写在前面的话：

1.本AFE03拓展版需要配合硬木课堂的STM32H750VBT6核心板使用

2. 核心板详细技术文档请参考『硬木课堂』官方文档    硬木课堂-简易示波器 (yuque.com)  ；

3.立创开源广场：[硬木课堂] AFE03示波器信号源扩展板 - 嘉立创EDA开源硬件平台 (oshwhub.com)  

4. 电容24pf、220pf可能会导致峰峰值测量不准确，建议不进行它们的焊接；

一、项目描述

这是一个配合STM32H750VBT6核心板使用的示波器+信号源模拟前端扩展板。其主要功能与特性：

1、模拟输入部分   ( INA/INB)

• 通道数：同步双通道  
• 采样率/带宽：2MSPS/100KHz
• 输入范围： ±10mV ±15V
• 输入阻抗：1MΩ

2、模拟输出部分   (COM4)

• 通道数：1
• 输出信号波形种类：正弦波，方波，三角波
• 输出正弦信号频率：1Hz - 20KHz
• 输出范围： +10V~-10V
• 输出阻抗：50欧姆
• 输出电流能力：±10mA

 

二、STM32H750核心板简介

 详细技术文档请参考『硬木课堂』官方文档    硬木课堂-简易示波器 (yuque.com)

三、硬件部分设计说明

核心板和拓展板的引脚连接位置相同，可以直接将示波器拓展板插在核心板上面。

示波器通道介绍：

首先，我们要认识到当STM32H750的VREF用3.3V供电时，STM32的ADC输入范围为0-3.3V，而我们的输入信号最大是±15V，所以我们需要解决大信号输入不能饱和的问题，让我们来解个方程：

15*a+b = 3.3

-15*a+b = 0

得到a=0.11，b=1.65

也就是说我们需要将输入信号至少衰减到0.11倍（约衰减为1/9），再加上1.65V直流，就能满足ADC的满量程输入。于是我们使用下面的运算放大器电路，电阻网络完成1/20衰减，运算放大器实现x2倍放大器和1.65V电压平移，从而实现了0.1INB+1.65V；

可以使用叠加定理来分析这个电路，首先分析输入信号INB对输出Vo的贡献时，将电路中另一路电压源-1.65V接地，这样输入信号经过R14和R18后被分压到1/20，接着被同相放大器电路放大2倍，输入信号的整体增益就是1/10；而分析-1.65V对输出的贡献时，将输入信号AIN接地，-1.65V的放大倍数是-1倍。于是得到输出Vo = -1.65V * (-1) + AIN/10 = 1.65V + AIN/10。

-1.65V由-12V经过电阻分压和缓冲器得到：

 

上面这个电路解决了±15V输入匹配到ADC的0-3.3V输入范围的问题呢，我们还要考虑当输入信号较小时也能够准确采样的问题，例如当10mV信号输入时，经过上面的电路，会衰减到1mV，为了尽可能保证输入信号的信噪比，我们这里在模拟前端加入切换分档的方式，当采集小信号的时候，使用开关选择直通INB进入运放同相端，而不再选择INB衰减后的信号进入运放同相端，这样确保进入ADC的信号尽可能大。再配合16位ADC，可以让采样结果准确可靠。

 

INA、INB：示波器的输入端，这里通过电阻串联分压实现1MΩ的输入阻抗，并产生两个信号供选择，一个输入直通，一个衰减为1/20。

需要注意的是输入处的滤波电容24pf、220pf、不需要焊接，焊接会导致示波器拓展板峰峰值偏移过大。

gain：选通开关，选择直通信号或衰减为1/20的信号进入第一级同相放大器，同相放大器完成两个工作，第一是将同相端输入信号放大两倍，二是将放大后的信号平移1.65V，计算公式为Vo = 1.65 + 2*Vi。因此，对应电路整体增益为2倍或1/10倍。

AnalogA、AnalogB：经过同相放大器放大和平移后的模拟信号与STM32H750开发板连接，进入H750的ADC中；

TrigerA、TrigerB：AnalogA、AnalogB与直流参考电平（由H750的一路DAC产生）经过比较器后产生的方波信号，进入STM32H750的定时器进行测频。

 

示波器信号源介绍：

DAC_OUT2: 直流参考电平，通过STM32H750配置内部DAC2发出。包括了电阻分压和运算放大器实现的信号调理，和比较器实现的方波输出（供触发和测频使用）。STM32H750的DAC1输出的范围为0-3.3V的波形。两阶RC滤波器，实现低通滤波器功能。信号源电源部分经过电阻分压和缓冲器，将5V输入变为低阻的2V输出，后续放大-5倍用于平移输出信号。输出放大器，完成两个功能，第一将同相端输入放大6倍，第二将放大6倍后信号平移-10V后输出，计算公式为Vo=-10+6*Vi;分压网络，用于输出小信号时利用模拟电路分压来获得好的效果。

