摘 要
随着电子测量技术的发展，传统模拟示波器在存储、分析与便携性方面存在一定局限，难以满足复杂信号实时采集与数字化处理需求。因此，基于单片机的数字示波器逐渐成为研究与应用的重点。
本设计以STM32F103C8单片机为控制核心，外接电阻衰减电路、带偏置同向放大电路、频率检测电路、TFT液晶显示模块、键盘输入模块、旋转编码器以及电源管理电路等组成信号处理与人机交互系统。系统对输入信号进行幅值调理与直流平移处理，使其满足ADC采样范围要求，同时通过频率测量模块实现信号频率检测。采样数据经单片机插值与运算后，在TFT屏上以波形形式实时显示，并支持波形缩放、位置平移及触发边沿选择等功能。
经测试表明，该系统能够稳定实现信号采集与波形显示，测量结果准确性较高，响应速度满足设计要求，整体运行稳定可靠，具有一定的实用价值与扩展空间。
关键词**：**数字示波器；STM32F103C8；信号调理；TFT显示；频率测量
ABSTRACT
With the development of electronic measurement technology, traditional analog oscilloscopes have certain limitations in terms of storage, analysis and portability, making it difficult to meet the requirements for real-time acquisition and digital processing of complex signals. Therefore, digital oscilloscopes based on single-chip microcontrollers have gradually become the focus of research and application.
This design uses the STM32F103C8 single-chip microcontroller as the control core, and is composed of a resistance attenuation circuit, a biasing and directional amplification circuit, a frequency detection circuit, a TFT liquid crystal display module, a keyboard input module, a rotary encoder, and a power management circuit, etc., to form a signal processing and human-computer interaction system. The system performs amplitude conditioning and DC shift processing on the input signal to meet the requirements of the ADC sampling range, and realizes signal frequency detection through the frequency measurement module. The sampled data is interpolated and processed by the single-chip microcontroller, and is displayed in real time as a waveform on the TFT screen, and supports functions such as waveform scaling, position shifting, and trigger edge selection.
Tests have shown that this system can stably achieve signal acquisition and waveform display, with high measurement accuracy, response speed meeting the design requirements, overall operation is stable and reliable, and has certain practical value and expansion space.
Keywords: Digital oscilloscope; STM32F103C8; Signal conditioning; TFT display; Frequency measurement
目 录
[摘 要.................................................................... I](#摘 要.................................................................... I)
[ABSTRACT................................................................. II](#ABSTRACT................................................................. II)
[1 绪 论.................................................................. 1](#1 绪 论.................................................................. 1)
[1.1 研究背景及意义........................................................ 1](#1.1 研究背景及意义........................................................ 1)
[1.2国内外研究现状........................................................ 1](#1.2国内外研究现状........................................................ 1)
[1.2.1国内研究现状........................................................ 1](#1.2.1国内研究现状........................................................ 1)
[1.2.2国外研究现状........................................................ 1](#1.2.2国外研究现状........................................................ 1)
[1.3 研究主要内容.......................................................... 2](#1.3 研究主要内容.......................................................... 2)
