<div class="document"> <p class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">注：* 为必填项</p> <p class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;"><strong><span style="color: #0093e6;">请在报名阶段填写 ↓</span></strong></p> <p class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;"> </p> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">* 1、项目功能介绍</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> <p>在一些简单的电子电路设计中，无需使用到高性能且体积庞大的台式示波器。因此，本项目为体积小巧的<span>USB</span>虚拟示波器。在设计过程中，在考虑了成本问题的基础上，尽量实现标准示波器的各项功能，充分发挥芯片性能。该虚拟示波器的参数和特点如下。</p> <p><strong>•采样率<span>2MSa/S</span></strong></p> <p><strong>•测量范围±<span>10V</span></strong></p> <p><strong>•交流耦合和直流耦合模式</strong></p> <p><strong>•输入阻抗约为<span>1M</span>Ω<span>/100pF</span></strong></p> <p><strong>•最大<span>100</span>倍程控增益</strong></p> <p><strong>•电压测量精度<span>2%</span></strong></p> <p><strong>•支持一键自动功能</strong></p> <p><strong>•支持<span>FFT</span>模式</strong></p> <p><strong>•在快速模式下屏幕刷新率可达<span>20FPS</span></strong></p> <p><strong>•元器件成本小于<span>30</span>元（基于立创商城价格计算）</strong></p> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*2、项目属性</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> <p class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">硬件部分、单片机程序和上位机程序均为原创设计，没有参加其他比赛，也没有在校参加答辩。</p> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">* 3、开源协议</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> <p><span>GPL3.0</span>开源协议</p> <p class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;"><strong><span style="color: #0093e6;">请在竞赛阶段填写 ↓</span></strong></p> <p class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;"> </p> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*4、硬件部分</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> <p><strong>•实物图</strong></p> <p><strong><img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/5StQ5Fnug7HUb9oY2OQ2I7uRrfN031OokEHWLxjO.jpeg" alt="" width="600" height="330"></strong></p> <p><span>PCB</span>大小为<span>6</span>×<span>4</span>厘米，双层板设计，元器件只在顶层。模拟信号从左端<span>SMA</span>接口输入，由<span>Micro-USB</span>接口连接至上位机，并引出程序调试端口。</p> <p>为了便于手工焊接，阻容器件选用了<span>0805</span>封装，在进行设计时也加大了间距，故在<span>PCB</span>布局和布线上仍有优化空间。值得一提的是，这次的丝印莫名比以往都要清楚，可以清晰的看到元件值和嘉立创的<span>logo</span>。</p> <p><strong>•总体说明</strong></p> <p><strong><img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/piHmqFf5LSr6HK4FLoel5L2YaLuc7YS2Vty5q4Qo.png" alt="" width="600" height="182"></strong></p> <p>硬件主要包括将测量信号转换至单片机<span>AD</span>可以采集的模拟信号转换部分、单片机电路<span>USB</span>串口数字电路部分和±<span>3.3V</span>电源部分。下面将依次进行说明。</p> <p><strong>•芯片和方案选择</strong></p> <p>由于不需要驱动<span>OLED</span>，主控芯片的性能可以较低，只需要实现<span>AD</span>转换和串口发送功能。选用了<span>STM32G030F6</span>单片机，<span>TSSOP20</span>封装，<span>8KRAM</span>，<span>12</span>位<span>AD</span>最大转换速率为<span>2.5M</span>，更关键的是，在立创商城的价格仅为<span>8</span>元，符合设计需求。</p> <p>为了测量小信号，信号转换部分的运放需要双极性供电。考虑到整体的电流较小，负电源选用了极性反转电荷泵方案。在立创商城中有并没有找到价格合适的，最终选用了<span>SGM3204</span>（本项目用到的唯一在立创商城没有现货的芯片），具有<span>200mA</span>输出电流的电荷泵，只要三个电容就可以将<span>+5V</span>电源转换成<span>-5V</span>电源信号。</p> <p>该<span>-5V</span>电源的纹波较大，需经过<span>LDO</span>稳压芯片才能给运放电路供电。