原创 多功能数字示波表(1)

1.方案论证

    系统由A/D采样前信号处理、高速A/D采样和数据运算处理及数据显示四部分组成。重点在于主控系统的选择以及对电流、电阻、电压及交流信号的前期处理。

    32位基于ARM核心的微控制器处理器STM32F103ZE + 信号处理电路实现。

    STM32F103ZE使用高性能的ARM? Cortex?-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz有丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设。包含3个12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C、3个SPI、2个I2S、1个SDIO、5个USART、一个USB和一个CAN。这些丰富的外设及STM32F103ZE的能达1MHz采样速率的片内A/D模块，让本系统在不需外接专用模块的条件下就能够完成本题的大部分要求。具体方案框图如图1。

图1.方案二框图

2.理论分析与计算

2.1关于测量精度的分析

    STM32F103ZE的片上A/D都有12位的精度，我们设置的参考电压为2.5V，所以A/D的采样分辨率为

                             Va=2.5V/212=0.61mV                            (2.1)

    方案中直流电压、直流电流的相对测量精度都要求小于或等于1%，则采样的最小电压信号为

               Vmin=Va/1%=0.61mV/1%=61mV                      (2.2)

    为保证测量精度，取采样最小电压为100mV，这时采样精度为

          P=0.61 mV /100 mV =0.61%   (2.3)

2.2前级处理电路参数分析

2.2.1测电阻

    由于电流源测电阻法的线性度好，故选择此法。待测电阻为100Ω～100kΩ， A/D采样的信号范围为100mV～2.5V， 所以电流源要大于

                      100mV/100kΩ=1uA     (2.4)

    本次设计三级电流源20uA、200uA、2mA，其分别的测量量程如表2.1所示。

表2.1.测电阻量程选择

2.2.2测电流

    本设计用小电阻串联到被测电路中，取对应微弱电压信号再放大，间接对电流进行测量。在被测电路中串联电流表，电流表的内阻就不能很大，否则就改变原电路的性能，但也不能太小，如果太小测量误差也很大。经计算选择小电阻和对应的量程如表2.2，所有电压信号放大10倍刚好落在A/D采样电压范围。

表2.2.电流测量量程选择

2.2.3测电压

    电压的测量范围为20mV～5V，我们设法把它变到100mV～2.5V之间就可，经计算两档增益既可达要求，电压增益选择如表2.3。

表2.3.电压测量增益选择

2.2.4 0.1VPP～5VPP信号波形显示

    把输入信号经调理后控制在0.1VPP～2.5VPP之间，然后把电平抬升2.5V/2=1.5V即可。具体增益控制如表2.4。

表2.4.输入信号增益选择

2.3频率测量

    系统采用等精度测频法，保证了测频的精度。

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3．电路与程序设计

3.1前级处理电路设计(方案32位MCU采用STM32F103ZE开发板)