#训练营#基于STM32的多功能简易示波器 - 嘉立创EDA开源硬件平台

项目简介：
    本项目以STM32系列单片机为控制核心，设计一款双通道简易数字示波器与波形信号发生器，使用3.5寸TFTLCD显示屏，使用示波器探头检测信号波形；通过波形信号发生电路可输出正弦波、三角波、方波等常用波形。
 

主要实现的基本功能：

    本项目系统采用STM32F103CVT6为主控。3.5寸TFT显示屏用于显示波形主要参数。通过独立按键、EC11旋转编码器与示波器探头BNC20相结合，可实现：可输出正弦波、方波、三角波、等常见波形可输出SinC或其他自定义定制波形，实现任意波形输出，波形参数可通过Matlab软件生成出。

一、电路原理分析：

    数字示波器是一种用于显示电信号波形的仪器，主要由模拟前端处理电路、单片机电路、电源电路、控制电路、等电路组成。由于该项目为示波器入门项目，在电路设计上选择了一些核心电路，主要包括了以下电路：

（1）模拟前端处理电路：负责将输入的检测模拟信号进行处理后给单片机进行识别是整个电路的核心。

（2）波形信号发生电路：负责将单片机输出信号进行处理后输出正弦波、三角波、方波等常用波形是整个电路的核心。

（3）电源电路：负责给运放提供正负电源以及系统供电，是保障电路正常运行的基础；

（4）单片机电路：给系统提供控制核心，负责对输入信号的采集与处理输出工作；

（5）人机交互电路：用于控制示波器功能，包括按键、旋钮、显示屏以及其它输入输出接口，为示波器功能的开发提供基础。

 1.模拟前端处理电路

     从左往右是一个反相比例运放电路，双二极管BAT54S电压钳位电路,加法器，反相比例运放电路。

    我们从输入到输出分析：采集输入部分使用反相比例运放电路缩小(约) 1/2，进入加法电路后，再缩小1/3通过反相比例运放输出值给单片机电路采集。下面以输入10V为例，以下是分析计算过程：

  2.信号发生电路

      电路实现：使用一个反比例运放电路将输出的电压缩小3倍，经过加法器后放大2倍，再通过一个反相比例运放电路放大3倍，得到最终输出电压值。

     以下是分析过程：

     注意：这里是以1.65V为零点，也就是说当输出电压小于1.65V时是负电压，这点是写程序的时候需要注意的。

 3.电源电路

  （1）+5V与+3.3V电源电路

             本项目+5V与+3.3V电源电路采用MP2359 及AMS1117-3.3芯片。

             MP2359是一款内置功率 MOSFET 的单片降压开关转换器。在宽输入范围内，可提供 1.2A 的峰值输出电流，具有极好的负载和线性调节性能。电流控制模式提供了快速瞬态响应，并使环路更易稳定。

            MP2359工作电压范围：4.5V 至 24V 宽输入，可调输出范围：0.81V 至 15V。

              设计参考了12V稳压5V MP2359芯片手册（官方英文）。数据手册提供了经典范例，实现了12V-5V的降压操作，以及其外围电路的设计。这里我加入一个开关控制，当拨码开关打开时外部电源输入。

              AMS1117-3.3是一款输出电压为3.3V的正向低压差稳压器，适用于高效线性稳压器、开关电源稳压器、电池充电器、有源小型计算机系统接口端子、笔记本电脑供电仪器的电源管理电池。

            AMS1117-3.3 输出电压范围：3.201 V~3.399V ；精度：1％

           从左到右分别是输入、接地和输出。当12V稳压5V后，VBTN接入芯片输入+5V网络。另外，加入F1自恢复保险丝进行过流保护，C25和U17为输出滤波电容，用于抑制自激振荡。如果这两个电容不接，线性稳压器的输出通常会是一个振荡波形。

  （2）正负电源电路

      1.±12V电源电路(推荐使用，本项目测试使用)

               本项目±12V电源电路采用TPS5430芯片。TPS5430是一款高输出电流 PWM 转换器，集成了低电阻、高侧 N 沟道 MOSFET。具有所列的特性的基板上还包括高性能电压误差放大器、欠压锁定电路（用于防止在输入电压达到 5.5V 前启动）、内部设置的慢启动电路（用于限制浪涌电流）以及电压前馈电路。

            电路设计采用一大一小电容组合进行滤波，降低电源纹波的同时获得更好的瞬态响应。

            OUT+电源输入为12V，通过调节可调电阻PR3，可以调节输出电压，负电压Vout-=（（R48+PR3）*1.221）/PR3。

            D5、L2是BUCK-BOOST反压电路拓扑中的电感和续流二极管元。

       2. ±5电源电路（经测试不建议使用，本项目测试不使用）

           ±5电源电路采用SGM3204电荷泵芯片，开关电容式电压变换器，最大输出200mA,可用于运放放大、滤波等电路。

           输入电压：1.4V~5.5V  输出电压：-5.5V~-1.4V

  （3）基准电压源

          本项目使用 ±12V为输入时，电压基准芯片采用TL431AIDBZR，该器件是三端可调节并联稳压器，在适用的汽车级、商用级和军用级温度范围内均可满足规定的热稳定性。可以通过两个外部电阻器将输出电压设置为介于Vref（约为2.5V）和36V之间的任意值。注：Vin的大小需使得IKA在1-100mA之间，即1mA<(Vin-2.5)/R<100mA，保证调节Vin使得5.7V<Vin<272.5V即可。根据输出电压公式：Vout=(1+R1/R2)Vref，注意输出最小值Vout（min）=Vref+Vbe。

本设计电路中加入一个了可调电阻用于调节输出的电压。通过仿真计算阻值为：-Vout=(1+(4.7+0.54)k/(4.7+0.46)k)*2.5 = -4.95V

          项目使用 ±5V为输入时，电压基准电路如下(经测试不建议使用，R47不焊)：

  （4）测试电源选择电路

           使用跳线帽选择需要的电源闸位，本项目测试使用±12V。

 4.单片机电路

    单片机控制核心为意法半导体的STM32F1系列主流MCU-STM32F103VCT6，MCU采用Cortex-M3内核，CPU最高速度达72 MHz，具有256KB Flash、多种控制外设、USB全速接口和CAN。

       复位电路与STLINK调试电路

 5.人机交互电路

（1）3.5寸TFT液晶显示屏

         本设计显示信息部分采用正点原子的3.5寸TFTLCD模块液晶显示(我白嫖的~~~)。屏幕480*320分辨率，视角广，显示细腻不刺眼，使用16位80并口。当然也可以替换成便宜一点的SPI屏，因为有了工程代码，这里为了方便，我就不使用其它的显示屏了。

（2）按键输入检测电路

           项目使用了四个独立按键对系统进行控制，四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。

（3）旋转编码器电路