#训练营#基于GD32的简易数字示波器项目-7370374A

        该示波器项目是一个基于电子技术的项目，旨在设计和制作一个简单的示波器用于显示波形信号，它采用核心板加扩展板设计理念，通过插件器件设计，使学习过程更加简单。核心板主要选用了国产GD32作为主控芯片，同时也兼容同类型的其他款式开发板。这个项目的综合程度较高，实用性也很强，设计完成后可以作为桌面上的日常仪表使用。此外，该项目还提供丰富的学习资料，包括电路设计教学、PCB设计以及代码编程的学习内容。这个项目涉及到多个方面的知识和技能，包括模拟前端处理电路、比较器测频电路、负压产生电路、Type-C电源输入、LED指示电路、按键控制电路等。

        本次简易示波器项目工程包括以下六个主要部分：

一、模拟前端信号输入采集电路：主要负责将输入的模拟信号进行放大、滤波和放大，以便于后续的信号处理和显示。如下图所示。

       

1.1电路设计

该电路主要由以下几部分组成：

1. 放大器：用于放大微弱的输入信号，提高信号的信噪比。可以选择低噪声、低失真的放大器芯片，如OP07等。
2. 滤波器：用于滤除输入信号中的高频噪声和杂波，提高信号的纯净度。可以选择具有适当带宽和高频衰减的滤波器芯片，如LC滤波器或RC滤波器。
3. 放大器+偏置电路：用于保证信号的幅度能够适应后续电路的输入范围，同时提供合适的偏置电流，使输入信号能够准确地被采样和量化。可以选择具有可调偏置电流和高稳定性参数的放大器芯片。
4. 比较器和箝位电路：用于比较放大器输出的电压信号和设定值，并将超出设定范围的值箝制在设定值内，以保护后续电路不受过大的信号幅值冲击。可以选择高速、低漂移的比较器和箝位电路芯片。

1.2电路实现

在电路实现中，需要使用适当的电子元件和电路板，搭建出符合要求的模拟前端处理电路。以下是一些需要注意的关键点：

1. 电路板布局：合理布局各芯片和电子元件，保证电路的电气性能和散热性能。同时，要考虑电源线和地线走向，避免信号干扰。
2. 电阻电容：选择合适的电阻电容，用于提供所需的直流偏置电流、滤除噪声和杂波，以及调节放大器的增益和带宽等参数。
3. 电源供应：为电路提供稳定的电源供应，保证各芯片的正常工作。同时，要考虑电源线的干扰和地线电位差异对电路的影响。
4. 调试与测试：根据设计要求进行调试和测试，确保电路能够正常工作并满足示波器的性能指标。可以使用示波器等仪器进行测试，并调整相关参数以达到最佳性能。

总之，简易示波器的模拟前端处理电路是示波器的重要组成部分，其性能直接影响示波器的信噪比、动态范围、频率响应等关键指标。通过合理的电路设计和实现，可以获得性能优良的示波器。        

二、比较器测频电路：通过比较信号频率与预设频率的大小关系，来实现对信号频率的测量。

       

2.1设计原理

比较器测频电路基于比较器的特性，当输入信号频率与预设频率相等时，比较器输出幅度较大的信号；当输入信号频率小于预设频率时，比较器输出幅度较小的信号。通过检测比较器输出信号的幅度，即可得到信号的频率信息。

2.2电路组成

简易示波器的比较器测频电路主要由比较器、电阻、电容和示波器等组成。

1. 比较器：用于比较信号频率与预设频率，输出幅度不同的信号。
2. 电阻：用于调节比较器的放大倍数，从而控制测频精度的。
3. 电容：用于滤除输入信号中的杂波，提高测频精度。
4. 示波器：用于观察比较器输出信号的幅度，从而得到信号的频率信息。

2.3测试方法

1. 搭建电路：按照电路组成，搭建比较器测频电路。
2. 输入信号：将待测信号接入电路，调节电阻和电容，使比较器输出幅度适中。
3. 观察示波器：观察示波器上的波形，记录比较器输出信号的幅度。
4. 计算频率：根据比较器输出信号的幅度和时间间隔，可计算出信号的频率。

2.4优缺点分析

该电路具有简单易行、成本低、精度较高的优点，但同时也存在一定的局限性。首先，该电路只能测量大于预设频率的信号频率，对于小于预设频率的信号无法测量；其次，该电路的测频精度受比较器和电阻的影响较大，需要通过调节电阻和电容来控制。

2.5应用场景

简易示波器的比较器测频电路适用于对信号频率进行粗略测量的场合，例如对音频信号、无线电信号等频率较低的信号进行测量。在实际应用中，可以根据具体需求和测量精度要求，对电路进行优化和改进。

综上所述，简易示波器的比较器测频电路是一种简单、易行、成本低、精度较高的频率测量方法。通过调整电阻和电容等参数，可以进一步提高测频精度和适用范围。

三、负压产生电路:能够提供稳定的直流电压，以满足示波器的正常工作需求。

      