当STM32H750的VREF用3.3V供电时，内部DAC的输出范围是0-3.3V，为了达到题目中要求的±10V输出，我们需要解个方程：

0*a + b = -10V

3.3*a + b = 10V

解得a=6.06，b=-10

可以设计出上图中的电路。

上图中STM32H750内部的DAC输出的0-3.3V的信号，经过低通滤波器后从TL082的同相端输入，构成了放大倍数为6倍的同相放大器，放大后得到波形为0-19.8V；然后我们利用TL082反相放大器部分的-5倍放大能力，将5V分压得到的+2V经过-5倍放大得到-10V，和同相放大器输出的0-19.8V信号叠加得到约±10V输出。计算公式为：Vout = 6*Vin -10。

跟ADC类似，要使信号源输出覆盖±10mV到±10V，同时兼顾大信号范围和小信号精度，DAC的分辨率是个问题。H750的DAC是12位，DAC满量程（也就是4096个码值都用满时）输出是±10V，当我们靠调小DAC码值输出小信号时，要想波形的电压分辨率达到7位精度，也就是波形的垂直分辨率有128个点，只能将波形衰减128/4096=1/32，换算到输出电压范围±10V/32 =±0.3215V，在±0.3125V以下更小的信号，再靠调小码值输出的话，DAC的分辨率就不足了，波形上的台阶就比较明显。于是我们使用模拟分档的方式，当要输出±0.3125V以下更小的信号的时候，使用开关切换电阻分压将波形衰减1/20输出，确保了小信号下的电压分辨率。同时，R57和R62的组合也使得电路在1/20衰减下的输出电阻为50Ω，R5使得电路在x1档下的输出电阻为50Ω。

比较器电路：

为了实现触发功能和频率计功能，我们在板上设计了两路比较器通道，将两路模拟输入通道进入ADC前的波形转换为方波信号给H750的定时器输入使用。这里之所以使用进入ADC前的波形进行比较，是因为进入ADC的波形经过前端模拟电路调理已经落到已知的0-3.3V范围之内，这样比较器的比较门限容易设计。

如上图，H750利用内部的DAC2输出一个0-3.3V的直流，来和进入ADC前的通道2波形进行比较，将通道2的波形变为方波，这样H750的定时器功能就可以利用方波信号进行中断处理和定时器捕获处理。

电源管理模块：

使用MT3608芯片进行设计DC-DC升压，LDO线性稳压器L78和L79系列要注意分辨

按键部分介绍：

使用四个功能按键对示波器的界面进行操作控制，SW1为光标右移、SW2为光标左移、SW3为通道1/2的切换选择开关、SW4为DAC的开关。

旋转编码器介绍：

 

采用EC11直插型旋钮，未设置中间按键按下的功能，左旋增加数值，右旋减少数值

OLED显示屏介绍：

某宝购买的同款显示屏

• 重要（显示白屏）：我个人的项目进度在屏幕部分耽误了较长的时间，主要问题是屏幕显示为白屏，硬木课堂官方文档在此部分也有详细的测试步骤，请参考第二章  快速刷新 (yuque.com) 后面的LCD测试部分内容。建议直接对屏幕座子的引脚进行波形测量，防止虚焊、接触不良导致的问题，一般情况下核心板的输出不会出现问题。  

我这里设计了一款简单的LCD转接测试板来进行测试

 

PCB走线设计及外壳：

PCB 3D图展示：

PCB 3D外壳展示：

 

四、软件部分设计说明

连接上电脑打开烧录文件”5_DAC_1“运行Keil的时候，会提示需要安装STM32的运行库，按提示安装就好了，

设置flash编程算法

代码请查看附件，这里就不做过多的解释了

示波器界面介绍：

五、实物展示

简易示波器正面

简易示波器反面

 

简易示波器侧面

六、注意事项

电容24pf、220pf可能会导致峰峰值测量不准确，建议不进行它们的焊接；

在焊接过程中建议焊接一部分测试一部分，以免一个地方短路导致整个电路报废，这里我是先进行电源模块的焊接再焊接其他部分

七、演示视频

提示：演示视频上传附件即可，附件最大只能长传50M的文件，大于50M的文件可放置在其他网盘或视频网站上，只需把地址链接放入这里即可

八、附件内容

附件一：PCB板Gerber文件

附件二：PCB板BOM文件

附件三：示波器外壳文件