2015-12-28 author:ysd-luwei version:v1.5
毕业设计开题报告 - 基于STM32的便携示波器设计结合毕业论文（设计）课题任务情况，根据所查阅的文献资料，撰写1500～2000字左右的文献综述研究背景国内外研究现状便携式示波器关键技术与实现方案分析基于微控制器（MCU）的方案基于FPGA的方案方案对比与本课题选择基于MCU方案的便携式数字示波器主要研究方向信号采集与信号调理电路数据处理与波形重建人机交互与显示技术系统功能拓展总结与展望参考文献毕业设计任务要研究或解决的问题和拟采用的方法宽电压范围输入的信号调理与负压处理信号频率的精准测量与硬件整形高速数据采集与显示刷新率的平衡人机交互系统的逻辑设计系统的集成与测试
电子测量技术作为现代电子工程发展的基石，其核心工具之一——示波器，因其能够直观呈现电压信号随时间变化的波形，在电子系统设计、生产测试、教学实验及故障诊断等环节中扮演着不可替代的角色。传统模拟示波器已基本被数字示波器所取代，后者凭借更高的精度、更强的信号处理能力以及丰富的功能拓展性，成为当前主流。
然而，当前市场上的高性能台式数字示波器（如泰克、是德科技等品牌）普遍存在体积庞大、价格昂贵、不便携带等问题（陈雯婷，2023；Pavuluri et al., 2023），难以满足日益增长的户外作业、现场维护与高校基础实验等场景对便携性、低成本与易用性的需求。随着物联网、工业4.0及创客教育的快速发展，市场对兼具性能、便携性与性价比的嵌入式测量设备提出了更高要求。在此背景下，基于高性能微控制器（如STM32）开发的便携式数字示波器成为研究热点。
本综述旨在系统梳理便携式数字示波器的国内外研究进展，聚焦其核心技术瓶颈与主流实现路径，重点探讨以STM32为代表的高性能MCU如何在教学级简易设计与专业级FPGA系统之间构建一个高性价比、功能均衡的中间方案，为本毕业设计提供理论支撑与技术参考。
目前，数字示波器技术已趋于成熟，市场呈现两极分化的趋势：高端产品追求超高带宽（GHz级）、高采样率（数十GSa/s）与深存储深度，主要由是德科技（Keysight）、泰克（Tektronix）和力科（LeCroy）等国际巨头主导；而另一端则是面向教育、维修与嵌入式开发的便携式或手持式示波器，强调小型化、低功耗与成本控制。
在国内，普源精电（RIGOL）、鼎阳科技（SIGLENT）等企业已在中低端市场崭露头角，凭借高性价比产品赢得广泛认可。然而，在便携式细分领域，尽管麦科信（Micsig）、优利德（UNI-T）等品牌已推出多款手持示波表，但在高度集成、功能拓展（如内置信号源、远程通信、智能分析）等方面仍存在提升空间。
与此同时，国内高校与科研机构也积极开展低成本便携示波器的研究。例如，陈雯婷（2023）提出基于嵌入式平台的多功能测量系统设计，强调软硬件协同优化；Pavuluri等人（2023）则探讨了面向教育场景的开源示波器架构。这些研究虽在成本控制与基础功能实现上取得进展，但在系统集成度、人机交互体验及扩展性方面仍有待深化。因此，如何在有限资源下实现功能、性能与便携性的最佳平衡，成为当前研究的关键方向。
便携式数字示波器目前主流方案可分为基于微控制器（MCU）和基于现场可编程门阵列（FPGA）两类。
MCU方案因其开发便捷、成本低廉、功耗低，成为教学与入门级应用的首选。以Arduino项目中使用的Atmega328p微控制器为例，这类方案的特点是成本极低、开发工具链简单易用、功耗低，非常适合电子爱好者和教学场景 (Pavuluri et al., 2023)。然而，其有限的处理能力、内存和内置外设性能，限制了其在稍高频率信号测量需求上的应用。
随着ARM Cortex-M系列高性能MCU的普及，尤其是STM32F4、STM32H7等型号的推出，MCU方案的性能边界显著拓展。这些芯片集成高速12位ADC（采样率可达数MHz）、DMA控制器、高级定时器及多种通信接口，可在单芯片上实现信号采集、波形显示、触发控制乃至简易信号发生功能。例如，朱俊杰等人基于STM32设计的便携示波器，成功实现了1 MHz带宽、10 MSPS采样率的实时波形显示，并支持USB数据传输与OLED人机交互。此类方案在保证中低频测量能力的同时，大幅简化硬件结构、降低系统成本，契合“口袋仪器”的设计理念。
对于更高性能需求（如>10 MHz带宽），FPGA凭借其并行处理架构成为更优选择。FPGA可实现纳秒级高速采样、实时FIFO缓存与复杂触发逻辑，远超MCU的串行处理能力（陈雯婷，2023）。典型实现包括：
FPGA + MCU协同架构：FPGA负责高速ADC控制与数据预处理，MCU承担UI、通信与系统调度。该方案性能与灵活性兼备，但硬件复杂度与成本较高；
FPGA软核SoC方案：在FPGA内嵌入Nios II或MicroBlaze等软核处理器，构建片上系统。该方式在单一芯片内融合硬件加速与软件控制，兼顾性能与集成度，适用于高端便携设备。
尽管FPGA方案性能优越，但其开发门槛高、功耗大、成本高，不适合本课题“高性价比、教学导向、便携实用”的定位。