3.1电路原理
简易示波器的负压产生电路主要由电源变压器、整流器、滤波器及稳压器组成。电源变压器将交流电网的电压转换成适合示波器使用的电压。整流器将交流电转换成直流电，通过滤波器滤除电网电压中的高频干扰。稳压器则用于稳定输出电压，确保示波器的稳定工作。

3.2电路组成

1. 电源变压器：选择适当的变压比，以满足示波器对电压的需求。
2. 整流器：采用适当的整流元件，如二极管、三极管等，将交流电转换成直流电。
3. 滤波器：采用适当的电容器和电阻器，滤除整流器输出的高频干扰，得到平滑的直流电压。
4. 稳压器：采用适当的稳压元件，如稳压管、集成稳压器等，稳定输出电压，确保示波器的稳定工作。

 四、Type-C电源输入

       

4.1设计方案

1. 输入电压范围：Type-C接口可以提供5V/9V/12V等多种电压输出，可以根据示波器的需求选择合适的电压范围。
2. 电源管理芯片：选用一款适合Type-C接口的电源管理芯片，可以对输入电压进行调节、稳压、滤波等处理，确保示波器正常工作。
3. 电路设计：根据电源管理芯片的引脚功能，设计相应的电路，包括输入端电路、输出端电路、保护电路等。
4. 硬件选型：根据电路设计，选择合适的电子元器件，包括电源管理芯片、电容、电感、二极管、MOS管等。
5. 软件调试：对电路进行调试，确保示波器能够正常工作并满足测试需求。

4.2实现过程

1. 准备电子元器件：根据硬件选型，准备所需的电子元器件，并确保质量可靠。
2. 焊接电路板：将电路板焊接成简易示波器，确保焊接质量。
3. 调试电路：对电路进行调试，确保示波器能够正常工作，并进行必要的修改和调整。
4. 测试电源性能：对示波器的电源性能进行测试，包括输入电压、输出电压、电流、功率等指标，确保符合设计要求。
5. 包装发货：将调试好的简易示波器进行包装，发货给用户使用。

 

五、LED指示电路:可以将输入的信号转换成适合LED灯显示的电压信号。同时，该电路还配备有保护电路，可以避免过压和过流对电路的影响。

       

5.1电路组成

简易示波器的LED指示电路主要由以下几个部分组成：LED灯、电阻器等。示波器探头可以将输入的信号转换成电压信号，并输出到LED灯上。LED灯通过电阻器和电容连接到示波器探头输出端，以显示输入信号的波形。

5.2电路设计

1. 电阻器选择：LED灯需要一定的电压才能点亮，因此需要选择适当的电阻器来限制电流，避免LED灯烧毁。同时，电阻器的阻值也决定了LED灯的亮度，需要根据实际情况进行选择。
2. 保护电路设计：为了保护电路不受过压和过流的影响，需要加入保护电路。当输入信号过大或过流时，保护电路会自动断开，避免电路受到损坏。

六、按键控制电路：通过微处理器的控制，实现对示波器的各种功能的自动化操作。

       

6.1按键控制电路实现方式

1. 按键开关与微处理器的连接：通过矩阵键盘接口，将按键开关的信号传输到微处理器。
2. 微处理器对按键的处理：当某个按键被按下时，微处理器会识别出是哪个按键被按下，并读取其状态信息。
3. 微处理器的控制输出：根据读取到的按键状态信息，微处理器会输出相应的控制信号，实现对示波器的自动化操作。
4. 示波器响应：示波器接收到微处理器的控制信号后，会根据信号进行相应的操作，如触发信号的生成、通道选择、亮度调节等。

6.2实际应用场景

简易示波器适用于各种电子产品的调试、维修和故障排查。通过按键控制电路，用户可以方便地实现对示波器的各种功能操作，如触发信号的生成、通道选择、亮度调节等。同时，按键控制电路还可以实现自动化操作，提高工作效率。

         以上是示波器的主要部分电路，接下来通过软件下载导入程序，以实现一定的功能。

        第一个是LED控制实验，该实验是写一个代码，使得底板的LED2和LED3灯点亮。根据实验原理，我们需要将对应的引脚配置为高电平或低电平，以控制电流的流向，从而点亮LED灯。具体来说，LED2连接PC14，LED3连接PC15，正极接3.3V，中间接入了一个1K的限流电阻。当我们将对应引脚配置为高电平时，单片机引脚输出3.3V，此时没有电压差，电流无法流过LED；而当我们将对应引脚配置为低电平时，单片机引脚输出0V，此时有电压差，电流流过LED并使其点亮。因此，通过控制GPIO引脚的输出高低电平，我们可以轻松控制LED灯的点亮状态。

