#训练营#简易数字示波器-1186488A
简介
使用GD32E230C8T6实现简易示波器，支持波形和频率测量以及PWM输出。
简介：使用GD32E230C8T6实现简易示波器，支持波形和频率测量以及PWM输出。开源协议
：GPL 3.0
描述
一、原理图设计说明
1、模拟前端处理电路
（1）交直流耦合切换电路
要解决这个问题，那就需要了解电容的频率特性，理想状态下隔直电容的选择应该越大越好，但是由于不同容值的自谐振频率不同，低于自谐振频率时电容呈现容性状态，高于该频率时存在感性状态。电容越大，其自谐振频率越低，简单来说就是大电容通低频，小电容通高频。如上右图可知当瓷片电容为0.1uF（100nF）时，其自谐振频率为4Mhz，
一般要求电容的截止频率
其中fo为电路中工作频率。由此可知在该项目中100nF是足够应用的，但如果输入信号频率更高，就应该选择更小的电容。
（2）输入信号衰减电路
信号经过交直流耦合选择电路后由开关SW7选择两个通道，开关2和3接到一起时，输入信号直接流入后级的电压跟随器电路；当开关2和1接到一起时，输入信号经过R6、R12、R15三个电阻构成的电阻分压网络后将信号衰减到了1/50倍，
- 当SW6开关2和3接到一起时，可以测量的输入信号幅值为-1.6V-5V
- 当SW6开关2和1接到一起时，可以测量的输入信号幅值为-80V-250V
由此可知，当输入信号幅值较小时，可优先选择低压档位，如果测量时不确定输入信号幅值可先用高压档位测量后如满足低压范围内，可用低压档位测量以得到更为精准的测量结果，同时保护电路。
（3）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，在分析该这部分电路时需要掌握运放的虚断与虚短原理。
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。
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（正输入和负输入）的电压差趋近于零，、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。
a、电压跟随器电路
在电路U5.2芯片中运放反向输入引脚2脚接到运放输出引脚1脚，结合运放的虚短特性，V+=V-=Vout。根据虚断可知运算放大器的输入阻抗比较大，所以运算放大器正向输入电流很小，运放输出阻抗小所以输出的电流很大，说这里的电压跟随器起着一个阻抗匹配的作用。
b、比例放大电路
在对U5.1运放构成的电路进行分析时，可以将其拆解为一个同相比例放大电路和一个反相比例放大电路进行单独分析后合到一起。
假设运放正向输入端接地，构成反相比例放大电路，由运放的虚断特性可知反向输入引脚流入运放的电流为0，可以R13和R15可以看做串联，所以流经电流相同。由虚短特性可知V+=V-=0，由此可得：
将Vi=1V，R13=20K，R15=10K带入得Vo=-0.5V，与仿真结果一致。
假设运放反向输入端接地，构成正相比例放大电路，由运放的虚断特性可知运算放大器两个输入引脚流过的电流为0，即流过R4的电流为0，Vin=V+。可以看做R13和R15串联，所以流过的电流也相同。由虚短特性可知两个输入引脚的电压相同，即V+=V-，所以有Vin=V+=V-。Vo与R13和R15构成回路，则流过的电流为：
单独对R13来看，流过的电流也等于它两端的电压除以它的电阻值，代入Vin=V+=V-得到以下公式：
合并两公式可得出：
将以上两个公式合到一起，将Vin=5/3V，R13=20K，R15=10K带入得Vo=2.5V，与仿真结果一致。
将以上同相比例放大电路与反相比例放大电路结合起来得到以下公式
将Vin=1代入公式得Vo=2V，与仿真结果保持一致。
Vo信号将直接接到单片机的ADC引脚，由于单片机采集到ADC的电压范围值为0~3.3V，由此可以计算出该示波器输入电压范围。
当输入信号Vin不衰减时，将Vo=0、Vo=3.3V分别代入公式得：
得到以下结论：
低压档位测量范围：-1.6V~5V，高压档位测量范围：-80V~250V
（4）比较器测频电路
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，当输出为高电平时，输出端上拉到高电平，这时等效电路如下左图所示，算得Uth=U+=2.214V。当运放输出为低电平时，输出端接地，等效电路如下右图所示，算得Utl=U-=2.172V。
输出高电平等效电路
输出低电平等效电路
