数字示波器

综述：本文讲述了数字示波器的电路组成。

一．定义

显示电信号波形的仪器

二．组成

由模拟前端处理电路、电源电路、单片机电路、控制电路、触发电路、校准电路组成。

1）模拟前端处理电路

将输入的模拟信号处理后传输给单片机。由交直流耦合选择电路、电压衰减电路、信号处理电路和频率检测电路组成。

1.交直流耦合选择电路

①交直流耦合

交流耦合：将电容串联到电路中，过滤信号中的直流

直流耦合：不对信号做任何处理，直接进行信号叠加

②电容

电容的作用：通过开关选择输入信号通道内是否有电容来选择是交流耦合还是直流耦合。

电容的选择：由下图可知：fc=1/5*f0，fc是电容截止频率，f0是电路工作频率。比如:当电路的输入信号是5000Hz时，电容截止频率是2.5MHz，于是选择C=0.1uf是符合的。

简记：大电容通低频信号，小电容通高频信号。

③电路

2.电压衰减电路

信号经过交直流耦合后，当SW3的1与2相接，形成了R7、R11、R14组成的分压电路，输出信号由R14的分压决定，也即是输出电压=20/（20+470+510）=1/50，信号衰减为原来的1/50倍，为高压挡位；当SW3的1与3相接，输出信号就是输入信号，为低压挡位。当不确定输入电压幅值时，可以先选择高压挡位，如果数值过小，则改为低压挡位。

3.信号处理电路

信号处理电路包括电压跟随器和信号放大电路。

①虚短虚断

虚断：理想运放的输入阻抗无穷大，当在输入端施加电压时，相当于输入电流为0，也即是近似于断路的状态。

虚短：输入输出端的电压相等。

②电压跟随器电路

输出电压（TP7）等于输入电压（TP6），实现电压跟随。同时，电压跟随器的输入阻抗高，输出阻抗低，可以实现阻抗匹配，常作为缓冲级和隔离级，避免外部采集信号收到影响。

③反向比例放大电路

信号从反相端输入，输出电压为V1=-R13/R15Vi

④同向比例放大电路

信号从同相端输入，输出电压为V2=Vi（1+R15/R13）

⑤比例放大电路

将反相比例放大电路和同相比例放大电路共同作用。

Vout=V2+V1=（5-Vi）/2

由于单片机ADC采集电压的范围为0~3.3V，于是可以计算出测量电压的输入范围。

当电压不衰减（也即是在低压挡位）时，由Vout=（5-Vi）/2得，当Vout=0V时，Vi=5V；当Vout=3.3V时，Vi=-1.6V。

当电压衰减（也即是在高压挡位）时，由Vout=（5-1/50Vi）/2得，当Vout=0V时，Vi=250V；当Vout=3.3V时，Vi=-80V。

所以，当SW3的2与3相接时，测量电压的输入范围为-1.6~5V；当SW3的2与1相接时，测量电压的输入范围为-80~250V。

4.比较器测频电路

当输出为高电平时，输出端上拉到高电平，Uth=U+=2.214V；当输出为低电平时，输出端接地，Utl=U-=2.172V。

5.综合电路

2）电源电路

1.总电源电路

type-c端口：用于接电源，供电；SW1：电源总开关；C1：输入滤波；R1：限流电阻。

2.负电压产生电路

电路主要运用XD7660芯片，在输入5V时，可以输出-5V的电压，给运放提供负电压。（虽然实际达不到-5V，但已经能够满足运放的要求）

3）单片机电路

①单片机电路时是整个数字示波器系统的控制核心，负责信号的采集和处理，这里采用的芯片主要是是GD32E230C8T6（也可以直接替换为STM32F103C8T6，引脚和大小是完全兼容的）。

②原理图

③PCB

4）人机交互电路

控制示波器的功能：显示屏、旋钮、按键、LED灯、输入输出接口等

1.液晶屏显示电路

彩色显示屏，具有128X160彩色像素，采用SPI通讯协议，共8个引脚：VCC接高电平，GND接地，SCL是串行时钟引脚，SDA是SPI数据引脚，RES是SPI复位引脚，DC是SPI指令和数据选择引脚，CS是片选信号，BL是背光控制引脚。

2.旋转编码电路

旋转编码电路主要用到的是EC11，共有5个引脚：ABCDE，DE相当于普通按键，按下导通，松开断开；ABC用于检测旋钮的转动方向，C接地，A、B有相位差，通过检测A、B的引脚变化的快慢可以检测出旋钮是正转还是反转。

3.指示灯电路

引脚低电平时，二极管点亮，引脚高电平时，二极管熄灭。

4.按键输入检测电路

当按键按下时，引脚为0。

5.波形输出电路

这里引出了一个PWM信号端口，当一端接PWM端口，一端接地时，可以用于模拟一个简易的函数发生器。通过改变输出PWM的频率和占空比输出一个简易方波信号输出。这里可以输出不同频率和占空比的波形，但是不能输出其他波形的信号。

三．学习视频

学习视频

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