【新手向】天空星数字示波器扩展板

本项目参加了立创开发板的天空星拓展板征集令活动

作品获得二等奖

前言

• 2024.11.24 更新说明：由于作品已经交给立创，软件部分无法进行调试更新；故本项目待合适的活动，等硬件优化后再继续更新（不排除参加其他活动制作更便捷实用示波器设备的可能）。

本项目基于立创·天空星STM32F407VET6开发板，开发出一套适合新手学习STM32的拓展学习板。以数字示波器项目为学习载体，学习者使用基础库在开发过程中可以接触到GPIO、定时器、中断、串口通信、SPI通信、ADC（模数转换器）、DAC（数模转换器）、DMA等功能，从而全方位入门STM32开发。

完成本项目，你将获得：

• 入门立创 · 天空星STM32F407VET6开发：

1. 了解立创 · 天空星 STM32F407VET6开发板的功能特点；
2. 熟练掌握在 Keil 环境下开发STM产品的能力；
3. 学会使用 STM32进行GPIO、定时器、中断、串口通信、SPI通信配置；
4. 学会使用 TIM+ADC+DMA 捕获模拟信号；
5. 学会使用 TIM+DAC+DMA 输出5种模拟信号；
6. 学会编写EC11旋转编码器驱动；
7. 学会使用 STM32驱动 ST7796 显示屏，了解ST7796有关驱动命令；
8. 学会使用 SPI+DMA 高速传输数据。

• 掌握示波器硬件电路基本原理：

1. 学会示波器电源各类电压（负压、电压调理）产生电路；
2. 掌握运算放大器基本原理，并学会将其应用于模拟信号输入输出电路；
3. 掌握比较器基本原理，并学会将其应用于比较器测频电路。

• 获得一个初级示波器+波形发生器：

1. 示波器采样率2.8MHz，采集档位1Hz-2.8MHz可调，自动计算VPP/VP/AVG；
2. 支持通过FFT变换显示波形频域曲线，支持通过FFT估算波形频率，档位正确时误差在5%以内；
3. 支持实时采集波形、暂停查看波形（上下左右平移、上下放缩）；
4. 波形发生器设计1KHz-1MHz频率发生，支持波形电压幅值调整；
5. 支持不同频率下方波、反锯齿波、锯齿波、三角波、正弦波输出。

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一、项目概述

1.1 项目由来

本人是嵌入式开发爱好者，利用工作之余入门有3个月左右，尚处于学习阶段。如果你像我一样也是未深入接触STM32开发的初学者，同时又因刚入门嵌入式开发手头检测设备有限，那么可以跟我一起使用立创 · 天空星一边学习STM32开发，一边开发一款适合新手使用的示波器设备。

1.2 实现功能

本项目定位为天空星拓展学习板。在实现开发板功能拓展的基础上，实现了初级数字示波器的具体功能，同时开源了各类功能实战项目源码，帮助初学者更快上手学习。

• 本项目是一个拓展版：该扩展板外设支持LCD屏幕、按钮、LED灯、编码器等交互设备，方便更多功能的开发；在PCB设计方面优化了开发板供电，同时考虑优先使用较少功能的IO接口，将更多功能的IO口引出至排母，充分体现了STM32外设接口的优势，方便学习者外接其他设备实现更多功能的开发学习。

• 本项目已开发为一个示波器+波形发生器：借助STM32的计时器、中断、SPI、ADC、DAC、DMA等功能，实现了不同频率波形探测。设计高低压2档±5.5V、±16.5V电压量程，理论采样率2.4MHz（单路）。设备还支持多个频率方波、锯齿波、反锯齿波、三角波、正弦余弦波形发生。

• 本项目还是一个学习板：为了体现拓展版的学习属性，本项目没有按照常规项目将示波器所有功能完善（进度太紧张了，本人也仍在学习完善中），反而提供了各类外设驱动源码、各模块功能的实战源码（后续整理上传）以及一个波形发生+波形检测的DEMO，方便学习者充分发挥主动性，增强学习的成就感。

