1. 引言
1.1. 研究背景与意义
在当今科技迅猛发展的时代，数字信号处理技术在众多领域如电子工程、通信技术、医疗设备和工业自动化等得到广泛应用。示波器作为一种关键的电子测量仪器，能够实时呈现和剖析电子信号的波形，助力工程师和技术人员进行故障排查、信号调试以及系统优化。然而，传统示波器往往体积庞大且功能单一，难以满足便携式应用场景的需求。基于STC32单片机的便携式数字示波器设计应运而生，旨在突破传统示波器的局限，通过融合先进的数字信号处理技术，实现高精度、低功耗和小型化的设计目标。按照信号处理方式不同分类，示波器可分为模拟示波器和数字示波器两大类，该课题研究的数字示波器是通过模数转换器(ADC)把被测模拟信号转换为数字信号，再以数字信号处理的方式将信号随时间的变化波形绘制在显示设备上[1]。这种新型示波器不仅具备基本的波形捕捉与分析功能，还能提供频率、周期、幅度等多种实用测量功能，从而契合不同用户的多样化需求。STC32单片机凭借其强大的处理能力和丰富的接口资源，在便携式数字示波器设计中展现出显著优势，为电子测量技术的便携化提供了一种创新的解决方案。
1.2. 国内外研究现状
在国外，示波器技术发展较早且成熟，各大仪器厂商不断推出高性能、多功能的示波器产品。这些产品在带宽、采样率、精度等方面处于领先地位，并且广泛应用于科研、工业生产等高端领域。同时，随着便携化需求的增长，国外也在积极研发小型化、便携式示波器，注重产品的集成度和用户体验。
国内示波器技术近年来取得长足进步，科研院校在理论研究与技术创新方面持续投入，为产业发展提供了有力支撑。众多国内企业积极参与市场竞争，逐步推出具有一定特色和竞争力的示波器产品。然而，与国外先进水平相比，在高端示波器领域，我国在核心技术如高性能模数转换器、精密信号处理算法等方面仍面临挑战，存在一定差距。但在便携式示波器研发方面，国内企业和研究人员紧跟趋势，充分发挥本土优势，致力于实现产品的小型化、多功能化与低成本化，以满足国内市场快速增长的需求，并在部分细分领域取得了一定成果。
1.3. 研究目的与创新点
本研究旨在设计一款基于STC32单片机的便携式数字示波器，实现示波器的基本功能并具备便携性优势。创新点主要体现在以下几个方面：一是采用STC32单片机的ARM Cortex-M3内核，实现高效能数据采集与处理，同时优化电源管理策略，降低功耗，延长设备工作时间；二是开发高效波形显示算法，确保实时波形显示的同时提供存储功能，便于后续分析；三是设计直观的用户界面，简化用户交互流程，并且采用模块化设计，便于未来升级和功能扩展。
2. 性能参数
示波器的性能参数是衡量其功能和适用范围的关键指标，本项目设计的示波器性能参数经过精心规划与论证，以满足广泛的电子信号测量需求。
2.1. 主频与时基
示波器主频设定为35 MHz，为系统的高速数据处理提供了坚实的时钟基础。时基作为控制波形水平扫描速度的关键参数，按照1-2-5步进方式设置，范围从50 us到50 s共19档。这种步进设置方式符合电子测量领域的通用标准，便于用户根据不同信号频率和观测需求灵活选择合适的时基，从而在显示屏上获得清晰、稳定的波形图像。例如，在观测高频信号时，可选择较小的时基值(如50 us或100 us)，以展开波形细节；而对于低频信号或长时间信号变化过程的观测，则可选用较大的时基值(如5 ms或50 s)，确保信号全貌得以完整呈现。
2.2. 模拟带宽与垂直幅度
模拟带宽是衡量示波器对输入信号频率响应能力的重要指标。本示波器在探头×1时模拟带宽大于等于250 mV/DIV，探头×10时大于等于2.5 V/DIV，能够覆盖较宽频率范围的信号测量。垂直幅度方面，其范围从最小50 mV/DIV到最大10 V/DIV，共分为多个档位，可精确测量不同幅度的信号。这样的设计使得示波器在面对微弱信号和强信号时均能准确采集和显示，通过调整垂直幅度挡位，用户能够将信号调整至合适的显示范围，避免信号失真或无法观测的情况发生。
2.3. 显示与存储
