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基于STM32的手持示波器设计

作者：张天浩娄莹周震

来源：《科教导刊·电子版》2019年第25期

摘要随着电子行业飞速发展，电子开发工程师数量急剧上升。在这样一个关键的市场领

域中，人们常常将示波器称为电子工程师的“武器”。电子初学者、学生、以及很多电子爱好者

而言，示波器也是常用工具，但是示波器的价格却十分昂贵，好的十多万，一般的也要近万

元。这让很多电子爱好者望而却步，尤其是学生。基于此，一款低成本高性能的示波器体现出

了他独特的优势。传统的虚拟示波器需要高带宽、高采样率的芯片、高速ADC，以及DSP数

字信号处理芯片。而本文设计的示波器减少了这些昂贵硬件的使用，通过FPGA可编程逻辑器

件和高速代替昂贵的采集硬件，通过高速AD芯片ADS830检测到数据传输到FPGA内部

FIFO中，再经过触发条件发送到STM32单片机并将绘制的波形显示在TFT屏幕上。基于

STM32的手持示波器储存深度更大，在去掉了传统虚拟示波器中的电子枪、偏转板等器件

后，PCB的设计更加小巧紧凑，大大的提升了便携性，并保证了其效果和性能。

关键词STM32FPGADSPADS830数字示波器

中图分类号：TM935.3文献标识码：A

硬件1电路设计STM32主控工作电路

考虑到本系统设计中对主控处理器的资源、速度、稳定性等有一定的要求，因此选用了内

核为ARMCORTEX-M3位内核的STM32F103C8T6芯片作为主控制器芯片。这个主控芯片具

有32位的带宽，相比于51单片机其最高处理速度有72MHz。并有48个外部引脚，64kb的存

储容量和20kb的数据存储空间。其从资源到性能均可以实现本电路需要实现的功能。

高速1.1AD采集电路

由于单片机只能读取数字信号，而不能进行模拟量读取，在本系统中示波器的采集电路需

要对电子线路中的信号进行采集，将连续的模拟量转换成离散的0，1数据，这就需要有一个

芯片来对模拟量进行采集、量化和编码最终传送给单片机进行读取和处理。根据系统设计的要

求，选择了一款TI公司生产的专为数字示波器设计的数模（A/D）转换器ADS830E。其是一

款高性能的AD转换芯片，信噪比可以达到49.5db，采样频为60MHz，支持单极性和双极性

信号输入，信号输入范围为1.5v-3.5v。为提高信号稳定性，选用双路运算放大器OPA2356和

LM358来对采集的信号进行衰减和调理。

1.2FPGA核心工作电路

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本系统设计选择了阿尔特拉公司的Cyclone系列EP1C3100核心的FPGA芯片，其拥有高

达294912位RAM，支持LVTTL，LVCOMS，SSTL-2，SSTL-3的IO标准。拥有最多八个全

局时钟线和六个可用的时钟资源。内核供电电压为1.5v，EP1C3系列芯片只有一个锁相环

PLL，用于一个时钟和一个专用收双倍数据速率接口，以满足DRAM和快速周期RAM内存需

求。拥有104个用户I/O引脚并支持多种I/O标准。

FPGA的基本工作电路有主控芯片、下载电路、晶振电路、电源滤波电路组成。由于

FPGA芯片特性下载电路采用了AS和JTAG的组合下载电路，通过串行配置器件EPCS与AS

连接的组合下载接口，将下载线连接到AS接口来完成对POF文件的下载。由于FPGA芯片中

JTAG接口协议的特性，下载测试的配置文件会在主控芯片掉电之后消失，这样就在开发测试

阶段通过JTAG接口进行测试。晶振电路在本系统设计中由于对时序要求比较高就选择了50M

的有源晶振。由于FPGA芯片本身需要多种电压供电，如PLL供电，I/O口供电，核心供电等

都需要不同的电压供电，这样稳定而且较少纹波的供电电压也成了组成整体电路的重要部分。

屏幕显示1.3电路

为了节约系统资源，本设计采用I2C协议的串口屏多为0.96小尺寸的OLED屏幕，虽然

OLED屏幕由于自发光的