另外提醒读者，复刻前须阅读本文有关【提示】内容。

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二、硬件实现

本项目硬件实现其主要包含电源及供电电路、模拟信号输入/输出电路、比较器测频电路，除此之外配有LCD和按钮、LED等人机交互电路。

2.1 原理图说明

2.1.1 电源及供电电路

电源供电电路分为电源及LDO电路、负压产生电路、电压调理电路。

1. 电源及LDO电路

• 要点解读

1. 使用4Pin TYPEC接口进行5V供电，SE8533进行3.3V电压调理。
2. C1/C2/C4使用铝电解电容，不建议使用陶瓷电容或钽电容。
3. 【提示】SW3使用了双刀双掷自锁开关（用作单刀），触电电流为110mA，测试整机工作时电压为4.9V，可能存在限流问题（未单独测试）。

2. 负压产生电路

• 要点解读

1. 使用XD7660电荷泵提供-5V负压。该芯片具有宽工作电压特点（1.5V-10V），可在电压范围内将正压变为负压。
2. 使用1N4148防止电压变化损坏芯片，但是该元件会产生0.7-1V的正向压降，从而使输出负电压与设计值出现偏差。
3. 依据技术手册，该XD7660最大输出电流100mA，同时负载电流压降较大（下方曲线图可见负载电流在40mA时已降至-2V电压。该情况会使输出负电压与设计值出现偏差。
4. 【提示】综合1N4148的压降问题以及XD7660负载电流导致压降问题，因原方案仅设计1组负压产生电路，实测负压输出值约为3.7V（压降很大），进而导致-1.65V电压调理电路和运放、比较器输入负电压出现设计偏差。虽有些测量可以通过代码修正，但仍会导致设计输入输出量程、甚至是输出波形出现偏差。读者在进行电路设计时可以考虑使用12V电压泵+分压电路或者多路7660。

3. 电压调理电路

• 要点解读

1. 该电路配合运放以计算调理输入输出不同高低压，使用分压电路实现。
2. 串联运放实现在不同电流下输出电压的稳定。

2.1.2 模拟信号输入电路

模拟信号输入和输出电路涉及到运算放大器的使用，需要了解运放的基本原理，并学会搭配不同电路实现不同运放电压的输出。

该电路分为两部分，前端部分是输入阻抗1M欧的信号衰减电路（电阻分压实现），中间是一个电压切换按键，后面是核心运放输入电路。

• 要点解读

1. 衰减电路：根据分压原理，将±16.5V电压或±5.5V电压衰减至±0.825V。若需要更大量程可调整分压比例；若需要AC/DC电源切换可以增加一路串联电容的耦合电路。
2. 电压切换电路：使用开关控制。该设计虽然成本低廉、硬件电路简单，但是需要手动切换，无法实现量程自动切换。可以考虑使用信号继电器。
3. 运放电路：将±0.85V运放成0-3.3V电路。当U9.1的2引脚和1引脚连接时，结合运放的虚短/虚断概念，1处的电压为上图右上角计算方式，也就是增压倍数=（1+R10/R13）；修正电压为2引脚输入电压值（设计为-1.65V），即可将-1.65V运放输出为0V，+1.65V运放输出为3.3V。
4. 连接两个1N4148保护电路。

2.1.3 模拟信号输出电路

模拟信号输出电路和输入电路原理相同，信号通过STM32的DAC引脚发生，经过2组RC低通滤波器和运算放大输出为设计电压±5V。

2.1.4 比较器测频电路

示波器的频率测量可以通过软件FFT计算或者使用比较器测频电路。

• 要点解读

1. 测频电路：该电路核心思想是将模拟信号波通过比较器调整为方波信号，进而测量方波信号的频率。比较器U10.1 的3号引脚输入电压可以更换为一个固定的分压电路。
2. 触发实现：比较器U10.1 的3号引脚输入电压可以更换为可调电压值，这样即可实现设定电压阈值，配合比较器实现设定电压触发测量。

2.1.5 人机交互电路

人机交互电路设计3个按键、1个旋转编码器、2个指示灯以及一块可选电容触摸的LCD屏幕。

• 要点解读

1. 按键：按键设计为低压按下，同时加上100nF电容实现硬件去抖。
2. LCD屏幕：本项目LCD屏幕采用模块化设计方案，配套设计一个4寸带电容触摸的LCD屏幕PCB。其中，本项目未使用触摸模块（GT911触摸驱动，主要原因是手头有一个触摸坏了的LCD），这里预留触摸接口和IO引脚方便读者后续开发。配套电路板的电路图如下

