互电路 - 屏幕显示电路 - 旋钮编码器电路 - LED指示灯电路 - 功能按键输入检测电路 - 波形输出电路 - PCB布局——布局设计和布线 - 布局 - 布局要素 - 布局流程 - 布线 - 布线要素 - 布线要点 - 整体优化 - DRC检查 - 器件采购 - 硬件焊接 - 软件设计 ### 硬件设计 #### 需要深入理解的内容 1. **示波器前端处理电路的重要性**：示波器前端处理电路的方法和原理，包括信号采集、调理和处理等过程，这些电路负责将输入的信号进行处理后传递给单片机进行识别。 2. **信号类型和处理**：详细说明了信号类型（直流信号和交流信号）以及在实际中信号的处理方式。例如，利用电容的通交隔直流特性，可以滤除直流分量，实现交流耦合。 3. **电路原理和组成**：对数字示波器的电路原理进行分析，包括模拟前端处理电路、单片机电路、电源电路、控制电路、触发电路、校准电路等组成，并解释了各部分电路的功能和作用。 4. **电压跟随器电路的特点**：输出电压幅度与输入电压相同，输入电阻大，输出电阻小等，以及它在电路中的作用，如缓冲和隔离等。 5. **人机交互电路的组成**：控制示波器的功能，包括按键、旋钮、LED灯、显示屏等。 6. **单片机电路**：GD32核心板，包括对输入信号的采集与处理输出工作等。 #### 设计原理 ##### 示波器前端处理电路的方法和原理 示波器前端处理电路的主要目的是对输入信号进行预处理，以便后续电路能够准确、稳定地采集和处理信号。前端处理电路通常包括信号调理电路和信号采集电路。 信号调理电路的主要作用是调整信号的幅度、偏置和滤波等，以便使信号适应后续电路的处理要求。调理电路可能包括放大器、滤波器、偏置电路等。 信号采集电路则负责将调理后的信号转换为适合示波器处理的信号，如将模拟信号转换为数字信号。采集电路可能包括ADC（模数转换器）等。  ##### 交直流信号及在实际中信号的处理方式 信号类型主要分为直流信号和交流信号。在实际中，我们接触到的信号往往都不是理想的波形，例如直流电源会有纹波，交流信号中可能混入直流分量。为了准确采集和处理信号，我们需要对信号进行适当的处理。 对于交流信号，我们可以利用电容通交隔直流的特性，将电容串联到电路中，从而滤除信号中的直流分量。这种处理方式称为交流耦合。 对于直流信号，我们则可以直接进行处理，无需进行特殊的耦合处理。 示波器电路的组成部分及各电路单独具体作用 示波器电路通常包括信号输入电路、信号调理电路、信号采集电路、显示电路等。 * 信号输入电路负责接收外部信号，并将其传输到后续电路。 * 信号调理电路对输入信号进行调整，以适应后续电路的处理要求。 * 信号采集电路将调理后的信号转换为适合示波器处理的信号。 * 显示电路则将采集到的信号以图形化的方式显示出来，供用户观察和分析。  ##### 信号调理电路 在信号调理电路中包含了-一个电压跟随器以及由运放构成的信号放大电路，需要了解**运放**的`虚短`和`虚断`。 虚短: 在运放处于深度负反馈时会出现虚短现象，使两个输入端的电位相等，就好像两个输入端短接到了一起可以近似为V+=V-。在负反馈中，运放的输出信号的一部分被取出并反馈到输入端。这种反馈作用使得运放的两个输入端(正、两个输入端的电压几乎相等。因为尽管运放的两个输入端在电气上并输入和负输入)的电压差趋近于零，没有被直接短路、，但由于负反馈的作用，两个输入端的电压却几乎相等，就好像它们被短路了一样，故称为虚短。 虚断: 理想运放的输入阻抗是无穷大，然而真实的运放输入阻抗却是有限的。如果给运放的输入端加一个电压然后测量该输入端的电流会发现电流读数接近为0，感觉运放内部断开，没有电流流入一样，但实际又是连接的，这种现象称为虚断。也可以用欧姆定律U=I*R来理解，当电压一定时，电流与电阻成反比，电阻无限大那电流也就无限小接近为0。 ##### 电压跟随器电路的特点 电压跟随器电路是一种特殊的电路，其输出电压与输入电压相同，且输出阻抗很低，因此具有良好的缓冲和隔离作用。电压跟随器电路通常用于减小电路之间的相互影响，提高电路的稳定性。此外，电压跟随器电路还具有输入阻抗高、输出阻抗低、频响好等特点，因此在实际电路设计中得到了广泛应用。  ##### 反向比例放大电路的特点 输入信号从运算放大器的反相输入端输入，具有输出极性相反且放大输入信号的功能。  ##### 同向比例放大电路的特点 输入信号从运算放大器的同相输入端输入，具有输出极性相同且放大输入信号的功能  ##### 综合电路的特点  ##### 信号衰减结论分析  ##### 比较器测频电路的特点 为了实现频率检测的功能，将ADC输入信号通过一个滞回比较器对输入信号进行比较，实现频率的测量功能。滞回比较器是属于电压比较器中的一种，常规的电压比较器是一个单限比较器，电路中只有一个阈值电压，但在输入电压在阈值附近有微小变化时都会引起输出电压的越变。为了增强电路的抗干扰能力，在单限比较器的基础上引入了正反馈，保障了在一定范围内信号的稳定性通过滞回比较器电路后输出一个方波信号，使用单片机的定时器捕获功能计算出输入波形的周期大小。  滞回比较器电路的阈值电压需单独对运放输出结果进行分析，原始电路如下左图所示: - 当输出为高电平时，输出端上拉到高电平，这时等效电路如下中图，算得Uth=U+=2.214V。 - 当运放输出为低电平时，输出端接地，等效电路如下右图，算得Utl=U-=2.172V。  下图绿色线代表信号输入电压变化情况，从0电位上升，初始输出状态为高电平，输入电压达到2.214V时输出信号变成低电平，直到输入信号低于下限阈值2.172V时输出变为高电平。可以根据比较器当前的输出状态来确定下一个变化电平的阈值，当输出为高电平时使用的是高阈值Uth，输出为低电平时使用低阈值TtI。之所以将阈值设置接近是为了避免信号干扰造成的误识别。  **注意：** 此处阈值比较器运放正向输入信号为固定电平，若使用带有DAC输出的单片机，可自由配置该点电位大小，从而改变阈值电压，实现对触发模式的设置。 ##### 电源电路 项目使用GD32最小系统板为核心，板载了5V转3.3V降压电路，所以在设计扩展板时只需要设计个5V电源输入电路即可，这里选用了主流的Tvpe-C为输入接口，且该接口只有两根线，插件封装，方便新手焊接学习，但需要注意的是这个Type-c接口仅用于供电，不能传输数据，如果需要使用传输数据，可以使用核心板上的Type-c接口。sW1为电源总开关、C1为输入滤波电容，R1是LED1的限流电阻。  ##### 负电压产生电路 除了电源输入电路为，为保障运算放大器对于负电压的测量性能，使用了XD7660负压产生电路得到负电压，该芯片外围电路简单，只需要两个电容和一个二极管即可工作，理论上输入电压为+5V，也可以输出一个-5V的电压，由于芯片内部存在一定压降及转换效率，实际测量负电压为-4.3V左右，也能满足运算放大器的要求。  ##### 单片机电路 项目使用了由立创开发板团队推出的GD32最小系统板为主控，这款开发板是由立创开发板团队联合兆易创新推出的一款全国产的开发板，板载CH340下载芯片，只需要一根数据线就可以对板子进行烧录与串口调试，同时兼容STM32最小系统板的尺寸与引脚配置，可以直接进行替换。  ##### 人机交互电路 ###### 屏幕显示电路 采用1.8寸TFT屏幕，是一款彩色显示屏，具有128x160个彩色像素，使用四线SPI通信方式与单片机进行连接，一共有八个引脚。  ###### 旋钮编码器电路 旋转编码器属于一种特殊的按键，该项目使用的EC11旋转编码器有五个引脚，其中DE两个引脚类似于普通按键引脚，按下导通，松手断开，其余ABC三个引脚用于检测旋钮的转动方向，c脚为公共端，直接接地就行。 在旋转编码器时，A和B两个信号引脚存在相位差，也就是有一个引脚信号变化后另一个引脚信号再跟着变化，即两个引脚不同时变化，通过检测哪个引脚先变就能判断是正转还是反转功能。  ###### LED指示灯电路 LED指示电路设计比较简单，采用低电平驱动的方式，当单片机引脚输出为低电平时，LED两端存在电势差，LED点亮;当单片机引脚输出为高电平时，LED灯熄灭  ###### 功能按键输入检测电路 除了旋转编码器外，该项目还使用了三个独立按键对系统进行控制，三个按键一侧直接接地，另一侧连接到单片机引脚，当单片机引脚检测到按键按下时，单片机引脚直接接到GND接地，单片机收到该引脚接地信号的反馈后再去实现对应的功能，为节约硬件成本，可以在软件设计时引入消抖功能，避免机械按键抖动时的误触发。  ##### 波形输出电路 除了示波器检测功能外，单独引出了一个PWM信号用于模拟一个简易的函数发生器功能，可以通过改变输出PWM的频率和占空比输出一个简易方波信号输出。  #### PCB布局——布局设计和布线 ##### 布局 ###### 布局要素 | 要点 | 要素 | |:----:| :----: | | 1 | 按模块划分，遵循“先大后小，先难后易”原则。