[1.4 本文章节安排.......................................................... 2](#1.4 本文章节安排.......................................................... 2)
[2 系统方案设计............................................................ 4](#2 系统方案设计............................................................ 4)
[2.1 系统设计任务.......................................................... 4](#2.1 系统设计任务.......................................................... 4)
[2.2 系统设计方案.......................................................... 4](#2.2 系统设计方案.......................................................... 4)
[2.3 系统主要硬件选型...................................................... 5](#2.3 系统主要硬件选型...................................................... 5)
[2.3.1主控制器的选择和论证................................................ 5](#2.3.1主控制器的选择和论证................................................ 5)
[2.3.2 显示模块选择和论证.................................................. 6](#2.3.2 显示模块选择和论证.................................................. 6)
[2.4 模数转换的方案论证.................................................... 6](#2.4 模数转换的方案论证.................................................... 6)
[3 系统硬件设计............................................................ 8](#3 系统硬件设计............................................................ 8)
[3.1 硬件电路设计要求...................................................... 8](#3.1 硬件电路设计要求...................................................... 8)
[3.2 单片机模块电路设计.................................................... 8](#3.2 单片机模块电路设计.................................................... 8)
[3.3 电阻衰减电路设计...................................................... 9](#3.3 电阻衰减电路设计...................................................... 9)
[3.4频率测量电路的设计................................................... 10](#3.4频率测量电路的设计................................................... 10)
[3.5 电源部分的设计....................................................... 12](#3.5 电源部分的设计....................................................... 12)
[3.6 液晶屏幕TFT电路设计................................................. 13](#3.6 液晶屏幕TFT电路设计................................................. 13)
[3.7 旋转编码器及按键模块................................................. 15](#3.7 旋转编码器及按键模块................................................. 15)
[4 系统软件设计........................................................... 17](#4 系统软件设计........................................................... 17)
[4.1 设计思路............................................................. 17](#4.1 设计思路............................................................. 17)
[4.2 主程序设计........................................................... 17](#4.2 主程序设计........................................................... 17)
[4.3 主要子程序设计....................................................... 18](#4.3 主要子程序设计....................................................... 18)
[4.3.1 显示子程序设计..................................................... 18](#4.3.1 显示子程序设计..................................................... 18)
[4.3.2 数据采集子程序设计................................................. 19](#4.3.2 数据采集子程序设计................................................. 19)