显示部分采用16位接口的3.2寸TFT LCD，分辨率为480 × 320。这种显示屏具有较高的像素密度，能够清晰呈现波形细节和测量参数。其色彩表现力丰富，可通过不同颜色区分波形、刻度及参数信息，增强显示的可读性。在存储方面，示波器具备4000点的存储深度，能够记录一定时间内的信号变化过程。这一存储深度足以满足对大多数常见信号的分析需求，用户可以在采集完成后回顾信号历史，进行深入分析和研究，如检测信号的异常波动、计算信号的平均值与标准差等统计参数。
2.4. 触发模式与方式
触发功能是示波器准确捕获特定信号事件的关键。本示波器提供上升沿触发和下降沿触发两种模式，用户可根据信号特征灵活选择。触发方式分为自动、标准和单次三种，自动触发模式适用于连续信号观测，示波器自动检测信号并触发显示；标准触发模式可根据用户设定的触发电平精确触发信号；单次触发模式则用于捕捉单次事件或脉冲信号，确保关键信号不被遗漏。这种多样化的触发模式和方式组合，使得示波器能够适应各种复杂的信号环境，准确捕获用户关注的信号部分，为信号分析提供可靠依据。
这些性能参数相互配合，共同构成了本便携式数字示波器的功能体系，使其在便携式示波器市场中具备较强的竞争力，能够满足从基础电子实验到现场设备维护等多种应用场景的需求。
3. 系统设计
3.1. 硬件设计
3.1.1. 总体硬件方案设计
本示波器硬件系统以STC32单片机为核心，构建了一个功能完备、协同工作的硬件架构。STC32G12K128MCU作为系统的“大脑”，基于ARM Cortex-M3内核，具备卓越的处理能力和丰富的片上资源，为实现示波器的高性能数据采集、处理和控制功能提供了坚实基础。其低功耗特性与便携式设备的要求高度契合，有助于延长设备的单次使用时间。
如图1，围绕单片机，硬件系统集成了多个关键外围模块。电源管理模块负责为整个系统提供稳定、合适的电源供应，确保各组件正常工作。TFT-LCD模块实现信号波形和测量参数的可视化输出，其与单片机之间通过特定接口通信，将处理后的数字信号转换为直观的图像显示。采样前级电路作为信号输入的前端处理单元，对输入信号进行初步调理，包括信号衰减、滤波等操作，使其满足后续模数转换和处理的要求。信号输入接口采用标准的BNC接口，保证信号传输的稳定性和可靠性，可兼容多种类型的测试探头。独立按键模块则为用户提供了便捷的人机交互手段，用于操作控制示波器的各项功能，如参数设置、触发控制、功能切换等。各模块之间通过精心设计的电路连接，实现数据和控制信号的高效传输，共同协作完成示波器的整体功能。
Figure 1. Design block diagram
图1. 设计框图
3.1.2. 核心电路设计
核心电路(如图2)是示波器硬件系统的关键部分，直接影响信号的采集质量和处理精度，主要由输入电路，放大信号电路，偏置电路三部分组成。
输入电路：BNC为输入探头，通过K1可手动选择交流电(AC)输入或直流电(DC)输入，信号衰减输入。并联电容C16、C17抵消大电阻分布电容影响。调节可调电容VC1优化波形显示。R46用作平衡电阻。R46为平衡电阻，D4、D5将电压钳位在−5 V到+5 V保护后续电路。
放大信号电路：选用运算放大器TP2604，构成同向放大电路[2]。R40和C18构成RC低通滤波。选用74HC4051芯片设计数控增益电路，可简化如图3。
偏置电路：同样选用运算放大器TP2604构成反向放大电路，通过改变PWM占空比控制零基线上下移动，交流叠加直流使其在零基线以上，D6作为钳位二极管，使输入ADC的信号电压在0~2.5 V之间。
Figure 2. Core circuit schematic
图2. 核心电路原理图
Figure 3. Digitally controlled gain circuit
图3. 数控增益电路
3.2. 软件设计
3.2.1. 总体软件方案介绍
本数字示波器的软件设计部分采用模块化程序设计，主要由A/D转换子程序，LCD液晶显示子程序，按键处理子程序模块组成[3]。
3.2.2. 外设模块函数功能介绍
如图4，程序中TIM3的作用是产生时基信号，如每128 ms进行键盘扫描；以及产生1 kHz方波用于校准探头的补偿电容和超时采样的触发，若8 ms未检测到触发采样则开启超时采样一次。TIM0定时器用于设置采样率，改变此中断频率即改变采样率。采样率控制ADC用来实现模拟信号到数字信号的转化。
