优化微小信号测量的示波器及其方法

摘要

本发明公开了一种优化微小信号测量的示波器及其方法。示波器包括战舰STM32F103开发板和VCA810程控放大模块。其基本思路为先进行一轮预采样，以判断被测信号是否属于微小信号，并且测出信号的实际幅值；假如通过预采样判定被测信号是微小信号，则微处理器通过程控放大模块放大被测信号，使信号的信噪比提高；示波器对此放大后的信号进行采样，并与预采样得到的幅值相对比，得到信号被放大的倍数；微处理器按照此放大倍数，将采集到的信号数据还原为信号放大前的数据，即原始被测信号的数据，噪声在此过程中将被明显抑制。应用本发明，可以得到准确、清晰、低噪声的波形和准确的幅值、频率信息。

说明书

技术领域

本发明涉及电子设备领域，特别涉及一种优化微小信号测量的示波器及其方 法。

背景技术

模拟示波器主要的实现方法为：使用模拟电路电子枪向屏幕发射电子，电子 聚焦形成电子束，击中屏幕留下荧光印迹，被人眼所识别。电子束从电子枪到屏 幕的路程中，会经过两对互相垂直的极板：竖直放置的极板两端电压周期性变化， 保证电子束在屏幕上从左到右不断扫描；水平放置的极板两端加以外界电压，电 压越大，则电子束偏转越明显。如此一来，利用人眼的余辉效应，用户就能在屏 幕上观察到实际的波形，并能进行调整、测量等操作。模拟示波器最大的局限在 于其可以表示的频率范围。在频率非常低的地方，信号呈现出明亮而缓慢移动的 点，而很难分辨出波形。而当信号频率超过阴极射线管的写速度时，波形显示过 于暗淡，难于观察。

现有的数字示波器采用A/D转换器采集数据，并存储于微控制器的存储器 中，根据采集的数据进行绘图，并通过一系列数据运算，得到所测信号的幅值、 频率等信息。这种方法在信号幅值较大时工作良好，但是信号幅值非常小时，信 噪比非常低，显示的波形带有大量噪声，用户难以分辨波形原本的样子，示波器 也无法正确地测出信号的幅值、频率。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种优化微小信号测 量的示波器，提升可测信号的频率幅值范围，提升波形精确度。

一种优化微小信号测量的示波器，包括战舰STM32F103开发板和VCA810 程控放大模块；

战舰STM32F103开发板由DAC输出引脚、ADC1、ADC2、地线引脚GND、 液晶屏和键盘组成。战舰STM32F103开发板的DAC输出引脚经过第一电源后， 连接至VCA810程控放大模块的DAC控制信号输入引脚；战舰STM32F103开 发板的ADC1和ADC2分别连接到VCA810程控放大模块的输入端和输出端； 战舰STM32F103开发板的地线引脚通过第二电源后，连接至VCA810程控放大 模块的地线引脚；被测信号输入VCA810程控放大模块的输入端；战舰 STM32F103开发板上连接用于显示的液晶屏和用于输入的键盘，由单片机直接 控制。

作为优选，所述的第一电源为2节1.5V干电池，所述的第二电源为1节1.5V 干电池。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述示波器的优化微小信号测量的示 波方法，步骤如下：

1)首先将被测信号输送至VCA810程控放大模块的输入端；

2)被测信号首先被ADC1采样，单片机读取ADC1采样得到的数据，并与 预设值比较以判断被测信号是否属于微小信号；当判断出被测信号不属于微小信 号时，继续使用ADC1进行采样，单片机对ADC1采样得到的数据进行筛选， 直至当波形符合用户所设置触发条件时，将采样所得数据存储；当存储数据满足 预设条件时，完成一轮采样，单片机读取存储的数据，并计算信号的幅值；战舰 STM32F103开发板的DAC输出控制信号，使得VCA810程控放大模块不工作； STM32F103单片机根据本轮采样得到的数据，驱动LCD显示屏显示波形及信号 参数；

3)当判断出被测信号属于微小信号时，示波器将启用ADC2进行采样，单 片机对ADC2采样得到的数据进行筛选，直至当波形符合用户所设置触发条件 时，将采样所得数据存储；当存储数据满足预设条件时，完成一轮采样，单片机 读取存储的数据，并计算信号的幅值；战舰STM32F103开发板的DAC输出控 制信号，使得VCA810程控放大模块工作在放大状态，将被测微小信号放大； STM32F103单片机根据本轮采样得到的数据，驱动LCD显示屏显示波形及信号 参数；

4)显示一次波形后，示波器重复步骤2)和3)，进行下一轮采样并根据本 轮采样得到的数据，驱动LCD显示屏显示波形及信号参数。

其中：步骤2)和3)不断循环进行采样和波形显示，直至用户关闭示波器。

本发明的基本原理是：先进行一轮预采样，以判断被测信号是否属于微小信 号，并且测出信号的实际幅值。假如通过预采样判定被测信号不是微小信号，则 示波器按照常规方式采样、显示。