选用了<span>XC6902N331</span>稳压芯片，价格接近<span>3</span>元。同样，<span>+5V</span>电源也需要经过稳压芯片，给运放和单片机供电，选用了常见的<span>1117</span>线性稳压芯片。</p> <p>运放芯片选用了<span>NCS20072</span>，具有<span>3.2MHz</span>带宽、<span>2.4V/us</span>压摆率，极高的输入阻抗，具有单位稳定增益，在±<span>3.3V</span>供电下有着±<span>3V</span>的输入输出范围，价格仅为<span>1.6</span>元。完全符合设计要求。</p> <p>除此之外，还选用了模拟开关<span>CD4053</span>，串口转<span>USB</span>芯片<span>CH340</span>，通用比较器<span>LM393</span>，不再赘述。</p> <p><strong>•信号转换电路</strong></p> <p align="center"><img src="//image.lceda.cn/pullimage/0NyinWtVcMo05Ut7Lhev7YtU2isy5rBVvrybPqVN.jpeg" alt="" width="800" height="176"></p> <p>信号首先经过<span>680K</span>Ω和<span>220K</span>Ω电阻电容构成的衰减电路，使得±<span>10V</span>的信号转化至运放可以处理的±<span>2.5V</span>范围，后一级电压跟随器使得示波器的输入阻抗为<span>900K</span>Ω<span>/90pF</span>。</p> <p>由单刀双掷开关控制是否经过<span>RC</span>高通滤波器，以实现交直流耦合切换。此处使用继电器是一个更好的方案，但模拟开关<span>CD4053</span>的价格显然更为合适。</p> <p>两个同相比例放大器构成类似于级联的形式，由模拟开关控制是否进行放大。第一级放大倍数为<span>5</span>倍，第二级放大倍数接近于<span>20</span>倍。从而可以实现放大倍数为<span>1</span>倍、<span>5</span>倍、<span>20</span>倍、<span>100</span>倍的不同增益。相比较由一个运放构成的改变反馈电阻的程控放大电路，该电路对于频率较高的小信号有更好的放大能力。</p> <p>后续经过电压抬升电路，将正负电压信号转换成单片机<span>AD</span>可以采集的信号，最终的信号将叠加在<span>1.5V</span>直流量上。比较器的正比较端也接入<span>1.5V</span>直流信号，比较器输出端即为同频率的脉冲信号。加入比较器的主要作用是获取波形的频率值，以更快的实现一键自动功能。</p> <p>此外，图中所用的<span>LM358</span>通用运放在实际调试中改成了性能更好的<span>NCS20072</span>运放。可能由于<span>LM358</span>的压摆率太低，导致在频率超过<span>10KHz</span>时就会出现奇怪的失真波形。</p> <p><strong>•电源电路</strong></p> <p><strong><img src="//image.lceda.cn/pullimage/DzPBKPTJ6f5FZ1Tfv8VNzsrGOxrBKPzuv2DaLeZw.jpeg" alt="" width="800" height="147"></strong></p> <p>电脑<span>USB</span>的<span>5V</span>电源信号质量较差，含有大量的高频脉冲噪声，故首先经过简单的<span>LC</span>滤波电路。之后的<span>SGM3204</span>电荷泵可以将<span>+5V</span>电源信号转换至<span>-5V</span>电源，<span>XC6902N331</span>稳压器和<span>ZLDO1117</span>稳压器用于输出稳定的±<span>3.3V</span>信号。该电路均参考各自的芯片手册。</p> <p><strong>•数字电路</strong></p> <p align="center"><img src="//image.lceda.cn/pullimage/nEM7lQ8CTpf5Kfktzy84vYnaAAJ4dA9Tkg8w8mo3.jpeg" alt="" width="600" height="149"></p> <p>简单的单片机外围电路，用于注意程序调试的<span>PA14</span>引脚和<span>BOOT0</span>引脚为同一个，需要接入下拉电阻。<span>20</span>引脚的<span>STM32G030F6P6TR</span>的没有将模拟电源和数字电源分开，这可能会使得单片机<span>AD</span>有更大的噪声。在实际测试过程中，在<span>2M</span>采样率，<span>256</span>个采样点中，单片机<span>AD</span>的测量结果会产生最大<span>15LSB</span>的偏差（即<span>0.3%</span>的偏差）。</p> <p><span>STM32G030F6</span>没有<span>USB</span>接口，需要接入串口转<span>USB</span>芯片以实现串口数据传输的功能。<span>CH340N</span>内置晶振，只需要一个去耦电容即可。</p> <p><strong>•调试图片</strong></p> <p align="center"><strong> </strong></p> <p><span> <img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/HhUarGtfqgpwB1lg17Sca4lUjxQ6OPQclrPdG7vL.jpeg" alt="" width="600" height="450"></span></p> <p class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt pap-left-indent-1.6em" style="line-height: 1.8;"> </p> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*5、软件部分</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> <p>软件包括<span>STM32</span>单片机部分和<span>LabVIEW</span>上位机部分。下面将分别说明。</p> <p><strong>•单片机程序总体说明</strong></p> <p>单片机主要实现串口接收指令、<span>AD</span>采集、波形数据转换和串口发送波形数据的功能。