比较器Compare用于改变触发方式(上升沿、下降沿)。LCD屏通过SPI接口与控制器通信，用于绘制波形曲线并显示参数。程序中的PWM用于产生偏置电压，更改此占空比可实现波形上下移动。
Figure 4. Peripheral modules
图4. 外设模块
3.2.3. 主函数功能介绍
在系统启动时首先进入初始化阶段，执行过程如下：
board_init()对整个开发板进行全面初始化，涵盖时钟设置、通用输入输出引脚配置以及中断控制器初始化等，为后续模块的正常运行奠定基础。LCD_Init_480_320()对数字示波器的液晶显示屏进行初始化，将其设置为特定的分辨率(480 × 320)和横屏模式，以便清晰地呈现采集到的信号波形和相关参数。
LCM_Config()进一步对液晶显示模块(LCM)进行配置。LCD480_320DMAConfig()对LCD的直接存储器访问(DMA)进行初始化。利用DMA可以显著提高数据传输效率，减轻CPU的负担，尤其在处理大量数据时优势明显。LCMIFCR = 0 × 00禁止LCM接口，这一操作是出于安全考虑，确保在后续的初始化和运行过程中，接口处于正确的状态，避免不必要的干扰和错误发生。oscillograph_Init()和OSCOPEinilize()对数字示波器的核心功能进行初始化，包括配置模数转换器(ADC)以实现对模拟信号的采集、设置触发条件以便准确捕获特定的信号事件，以及初始化存储缓冲区用于存储采集到的数据等。
完成初始化后，主函数进入无限循环，持续监测和响应各种事件：
在无限循环中，首先通过判断flag_128ms标志位来确定是否满足128 ms的特定条件。如果满足该条件，则执行以下：
调用ReadKey()读键函数，用于读取用户输入的按键。选择128 ms的时间间隔确保按键读取的稳定性，避免误触发。将flag_128 ms标志位重置为0，为下一次判断做好准备。进一步判断KeyState是否为非零。如果按键被按下，系统可以根据不同的按键状态执行相应的操作，例如切换显示模式、调整参数值等。
接着，通过判断flag_8ms标志位来确定是否满足8 ms的特定条件。如果满足，则执行以下操作：调用Key_value()函数，用于在8 ms时间间隔下执行特定的按键操作或任务。
将flag_8ms标志位重置为0，执行task_run()函数，该函数负责数字示波器的主要任务，包括数据采集、信号处理、波形绘制以及参数显示等。这是数字示波器的核心功能部分，通过不断地执行这个函数，系统能够实时地更新显示屏上的信号波形和相关参数。
最后，调用AutoCheck()自动检查函数，用于定期检查系统的状态、数据的有效性和完整性。例如，它可以检查ADC的工作状态、存储缓冲区是否溢出、显示屏是否正常工作等。如果发现问题，系统可以采取相应的措施，如发出警报、进行自我修复或提示用户进行操作。
主函数代码如图5：
Figure 5. Main function code
图5. 主函数代码
4. 实物展示及系统测试
4.1. 实物外观
Figure 6. Actual picture
图6. 实物图
本便携式数字示波器的实物(图6)由TFT LCD显示屏、核心板、底板、示波器探头输入接口、运行/停止按键、设置按键以及五向开关等部分组成。TFT LCD显示屏尺寸为480 × 240，能够清晰呈现各类信息。核心板与底板协同工作，确保设备稳定运行。示波器探头输入接口采用标准设计，方便连接各类探头。操作按键布局合理，易于用户操作。运行/停止按键可直观控制信号采集过程，设置按键用于调整各种参数，五向开关则在菜单选择等操作中发挥重要作用。
4.2. 系统测试
4.2.1. 测试方法
将信号发生器输出的信号连接至示波器探头输入端，调整示波器的各项参数，包括时基、垂直幅度、触发模式等，观察示波器显示屏上显示的波形，并与信号发生器设定的参数进行对比。使用万用表测量信号的电压、频率等参数，验证示波器测量结果的准确性。
4.2.2. 测试结果
观察红外遥控(NEC码)信号