重要电路先放，其他最后 | | 2 | 根据电源走向以及主控与外围器件引脚连接进行布局摆放 | | 3 | 遇到连接器接口需靠边放置，保证实际使用时的可操作性，便于安装调试 | | 4 | 特殊元件为避免干扰需单独处理，比如高频器件、发热器件等 | | 5 | 做好电气隔离，常见的有高低压隔离、模拟数字隔离、高低频隔离等 | | 6 | PCB布局保证走线尽可能短、直，电源滤波电容紧靠芯片进行摆放 | ###### 布局流程 - **按模块分类** 将原理图生成PCB后接下来进行元器件的布局与走线，刚转到PCB画布时元器件摆布是比较杂乱的，首先要做的是将元器件按电路功能进行分类，分类的方式是先在原理图页面对各个电路模块进行单独框选，然后选择“设计”菜单栏下的“布局传递”功能，传送到PCB将对应的元器件提取出来重新摆放，这一步是分类的关键。 - **设置边框** 立创可供免费PCB打样的尺寸是10cm*10cm，结合该项目情况我们设为了70mmx80mm，在放置菜单栏中选择放置-板框，在PCB画布中任意放置一个矩形，点击矩形框，在右侧属性栏中将尺寸改为70*80mm，圆角尺寸设为2mm。 - **元器件布局** 边框放置好后可以将四个螺丝孔分别放置在板子四周，布局时先将大尺寸器件放置在板子内部，进行初步布局，使整个板面电路模块清晰，布局合理，使用方便。布局时使用3D预览功能实时查看布局效果是否合适。 - **布局的诀窍** 布局时元器件相互连接处有一根淡蓝色的线条，这根线叫做飞线，它起的作用是告诉我们那两个焊盘是相同网络，需要使用导线连接，所以飞线也叫做指引线。但是页面中飞线太多影响布局摆放，在布局走线时可以将GND网络的飞线隐藏，使页面更简洁。隐藏方式是:在左侧“工程设计”列表中选择网络，在搜索栏中搜索GND，在飞线列表中将AGND和GND前的眼睛关闭即可。 ##### 布线 ###### 布线要素 | 要点 | 要素 | |:----:| :----: | | 1 | 走线长度尽量短，走线沿焊盘方向引出 | | 2 | PCB设计尽量避免产生锐角和直角，产生不必要的辐射干扰 | | 3 | 走线过程中不允许出现一端浮空走线，避免天线效应 | | 4 | 电源滤波去耦电容走线时保证电流先流过电容滤波再给器件供电 | | 5 | 在设计走线时，保证信号线与其回路面积尽可能小，即最小回路原则 | | 6 | PCB走线时尽量加宽电源与地线宽度，地线>电源线>信号线宽度 | ###### 布线要点 - 走线以直线为主，如需拐弯时拐角以135°钝角或圆角优先，减少直角的使用; - 走线线宽电源线宽大于信号线，该项目中信号线走线宽度为15mil，电源走线为20mil，GND和AGND网络使用铺铜的方式连接; - 建议优先使用顶层走线，走不通的地方使用过孔建立顶层和底层的连接后转到底层继续走，底层走不通同样可以放置过孔换到顶层连线; - 对AGND和GND需要以0欧姆电阻处为分界单独覆铜这里需结合PCB布局情况来调整覆铜范围; - 覆铜完成后如果还存在飞线，可通过在存在飞飞线的位置放置对应网络的过孔或者是调整走线位置使网络能够连接，也可以采用手动接线的方式消除飞线; - 走线完成后可在“工具”菜单栏选择泪滴添加，加强焊盘与走线的连接，最后再进行覆铜操作，如果对走线有移动调整也应使用快捷键Shift+B进行重建覆铜。 ##### 整体优化 | 要点 | 要素 | |:----:| :----: | | 1 | 检查线宽间距是否符合设计要求，焊盘与走线，焊盘与焊盘间是否相互干扰等 | | 2 | 检查丝印是否清晰，丝印摆放统一视角，接口引脚用丝印标记 | | 3 | 对关键电路及信号是否采取最佳布局走线，如走线最短、电气隔离等 | | 4 | 对元器件的编号及名称是否标记准确，避免焊接错误 | | 5 | 对一些不理想的走线进行调整优化，检查电源线电流流向是否合理 | | 6 | 导出gerber文件前对整体进行DRC检查及预览，添加项目名称、logo和版本等信息 | ##### DRC检查 完成走线后点击检查DRC按钮，若显示无报错警告，则代表该PCB设计完成。实际设计过程中往往可能出现各种错误，也可以通过检查DRC找到错误点进行修复。 ### 器件采购 * 非新用户，而且训练营的羊毛之后才能薅；所以本次硬件采购全部都是淘宝（只有部分`一两个`没有，那就自行找下渠道吧）  **东西不全，还缺几样** 偷懒了，表示不想翻图 time:3.10.am.2:28 ### 硬件焊接   ### 软件设计 待补充~