2.2 Layout说明

由于项目使用天空星开发板，在实现示波器功能的同时还要引出未使用IO引脚，走线比较复杂，故使用四层板PCB设计。层序设计如下：

个人首次使用立创4层板打样服务，因此每层板展开描述用以备忘（笔记）。

2.2.1 底层

由于PCB包含贴片和插件两种元器件，为方便使用回流焊焊接，将所有贴片器件布置在PCB底层走线。

2.2.2 顶层

当底层信号线无法布设需要打孔时在顶层布线；同时顶层主要用于开发板、扩展板、按钮、排母引出走线。

2.2.3 PWR层（电源层）

因为示波器电源供电电压较多（±5V、3.3V、-1.65V、2.5V），因此在顶层下方设计一层电源层。主要用于器件和芯片供电、电压调理。

2.2.4 GND层

项目采用数字地和模拟地隔离的设计，同时传统PCB又要大面积铺铜。结合4层板的特点，可对GND层内建垫层，同时在元器件布局时考虑将数字地部分和模拟地部分分开，两个接地点用0欧电阻连接。

2.3 焊接及使用说明

主扩展板的PCB元器件较多、贴片和插件器件叫杂，同时BNC、EC11等器件高差较大，需要在焊接时注意焊接顺序。

1. 首先使用回流焊将底面贴片器件进行焊接；
2. 再进行除下图外范围插件焊接，遵循由低到高的顺序；
3. 下图右上角区域和右侧区域按照先1后2的顺序焊接，顺序相反都会增加焊接难度甚至无法焊接。

因主扩展板尺寸较大，主扩展板和屏幕扩展板连接时还要兼顾按钮高度差，因此推荐采取以下措施：

1. 主扩展板和屏幕扩展板之间连接使用超短排针（2.5+2.5+2.5）和排母（3.5高）；
2. 使用M3*18+6的六角尼龙柱+6角尼龙螺母固定四个螺丝孔位，方便开发时平放设备，保护元器件；
3. 屏幕扩展板左侧悬空部位使用M3*6+6的六角尼龙柱+6角尼龙螺母支撑，在屏幕扩展板下侧贴个双面胶简要固定即可。
4. 另外，EC11选择15mm梅花柄带按压开关，配合配套按键帽。如使用库内的旋转编码器不好适配键盘帽。

焊接完成后实物图如下：

三、软件实现（示波器DEMO）

本项目软件层面耗时占总项目较长时间。在学习STM32F4的各种功能的同时，通过不同功能搭配实现了示波器的各类功能。

3.1 功能框图

3.2 DAC波形发生功能

DEMO自带波形发生器，利用DAC+TIM+DMA实现。

• 要点解读

1. 支持多种波形切换：发生方波、锯齿波、反锯齿波、三角波、正弦波；
2. 支持切换发生频率：使用计时器功能发生波形，调整计时器频率实现波形频率切换；
3. DMA搬运：支持高频模式下数据自动搬运，降低CPU占用。

3.3 ADC采样功能

DEMO核心功能为ADC波形采样功能，利用ADC+TIM+DMA实现。

• 要点解读

1. 支持多种采样模式：支持自动触发、手动触发、单次（阈值）触发（正在开发中）；
2. 支持切换测量频率：使用计时器功能控制单次采样，调整计时器频率实现波形频率切换，21档位切换，档位范围为1Hz-2.8MHz；
3. 理论采样率：理论采样率为2.8MHz，实测发生波形1MHz时可采集到波形并正确计算出频率值；
4. 支持VP/VPP/AVG计算及输出；
5. DMA搬运：支持高频模式下数据自动搬运，降低CPU占用。

下图当发生波形为1MHz时，示波器可正常采样并计算波形频率。

3.4 频率输出功能

• 要点解读

1. 支持2中频率计算方式：使用计时器+触发计数测量、使用FFT测量；
2. 支持FFT变换并输出频域波形曲线。

3.5 交互功能

• 要点解读

1. EC11：频率调整、波形查看、FFT波形显示、功能切换选择；
2. 按键：开启/暂停采集波形、开启/关闭波形发生、功能按键；
3. 功能切换：发生波形切换、频率切换、其他UI。

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四、写在后面

十月一直在加班，抽空结项，源代码混乱但先上传，抽空再慢慢整理，请多见谅~

硬件设计有瑕疵之处，敬请批评指正！新手自己摸索可太难了，请求大佬指导~

• 开发计划

1. 拓展学习板开发源码包的整理、上传；
2. 示波器DEMO功能的深化，如实现单次触发采样功能；
3. 硬件层面的进一步完善（进一步与设计功能相符）。