基于 STM32 的示波器实现

一、系统总体架构

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被测信号
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信号调理电路（分压 + 偏置 + 跟随）
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STM32 ADC
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DMA 传输（核心）
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RAM 缓存（波形缓冲区）
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触发判断（上升沿/下降沿）
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TFT 显示（网格 + 波形）
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按键/编码器（时基/电压档位）

二、硬件选型与参数

项目	基础版 (F103)	进阶版 (F407/H743)
主控	STM32F103C8T6	STM32F407ZGT6 / H743
ADC	1Msps (12bit)	2.4Msps+ (12bit)
带宽	200KHz	10MHz+
屏幕	320x240 TFT (SPI/FSMC)	480x320 TFT (LTDC/FSMC)
存储深度	1K ~ 4K 点	32K ~ 1M 点

三、核心硬件设计（至关重要）

STM32 的 IO 口只能承受 0~3.3V。示波器必须有过压保护和信号调理。

1. 衰减与分压

1x 档：直接进 ADC（0-3.3V）。
10x 档 ：使用 1MΩ + 9MΩ 电阻分压网络，将 ±30V 信号衰减到 ±3.3V。

2. 直流偏置（最关键）

STM32 ADC 不能采负电压。

使用运放（如 LM358 或 AD8065）搭建加法器。
将 -3.3V ~ +3.3V 的信号抬升到 0 ~ 3.3V。
公式：Vout=Vin+1.65VV_{out} = V_{in} + 1.65VVout=Vin+1.65V

3. 阻抗匹配

输入串联 1kΩ 电阻 保护 ADC。
并联 TVS 管 防静电。

四、STM32 软件核心（F103 示例）

1. ADC + 定时器 + DMA（黄金三角）

严禁使用软件循环采样，必须使用定时器触发 ADC，保证采样间隔严格相等。

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// 定时器配置（触发 ADC）
void TIM_ADC_Init(void) {
    TIM_HandleTypeDef htim3;
    htim3.Instance = TIM3;
    htim3.Init.Prescaler = 0;
    htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim3.Init.Period = 72; // 72MHz / 72 = 1MHz 采样率
    HAL_TIM_Base_Init(&htim3);
    
    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig;
    sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_UPDATE; // 更新事件触发 ADC
    sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
    HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim3, &sMasterConfig);
    
    HAL_TIM_Base_Start(&htim3);
}

// ADC 配置
void ADC_Init(void) {
    ADC_HandleTypeDef hadc1;
    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
    hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE; // 关闭连续，由定时器触发
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T3_TRGO; // 定时器3触发
    HAL_ADC_Init(&hadc1);
    
    // 启动 DMA
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buffer, ADC_BUFFER_SIZE);
}

2. 触发逻辑（示波器灵魂）

触发是为了让波形"稳定"下来。

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typedef enum {
    TRIGGER_RISING,
    TRIGGER_FALLING
} TriggerMode;

uint8_t Check_Trigger(uint16_t *buf, uint16_t size, uint16_t threshold) {
    static uint8_t triggered = 0;
    for (int i = 1; i < size; i++) {
        // 上升沿触发
        if (buf[i-1] < threshold && buf[i] >= threshold) {
            triggered = 1;
            return 1; // 触发成功
        }
    }
    return 0; // 未触发
}

3. 波形显示（TFT 绘制）

将 ADC 的 0~4095 映射到屏幕坐标。

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void Draw_Waveform(uint16_t *adc_data, uint16_t size) {
    uint16_t x, y;
    uint16_t prev_x = 0, prev_y = 0;
    
    for (x = 0; x < size; x++) {
        // 将 ADC 值 (0~4095) 映射到屏幕高度 (0~239)
        y = LCD_HEIGHT - (adc_data[x] * LCD_HEIGHT / 4096);
        
        if (x > 0) {
            LCD_DrawLine(prev_x, prev_y, x, y, WHITE);
        }
        prev_x = x;
        prev_y = y;
    }
}

五、主循环逻辑

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uint16_t adc_buffer[1024];
uint8_t wave_ready = 0;

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    
    LCD_Init();
    TIM_ADC_Init();
    ADC_Init();
    
    while (1) {
        // 等待 DMA 传输完成一半或全满（双缓冲思想）
        if (wave_ready) {
            // 1. 触发检测
            if (Check_Trigger(adc_buffer, 1024, 2048)) {
                // 2. 清除屏幕
                LCD_Clear(BLACK);
                // 3. 画网格
                Draw_Grid();
                // 4. 画波形
                Draw_Waveform(adc_buffer, 1024);
            }
            wave_ready = 0;
        }
        HAL_Delay(1);
    }
}

// DMA 传输完成中断
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {
    wave_ready = 1; // 通知主循环处理数据
}

参考代码基于stm32的示波器 www.youwenfan.com/contentcsu/69855.html

六、瓶颈与突破

瓶颈	现象	解决方案
ADC 速度	测不了高频	使用 STM32F4/F7
屏幕刷新	波形闪烁	使用 FSMC 并行屏（比 SPI 快 10 倍）
存储深度	看不到细节	使用 SRAM 扩展内存
FFT	卡死	降低点数或使用 DSP 库

七、进阶功能（炫技用）

FFT 频谱分析 ：使用 CMSIS-DSP 库的 arm_rfft_q15。
自动测量：峰峰值（Vpp）、频率、占空比。
波形冻结：按下按键保存当前波形。
USB 导出：将 CSV 数据通过 USB 虚拟串口发给电脑。

八、避坑指南

不要用 Delay 采样：会导致采样率不准。
输入电压必须隔离：新手最容易烧芯片。
地线要接好：示波器探头地和 STM32 地必须共地，否则波形乱飘。
刷新率优先：如果屏幕刷新太慢，宁可降低采样点数，也要保证画面流畅。