采用<span>STM32Cube</span>预先配置各项参数，在<span>Keil</span>中进一步编程。</p> <p><strong>•单片机参数配置</strong></p> <p>配置<span>ADC</span>触发方式为定时器触发，这样可以更精准的控制采样间隔。由<span>DMA</span>控制器将波形数据保存至数组，并设置<span>DMA</span>为非循环模式。</p> <p>配置串口波特率为<span>256000</span>（没有采用常用的<span>115200</span>，因为只有在该波特率下才能够实现<span>20FPS</span>的刷新率）。开启接收中断。由<span>DMA</span>控制串口发送数据，这样在发送串口数据时，不会影响主程序的运行，从而可以提高刷新速度。</p> <p>在频率测量中，配置定时器为输入捕获模式，将定时器从模式设置为复位，触发源为<span>TI1FP1</span>。由<span>DMA</span>控制器将每次脉冲信号来临时，将定时器的计数值保存至数组。另外，比较器的输出端含有高频脉冲噪声，需要配置定时器输入通道滤波器。</p> <p><strong>•单片机波形采集程序</strong></p> <p>串口波形数据格式为<span>< Time00640+Fre00100+Amp0+DC+</span>波形数据点<span>></span>的形式。其中<span>AD</span>触发定时器的计数值<span>Time</span>，最大<span>65535</span>；输入捕获定时器的计数值<span>Fre</span>，最大<span>65535</span>；程控放大器的放大倍数<span>Amp</span>，最大值<span>3</span>；耦合方式用<span>DC</span>和<span>AC</span>表示。</p> <p>波形采集过程如下。</p> <p><strong><span> </span></strong></p> <p align="center"><img src="//image.lceda.cn/pullimage/8qon1VQBPjCgvcLoiVG1BFj3rE8Eu3r1iZjnLXLx.png" alt="" width="400" height="337"></p> <p><strong>•上位机程序</strong></p> <p>上位机的主要工作是解析来自串口的字符串，处理波形、计算相关参数并显示。在单片机中不进行浮点运算，所有的波形数据均为<span>AD</span>采集的原始数据，为整数形式。而在上位机中，需要将这些整数转换成电压值。很显然，单片机<span>AD</span>值和输入电压值之间理论上成完全的线性关系，在上位机中需要跟据此线性关系求得实际电压值。在本作品中，有着<span>4</span>种程控增益，也就对应着<span>4</span>个函数关系。</p> <p>上位机示意图如下。</p> <p><img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/vS4x6KvUxdq4SP6HnlYX0Az9gq2VG3ZpFB2YYBMv.png" alt="" width="600" height="292"></p> <p align="center"> </p> <p><strong>•总结</strong></p> <p>本作品可以实现基本的示波器测量功能，对于电压测量有着较好的精度。其<span>2M</span>的采样率，对于音频范围内的信号，即<span>20KHz</span>的信号可以充分测量。由于示波器的带宽较小，使得其本身的底噪也不大。在下面的视频中，对于<span>20mV</span>的正弦波进行了测试。另外，该虚拟示波器可以测量具有<span>5V</span>直流偏置、频率为<span>50KHz</span>、幅度仅为<span>50mV</span>的小信号，该测量在下面的视频中也有所展示。</p> <p>当然，一般的手持示波器都采用的是<span>FPGA+</span>高速<span>AD</span>的方案来实现高采样率，这是单片机内置<span>AD</span>远不能达到的。但是在价格方面，本作品的成本约为<span>35</span>元，也算是本作品的最大特点。在电路设计和选型过程中，也是尽量精简电路，减小成本。</p> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*6、BOM清单</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> <p class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;"><span style="color: #95a5a6; font-size: 14px;">请输入内容…</span></p> <p class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;"><img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/D18NJC8Pew3vMbIOVJeAz5fQz4bbR959LqBLk35i.png" alt="" width="704" height="682"></p> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">*7、大赛LOGO验证</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> <p class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;"><img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="//image.lceda.cn/pullimage/Fx4x7O3YlBSOGF9XI8AngMeiD2ZndLigClTVrJUf.jpeg" alt="" width="600" height="800"></p> <h3 class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">* 8、演示您的项目并录制成视频上传</h3> <hr class="horizontal-splitline normal-bold-2"> <p class="paragraph text-align-type-left pap-line-1.3 pap-line-rule-auto pap-spacing-before-3pt pap-spacing-after-3pt" style="line-height: 1.8;">分为常规功能展示和功能展示两个视频。</p> </div>