        第二个是按键检测实验。本次实验内容是探究通过KEY1按键与KEY2按键来控制底板LED灯的工作状态。当KEY1按键按下时，底板LED2、LED3点亮；当KEY2按键按下时，底板LED2、LED3熄灭。实验原理是利用按键驱动的基本知识，将按键连接的引脚与底板进行连接，默认设置上拉模式，通过判断引脚是否为低电平来判断按键是否按下。硬件设计上并未使用硬件消抖，需要在代码中进行处理。实验过程中需要确保引脚电平信号的稳定性，以避免干扰实验结果。实验过程中还需要注意电源稳定性和底板散热问题。

        第三个是串口调试实验，本次实验要求通过串口发送“Hello World”到电脑，并通过电脑串口助手进行显示查看。在前面的基础知识中，我们已经了解了串口通信的基本原理和串口连接的引脚配置。在本次实验中，我们将使用USART0的TX引脚（PA9）和RX引脚（PA10）进行串口通信。当电脑端与单片机端配置好相同的串口通信后，就可以开始发送和接收数据了。通过本次实验，我们可以进一步熟悉串口通信的基本原理和操作方法，为后续的学习和工作打下基础。同时，通过串口通信还可以实现多种应用场景下的数据传输和控制。

        第四个是外部中断实验，本次实验需要通过板载EC11旋转编码器来控制LED2、LED3的点亮和熄灭状态，实现正转点亮、反转熄灭的功能。通过前面的基础知识学习，我们已经了解了旋转编码器的原理和连接方式，将旋转编码器与外部中断电路连接在一起，通过按键KEYD、KEYA、KEYB控制LED2、LED3的亮灭状态。当按下按键时，旋转编码器会产生相应的脉冲信号，通过读取KEYA引脚的下降沿信号，可以判断出是正转还是反转，从而实现控制LED的亮灭状态。

        第五个是ADC检测实验。本次实验将获取ADC值，通过串口发送到串口调试助手上进行显示。首先，我们需要了解ADC的原理以及它连接的引脚（ADC --> PA3）。然后，我们需要对ADC进行参数配置，使其能够采集并转换数据。接下来，通过公式计算出电压值，并发送到串口调试助手进行显示。在实验过程中，要确保ADC正常工作，避免干扰和短路，确保串口参数设置正确，避免数据传输错误。

        第六个是定时器中断实验，本次实验采用的是定时器15，目的是实现LED灯每间隔0.5s进入一次中断，使得LED灯闪烁。通过前面的基础知识说明，我们已经知道定时器原理与通用参数，定时器计时属于单片机内部外设功能，无需 GPIO 输出，只需要将对应的时钟、预分频系数、周期等参数配置完成，就可以了。

        第七个是PWM输出实验。通过配置定时器和PWM输出引脚，可以生成指定频率和占空比的方波信号。在本实验中，我们将配置PA2引脚输出1KHz频率的方波，并通过万用表观察引脚电压的变化，从而验证PWM输出的正确性。通过这个实验，可以加深对PWM原理和定时器配置的理解，并掌握如何在实际应用中生成特定的PWM信号。

        第八个是输入捕获实验，通过配置定时器和输入捕获引脚，实现对1Khz频率的测量，并将结果通过串口输出。首先，配置定时器，选择合适的时钟频率和计数器周期，使得定时器的计数频率在10~100Khz左右。然后，配置输入捕获引脚为PA6，并设置相应的输入捕获参数，在定时器中断服务函数中，读取捕获寄存器的值，计算出输入信号的频率。最后，将测量结果通过串口输出，可以使用printf函数或者其他串口通信方式，运行实验，观察串口输出的测量结果。

        第九个是屏幕显示实验，通过 SPI 发送指令给 1.8寸 LCD 屏幕驱动控制芯片，实现屏幕点亮显示白色背景并附加任意文字。首先掌握 SPI 通信原理和 1.8寸 LCD 屏幕的连接参数，然后通过 SPI 发送对应的指令驱动屏幕，屏幕内的控制芯片收到指令后会点亮屏幕或熄灭屏幕。通常情况下，屏幕驱动厂商会提供参考驱动程序，需要开发者自行适配进行修改。在本次实验中，要确保连接正确，避免短路等故障； 注意调试过程中的安全，避免误操作导致硬件损坏；熟悉实验原理和步骤，确保实验成功。

        第十个是波形显示实验，本次实验是驱动1.8寸 LCD 屏幕模拟显示方波信号。基于波形原理与 LCD 显示的相关函数，通过编写绘制折线函数，将模拟数据输入，实现方波信号的模拟显示。在本次实验中，要确保 LCD 屏幕与电脑连接稳定，避免信号干扰。调试过程中，注意观察 LCD 屏幕显示效果，避免出现误差。实验过程中，请勿随意更改参数，以免影响实验效果。

        此次项目并不是一帆风顺的，遇到了一些问题，但通过自己的琢磨和提问也慢慢解决了。这次项目既可以帮助学习者深入了解电子工程原理，也可以作为实践项目提升自己的设计和制作能力。通过完成这样的项目，可以更好地理解和应用电子技术，同时培养解决问题的能力和创新思维。