[4.4 示波器触发........................................................... 20](#4.4 示波器触发........................................................... 20)
[4.4.1 什么是示波器触发模式............................................... 20](#4.4.1 什么是示波器触发模式............................................... 20)
[4.2.2 示波器触发的实现................................................... 21](#4.2.2 示波器触发的实现................................................... 21)
[4.5 峰峰值的测量......................................................... 21](#4.5 峰峰值的测量......................................................... 21)
[4.5.1 牛顿迭代法......................................................... 21](#4.5.1 牛顿迭代法......................................................... 21)
[4.4.2 峰值测量实现....................................................... 21](#4.4.2 峰值测量实现....................................................... 21)
[4.6 波形的刷新........................................................... 22](#4.6 波形的刷新........................................................... 22)
[5 系统调试与测试......................................................... 24](#5 系统调试与测试......................................................... 24)
[5.1 硬件焊接与调试....................................................... 24](#5.1 硬件焊接与调试....................................................... 24)
[5.2 软件调试............................................................. 24](#5.2 软件调试............................................................. 24)
[5.3 系统整体调试......................................................... 24](#5.3 系统整体调试......................................................... 24)
[6 结论................................................................... 27](#6 结论................................................................... 27)
[参考文献................................................................. 28](#参考文献................................................................. 28)
[致 谢................................................................... 30](#致 谢................................................................... 30)
[附 录................................................................... 31](#附 录................................................................... 31)
1 绪 论
1.1 研究背景及意义
近年来，全球对于电子测量与信号分析的需求大幅增加，数字示波器的应用需求也有明显的提升。相关的数据表明，每年因信号测量不准确或传统示波器功能不足导致的工程误差仍然持续存在。传统的模拟示波器主要是通过人工观测或单一显示方式，这不仅存在测量功能的局限性，而且难以实现数字化分析1。在复杂信号环境中，波形失真与干扰现象明显增加，这导致每年都会出现大量测量偏差问题2。因为缺少实时数据处理与存储手段，不仅导致了分析效率的降低，还大幅提高了信号判断误差的概率3。本次设计的基于STM32的数字存储示波器具有重要的现实意义和长远价值。本系统提升了信号测量与分析的智能化程度，可以降低人工观测带来的误差，符合现代电子测量的发展理念4。通过采用信号调理、频率检测、A/D采样等电路技术，再结合稳定的TFT显示模块，可以实现对输入信号进行实时监测，增强波形分析的准确性。此系统在提高测量效率的同时，也为嵌入式数字示波器的发展提供了实践借鉴5。
1.2国内外研究现状
1.2.1国内研究现状
在我国，随着电子测量与数字化信号处理需求的日渐突出，数字示波器技术的研究和应用逐渐成为一项重要议题6。近年来，许多国内的科研院所和高校，都在积极推进相关研究，并取得了一系列成果。这些研究主要聚焦在如何提升采样精度和信号处理能力，如何优化波形显示算法以及研发智能化的数字示波器系统等领域7。目前，已有研究团队研制出了基于嵌入式技术的数字存储示波器系统，可以实现对输入信号幅值、频率等多参数的实时监控，同时通过显示模块进行波形展示8。此外，还有部分电子企业开始在相关测试设备中集成数字示波功能，比如便携式测量仪器、智能调试设备等，这满足了市场对高精度信号测量的需求。相较于欧美发达国家，我国在数字示波器系统的普及程度和标准化建设方面依旧存在一定的差距9。
1.2.2国外研究现状
在海外，尤其是欧美等发达国家，数字示波器技术的发展已经成熟，具有完备的行业标准体系10。美国相关机构制定了较为完善的电子测量与仪器标准体系，如对示波器带宽、采样率等性能提出了明确的要求。欧洲也推行了相应的电子测量标准规范，主要是关于测量精度与设备性能的指标11。在技术创新领域，国外的研究更侧重运用高速采样技术和数字信号处理技术，来提升示波器的性能12。例如，采用高带宽ADC进行信号采样，应用FPGA与嵌入式处理技术可以实现高速实时数据处理。国外市场普遍装配先进的数字示波器设备，比如泰克（Tektronix）的示波器系列、是德科技（Keysight）的示波器产品等。这些系统不仅有较高的采样精度和稳定性，还可以和计算机分析软件实现无缝整合，这样可以提供优质的测试体验13。