标准触发模式下：触发模式设置为下降沿，输入耦合选择直流DC，时基选择5 ms/DIV，垂直幅度为1 V/DIV，波形向下调整2格。采样得到的波形稳定显示，如图7，按停止键后可缩放和移动波形进行精细观察。
时基放大5倍时，如图8，能够清晰看到同步头9 + 4.5 ms；时基放大10倍并左移波形11,880 us时，可准确识别数据为0011……这表明示波器在捕捉和显示复杂数字信号方面具有较高的精度，能够满足对这类信号的分析需求。
Figure 7. Standard trigger mode
图7. 标准触发模式
Figure 8. After the time base is magnified 5 times
图8. 时基放大5倍后
如图9，时基放大10倍并左移波形11,880 us，可以看到数据为0011……
Figure 9. After the time base is magnified 10 times
图9. 时基放大10倍后
4.3. 通过设计取得的效果
4.3.1. 功能实现方面
成功基于STC32单片机实现了便携式数字示波器的基本功能，包括数据采集、储存和显示。用户能够方便地连接探头采集电信号，并在显示屏上实时观察到波形，同时可对采集到的数据进行存储，便于后续分析。多种触发模式(上升沿触发、下降沿触发)和触发方式(自动、标准、单次)的设计，使得示波器能够适应不同类型信号的测量需求。无论是周期性信号还是单次脉冲信号，都能准确捕获，为电子信号的分析提供了更多的灵活性。
4.3.2. 性能提升方面
采用16位接口的3.2寸TFT LCD显示屏，分辨率达到480 × 320，能够清晰、细腻地显示波形和相关参数。垂直方向25点/格、水平方向25点/格的设计，以及较大的存储深度(4000点)，保证了波形显示的精度和完整性，用户可以更准确地观察和分析信号的细节。示波器的模拟带宽在探头×1时大于等于250 mV/DIV，探头×10时大于等于2.5 V/DIV，垂直幅度最小为50 mV/DIV，最大为10 V/DIV，能够测量较宽范围的信号幅度，满足多种电子设备的测试需求。时基按照1-2-5步进，从50 us到50 s共19档，用户可以根据信号的频率选择合适的时基，以便更好地观察信号的变化过程。
4.3.3. 便携性与易用性方面
以STC32单片机为核心的硬件设计，使得示波器体积小巧、便于携带。与传统示波器相比，本设计更适合现场测试、移动应用等场景，如电子工程师在外出维修设备或进行实地调研时，可以方便地携带并使用该示波器进行信号检测。
直观的用户界面设计，通过按键和五向开关实现各种操作，操作流程简单易懂。用户无需复杂的培训即可快速上手，能够轻松调整示波器的参数、进行信号采集和分析，提高了工作效率。
4.3.4. 稳定性与可靠性方面
在硬件设计中，合理选择了电子元件，并进行了精心的电路布局和布线，提高了示波器的抗干扰能力。同时，软件设计中采用了模块化编程和多种数据校验机制，确保了系统的稳定性和可靠性。在长时间的测试过程中，示波器未出现死机、数据丢失或波形异常等问题，能够持续稳定地工作。
电源管理模块的优化设计，使得示波器在实现高性能的同时，能够有效降低功耗，延长设备的使用时间。这对于需要长时间连续工作的场景(如实验室测试、现场监测等)非常重要，减少了因电量不足而导致的工作中断。
本便携式数字示波器的设计在功能、性能、便携性、易用性、稳定性和可靠性等方面均取得了良好的效果，能够满足电子工程、通信技术、教育教学等领域的基本测量需求，为相关领域的技术人员提供了一种实用、高效的测量工具。
5. 项目总结
本项目成功研发基于STC32单片机的便携式数字示波器，成果显著。实现数据采集、处理、存储和显示等功能，多种触发模式与方式灵活捕捉信号，性能指标出色，时基多档可选，模拟带宽和垂直幅度满足测量需求，显示屏清晰，存储深度足够。硬件设计紧凑便携，软件界面友好易用。在技术上，优化电路设计提升性能，创新算法处理信号与显示波形，采用模块化设计便于维护扩展。通过测试，不同信号测量准确，各项功能稳定可靠，能适应多种场景，如电子设备研发、维修和教学。未来可拓展功能、提升性能、优化软件，以满足更高需求，在电子测量领域前景广阔。
基金项目
嘉兴南湖学院大学生研究训练计划项目(8517233228)。