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Ttl。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。
2、电源控制电路
Type-C电源输入电路
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负压产生电路得到一个 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。
负压产生电路
3 、单片机电路
单片机电路使用了由立创开发板团队推出的GD32最小系统板电路，个人喜好将电路整合到一块板子上，GD32芯片一块多一个，淘宝很 便宜。
也可以模块化设计，更加简单便捷。
4、 人机交互电路
（1）液晶屏显示电路
1.8 TFT 是一款彩色显示屏，具有 128 x 160 个彩色像素，使用四线SPI通信方式与单片机进行连接。
本人淘宝购买，听群友说是没整优惠买亏了几块钱，痛心疾首啊！
（2）旋转编码器电路
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。
（3）LED灯指示电路
LED指示电路设计比较简答，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。我是纯小白复刻，也可以三极管去驱动led。
（4）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。
训练营技术完整文档链接
https://www.yuque.com/wldz/jlceda/dso?singleDoc
二、软件设计
GD32E230C8T6立创官方入门资料
示波器完整代码见附件，软件设计技术文档见官方教学文档
https://www.yuque.com/wldz/jlceda/dso?singleDoc
三、PCB设计说明
PCB设计我也是萌新一个，画出来的勉强能用，我的adc线拉的长了点，好在没出啥问题，实物验证基本功能没问题
四、实物展示
焊接我请出了老将，陪了我三年之久的一个黄花907，也是我入门电子的第一个电烙铁，我的很多板子出于它的贡献
贴片电阻和mcu直接锡膏+铁板烧/热风枪，由于锡膏我是手动拿针管一个一个涂上去的，后续排查错误时针对连锡部分用电烙铁修正了一下。
平常我贴片常用0805，这次大多数使用了0603封装，少数0805和一个较大的0r电阻。
上电之前必须检查有无连锡，电解电容有无接反，确保元件焊接正确后，通电。
我将BOOT切换方式换为开关，调整BOOT开关，通过usb线连接烧录type-c口烧写程序（也可使用stlink等方式），调整BOOT开关，按下复位按键，可以正常显示，也可以正常测量波形；然后的问题就是PWM输出开关按键按下之后和频率调节按键功能一致。
（排查问题，重新将mcu拖焊一下，问题解决，应该是针头太粗，锡膏给多了导致有些地方有连锡）
问题解决，重新上电连接信号发生器测试其它功能无问题，开始做外壳和面板·······
这两条线目前没想到更好的方案，最好的办法就是重新设计PCB，时间上来不及，先凑活凑活。
最终的实物是这样，暂时没有面板，设计丑，多多包涵。
五、3D外壳打印
上板外壳
底板外壳第一版
底板外壳第二版：添加排线凹槽、pwm输出接口孔。
第二版底版背面
打印首选嘉立创三维猴，外壳打印效果也是非常不错的
目前还缺一个旋钮帽和一些开关帽等小零件的建模，后续有时间去做一做。
六、面板设计
挖孔位置没有细调，只是一个大概的配色，外观的设计。后续按照外壳的参数调整之后进行实物验证。
在设计中尝试了多个配色方案，以及图案元素的放置，目前敲定这个方案。（仅供参考）
七、注意事项
1、注意原理图设计有无遗漏，器件选型或替换是否合理。
2、注意PCB的设计要点，以及信号走线的处理。
3、注意元件焊接虚焊问题及有无短路或开路。
4、注意外壳尺寸的设计及各挖空尺寸。
八、总结
本次训练营对于简易示波器的设计初窥门襟，在电路原理图PCB及其实物设计过程中收获颇多，通过不断与各位优秀设计者的交流中取长补短，同时也感谢嘉立创各位工程师的辛勤付出，感谢提供这样一个学习交流的一个平台和活动，同时也在设计和制作的过程中不断改正自身缺陷，培养良好的设计习惯。与君共勉，祝各位优秀的设计和开发者永无bug。
九、演示视频
设计图
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暂无BOM
克隆工程工程成员
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