1.3 研究主要内容
本次研究主要是为了研发一款具有信号采集、频率测量和波形显示功能，能做到实时监测以及远程管理的数字存储示波器系统。研究内容包括硬件电路设计、软件编程和测试验证，具体的内容如下：
在硬件电路设计相关方面，数字存储示波器系统以STM32F103C8微控制器为核心，收纳了电阻衰减电路、带偏置同向放大电路、频率检测电路、按键模块、TFT液晶显示模块等，各个元件协同合作，成功做到了数字存储示波器的数据采集、处理和精确显示。
在软件编程相关方面，本系统通过编写嵌入式程序控制各硬件模块工作的逻辑，采用C语言研发用户界面，用于开展参数设置，同时做到自动控制作用，保证系统可依据预设值实时自动地调控，以达到数字存储示波器的设计规格。
为使系统性能再进一步提高，要求对各硬件模块的功能做检查，保证每个模块都可按预期开展工作，之后将系统投放到真实环境做综合测试，查看其整体表现是否跟设计要求一致，经过深入分析设定参数跟实时采集数据的差别，能够确切评价该控制系统的实际作用，确保它在实际的应用里稳定运行，还可符合设计指标。
1.4本文章节安排
本论文分为六个主要的章节内容，具体内容的安排如下：
第一章绪论研究数字存储示波器的研究背景、重要性、应用潜力和开发具有的意义，研判国内外研究动向与发展趋向，对后续章节的结构进行概述。
第二章系统方案设计对系统整体规划做了深入的介绍，包括功能需求的研究、架构的构建和明确的模块功能，对关键元器件的选择标准和技术特性进行探讨。
第三章系统硬件设计点明硬件电路设计的细节之处，明确设计所遵循的准则和要求，介绍关键模块电路设计的思路以及实现办法。
第四章系统软件设计对软件设计与实现进行探讨，对整体思路进行概述，讲述主程序的流程情况，核心模块编程步骤以及技术细节分析。
第五章系统功能测试讲述测试的全过程，说明硬件焊接调试的办法，说明软件调试的过程，开展系统整体的调试工作，记录分析所得到的结果，点明问题和相应的改进建议。
最后对全文做一个总结，阐明系统设计跟实现的过程，归纳成果和所存在的不足，提出未来研究的方向。
2 系统方案设计
2.1 系统设计任务
本次设计任务的目标是研发一套基于STM32F103C8T6单片机的数字存储示波器硬件系统。此系统集成了对信号幅值、频率的检测功能，同时具备液晶显示及数据采集与处理等功能。另外，为保证该系统在各类环境条件下都能展现出优异的稳定性与可靠性，需要对其进行全方位的功能测试，直至达到设计要求。
2.2 系统设计方案
基于单片机的数字存储示波器，其设计目的在于依托先进技术和智能化管理，提升系统信号测量的便捷性，同时增强数据处理效率。该系统由单片机、电阻衰减电路、带偏置同向放大电路、频率检测电路、按键模块、TFT液晶显示模块组成，能实现数字存储示波器的全面智能化处理，具体内容如下：
选用单片机作为主控制器，可以高效地进行数据处理与传输工作。运用电阻衰减电路、带偏置同向放大电路和频率检测电路，可以实现对信号幅值、频率以及波形数据的检测功能。采用液晶显示模块，可以对信号波形及相关参数进行显示。利用按键模块可以实现参数调节与波形控制，用户可以通过按键对波形进行放大、缩小及平移等操作。硬件系统总体框图如下图2.1所示。
图2.1 硬件系统总体框图
2.3 系统主要硬件选型
2.3.1主控制器的选择和论证
在为数字示波器选择主控制器之时，给出了两种可备选的方案，分别为STM32模块以及另外一款STC89C52单片机，接下来给出这两款单片机的具体信息。
方案一：STM32模块是基于ARM Cortex - M架构所开发的32位单片机，该单片机具有高性能、低能耗和丰富的外设资源。这个模块能支持SPI、I2C、USART等多种类型的通信接口，还拥有了ADC、DAC及PWM等功能模块，它具有大容量的Flash和RAM，可很好地契合复杂算法的运算需求。在进行嵌入式产品设计的过程中，把STM32用作主控制器，可以满足需高精度控制以及实时数据处理的应用场景。
方案二：STC89C52是基于8051内核的经典8位单片机，有着高速度、低功耗的特点，虽然STC89C52的性能指标没那么高，但它成本不高、容易上手、稳定性佳且抗干扰能力棒，在一些基础应用场景之中表现良好，开展嵌入式产品设计的过程中，如果只是要实现简单功能或用于学习，把STC89C52用作主控制器，明显是不错的选项。
经过对两种方案权衡比较一下，最终选定以STM32为主控制器，主要原因是它具有出色性能以及广泛的适用性，这款有着32位架构和ARM Cortex - M内核的单片机，在系统运行的过程中能够充分发挥性能，可以很好地开展多个传感器的数据采集与分析工作，STM32相比于STC89C52，有更多的外设接口以及大容量存储器，这让集成各类功能模块的工作更简便。
2.3.2 显示模块选择和论证
在本次设计的数字存储示波器的显示功能方面，提供了两种方案供选择，分别为OLED12864显示模块和TFT显示模块。以下是这两款显示模块的详细内容。
方案一：OLED12864显示模块是基于有机发光二极管技术的图形显示模块，分辨率是128×64像素，该模块是采用自发光原理，不用额外背光源，在低功耗条件下就可以呈现高对比度、宽视角的清晰图文内容，既满足车载设备节能方面要求，还让驾驶者在不同光线环境下快速获取到报警信息，模块是支持SPI与I2C两种主流通信接口的，便于和主控芯片灵活做好对接。
方案二：TFT模块是一款彩色液晶显示模块，该模块可以同时把多种波形信息显示出来，可以满足基础状态的提示和波形数据展示的需求；5V供电设计让车载电源适配的流程更简洁，而并行或SPI的可选数据传输模式，让开发者可以根据性能和布线需求进行灵活安排，因为显示效果较好、接口灵活、开发文档充实等特点，TFT可以快速开展系统原型验证及批量部署，降低整体方案的技术门槛以及物料成本。
在数字存储示波器的实际设计当中，最终选用TFT模块作为显示的模块，同OLED12864相比较而言，TFT不但有着良好的显示效果，还能高效地呈现波形信息，其高分辨率与出色的色彩显示能力确保了于信号变化较快的环境当中，屏幕内容还是清晰可辨认，这在数字存储示波器实际应用中起着至关重要的作用，TFT被选为设计数字存储示波器合适的显示模块。
2.4 模数转换的方案论证
方案一:选用外置的串行或者并行模数转换器，可以减少STM32单片机的模数转换内部程序，提高运行速度，同时选用外置高精度的模数转换器，也可以提高模数转换的精度。但是其缺点就是增加了外置模数转换电路，大大增加电路的设计复杂性和费用，其IO端口也是大大的被占用，同时外置电路跟单片机连接也容易产生线路损耗和干扰，产生较大的误差，同时单片机没有fifo模块无法实时对adc信号进行缓存。
方案二:采用STM32单片机内部集成了12位模数转换器，其内置模数转换器最大的采样速率可以达到1MSa/s，也能基本符合数字示波器的高精度和高速的需求。同时STM32单片机直接可以调用ADC驱动函数进行DMA的操作，在电路的设计费用和电路制作时间上有很大的节省。
综上所诉两种方案，最终选择方案二作为本数字存储示波器的模数转换方案，利用STM32单片机内部的模数器来实现数字采集转换。