假如通过预采样判定被测信号是微小信号，则微处理器通过程控放大模块放 大被测信号，使信号的信噪比提高。下一轮采样时，示波器对此放大后的信号进 行采样，并与预采样得到的幅值相对比，得到信号被放大的倍数。微处理器按照 此放大倍数，将采集到的信号数据还原为信号放大前的数据，即原始被测信号的 数据，噪声在此过程中将被明显抑制。

本发明的示波器利用此数据进行运算和显示，就可以得到准确、清晰、低噪 声的波形和准确的幅值、频率信息。

附图说明

图1为本发明控制示波器的方法流程图。

图2为一种优化微小信号测量的示波器的结构示意图。

图中，战舰STM32F103开发板1、键盘2、液晶屏3、第二电源4、第一电 源5、VCA810程控放大模块6。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个 实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，本发明的基本思路为：信号首先经过ADC1采样模块进入单 片机，通过预采样确定采样模式。若被测信号不是微小信号，信号将直接在液晶 屏3上显示相关参数和波形；如果被测信号是微小信号，信号经过由DAC输出 控制的程控放大电路放大，再通过ADC2采样模块进入单片机，在液晶屏3上 显示正确的参数和波形。

如图2所示，一种优化微小信号测量的示波器，包括战舰STM32F103开发 板和VCA810程控放大模块6；

战舰STM32F103开发板的DAC输出引脚经过第一电源5后，连接至 VCA810程控放大模块6的DAC控制信号输入引脚。这是为了将DAC输出电压 抬升至足够高，以有效控制VCA810程控放大模块6。当判定输入信号为微小信 号时，STM32单片机会通过DAC输出控制信号，使得VCA810工作在放大状态， 将微小信号放大。

战舰STM32F103开发板的ADC1和ADC2分别连接到VCA810程控放大模 块6的输入端和输出端。ADC1连接到VCA810程控放大模块6的输入端，用于 判断被测信号是否是微小信号。ADC2连接到VCA810程控放大模块6的输出端， 当输入信号为微小信号时，ADC2将放大后的波形采集到STM32单片机。

战舰STM32F103开发板的地线引脚通过第二电源4后，连接至VCA810程 控放大模块6的地线引脚。这是为了让ADC1和ADC2采集到的信号相对两个 ADC有1.5伏的抬升，从而从双极性信号变为单极性信号，便于ADC的采样。

被测信号输入VCA810程控放大模块6的输入端；战舰STM32F103开发板 上连接用于显示的液晶屏3和用于输入的键盘2，由单片机直接控制。用户可以 通过按键操作控制采样和波形参数。

本实施方式中，所述的第一电源5为2节1.5V干电池，所述的第二电源4 为1节1.5V干电池。

基于上述装置，本发明还提供了一种利用所述示波器的优化微小信号测量的 示波方法，步骤如下：

1)首先将被测信号输送至VCA810程控放大模块6的输入端；

2)被测信号首先被ADC1采样，单片机读取ADC1采样得到的数据，并与 预设值比较以判断被测信号是否属于微小信号；当判断出被测信号不属于微小信 号(例如，信号为100毫伏，属于微小信号)时，继续使用ADC1进行采样， 单片机对ADC1采样得到的数据进行筛选，直至当波形符合用户所设置触发条 件时，将采样所得数据存储；当存储数据满足预设条件时，完成一轮采样，单片 机读取存储的数据，并计算信号的幅值；战舰STM32F103开发板的DAC输出 控制信号，使得VCA810程控放大模块6不工作；STM32F103单片机根据本轮 采样得到的数据，驱动LCD显示屏显示波形及信号参数；

3)当判断出被测信号属于微小信号时，示波器将启用ADC2进行采样，单 片机对ADC2采样得到的数据进行筛选，直至当波形符合用户所设置触发条件 时，将采样所得数据存储；当存储数据满足预设条件时，完成一轮采样，单片机 读取存储的数据，并计算信号的幅值；战舰STM32F103开发板的DAC输出控 制信号，使得VCA810程控放大模块6工作在放大状态，将被测微小信号放大； STM32F103单片机根据本轮采样得到的数据，驱动LCD显示屏显示波形及信号 参数；

4)显示一次波形后，示波器重复步骤2)和3)，进行下一轮采样，显示的 波形保留至下一次显示；第二轮采样时，ADC2采样到的是经过放大的信号，因 此能够保证良好的采样质量和分辨率。STM32F103单片机将读取存储的数据， 计算信号的幅值，并根据本轮采样得到的数据，驱动LCD显示屏显示波形及信 号参数；采样、处理数据、驱动LCD显示屏显示的过程将不断循环，直到用户 关闭本示波器。