综合比较，FPGA方案适用于专业级高带宽场景，而基于STM32的MCU方案则在成本、功耗、开发效率与功能集成度上更具优势。对于面向高校实验、嵌入式开发及现场基础测试的应用场景，STM32平台完全可满足100 kHz–2 MHz频段的测量需求，且具备良好的扩展潜力（如集成DDS信号源、Wi-Fi/蓝牙通信、自动测量等）。
因此，本毕业设计选择以STM32为核心控制器，构建一款结构紧凑、功能完整、成本可控的便携式数字示波器。该方案不仅符合当前嵌入式测量设备的发展趋势，也为后续功能升级（如AI辅助波形识别、云数据同步）预留了技术接口，具有明确的工程应用价值与教学推广意义。
信号采集是示波器的最基础的功能。信号采集的核心是模数转换，其关键遵循奈奎斯特采样定理。该定理指出，为了无失真地恢复原始信号，采样频率必须至少是被测信号最高频率的两倍，否则将产生频谱混叠，导致测量错误 。被测信号在进入ADC之前，必须经过前端信号调理电路。该电路的核心功能包括 (朱俊杰 & 陈雪娇, 2024; 陈雯婷, 2023)：
信号衰减/放大：调整信号幅度，使其匹配ADC的最佳输入电压范围。
阻抗变换：通常采用高输入阻抗的电压跟随器，以减小对被测电路的影响。
电平抬升/极性变换：将可能存在的双极性信号（如-5V至+5V）转换为ADC能够处理的单极性正电压范围（如0V至3.3V）。
在实际应用中，由于ADC的采样点数有限，直接连接采样点形成的波形可能会出现阶梯状或毛刺。为了提高显示效果和测量精度，需要对采集到的数据进行软件处理。朱俊杰与陈雪娇 (2024) 的研究指出，滤波和插值算法是关键技术。通过数字滤波器可以有效消除随机噪声和脉冲干扰；通过线性插值或更复杂的正弦插值算法，可以在有限的采样点之间计算出额外的点，从而重构出更加平滑、自然的波形。这类计算密集型的软件算法非常适合在STM32成熟的C语言开发生态中实现。
现代便携式示波器普遍采用图形化显示界面。OLED (Pavuluri et al., 2023) 和TFT液晶触摸屏 (陈雯婷, 2023; 朱俊杰 & 陈雪娇, 2024) 是主流的显示方案。OLED具有自发光、对比度高、响应速度快等优点，但尺寸和成本受限。TFT彩屏则能提供更大的显示面积和更丰富的色彩表现。为了实现复杂的用户菜单、波形显示和参数设置界面，通常需要在主控制器上移植图形用户界面（GUI）库，如 μC/GUI (陈雯婷, 2023) 或其商业版本 emWin (朱俊杰 & 陈雪娇, 2024)，这些库提供了丰富的控件和绘图API，极大地简化了UI开发。
任意波形发生器：多功能是现代便携式仪器的重要趋势。集成任意波形发生器功能通常基于直接数字频率合成（DDS）技术实现。DDS的核心由三部分构成：一个相位累加器，用于根据频率控制字线性地增加相位；一个波形存储ROM，用于将相位值映射为对应的波形幅度值；一个DAC，将数字幅度值转换为模拟电压输出 (陈雯婷, 2023)。尽管DDS技术在陈雯婷(2023)所设计的FPGA方案中得到了充分展示，但STM32系列微控制器集成的丰富外设（如DAC和DMA控制器）同样为在成本敏感的MCU架构内实现此类高附加值功能提供了可行性。
数据远传功能：为了便于数据分析和远程控制，数据通信功能也日益重要。文献中提到了多种方案，例如通过千兆以太网（采用UDP协议）实现与PC端的高速数据传输，适合需要大数据量传输的场景 (陈雯婷, 2023)；或通过蓝牙等无线方式连接，提供更便捷的移动连接体验 (Pavuluri et al., 2023)。
通过对现有文献的梳理，可归纳出数字示波器在当前技术演进与市场驱动下的四大核心发展趋势：
市场需求: 便携化、多功能化和高性价比是数字示波器发展的重要方向，市场需求旺盛。
技术路径: 主控方案呈现多样化，以STM32为代表的高性能MCU方案和以FPGA为核心的SoC方案是两种主流技术路径，前者侧重成本与易用性，后者侧重极限性能。
功能集成: 现代便携式示波器正从单一的测量工具，演变为集成了信号发生、数据存储、远程通信等功能的综合性便携测试平台。
软件定义: 软件在示波器功能实现中扮演着愈发关键的角色。高级信号处理算法（如滤波、插值）和复杂的图形用户界面（GUI）的实现，极大地提升了产品的性能和用户体验。
综上所述，虽然高端示波器技术已非常先进，但在面向学生、电子爱好者及基础现场维修的“高性价比便携示波器”领域，仍存在巨大的市场需求。综合分析现有研究可以发现，FPGA方案虽然性能强大，但其开发复杂度高、成本难以控制，不适合所有应用场景。
本毕业设计旨在充分利用STM32微控制器成熟的开发生态、丰富的片上资源，设计一款软硬件协同优化、兼顾性能与成本的便携式示波器，这不仅是对现有产品的补充，也是对个人嵌入式系统综合设计能力的一次重要实践。
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本毕业设计旨在基于STM32微控制器，设计并实现一款便携式数字示波器系统，具备信号采集、波形显示、基本测量与人机交互功能。为了满足实现便携化目标的同时达到100kHz带宽、0~250V测量范围的设计标准，需要解决一些关键的技术细节问题。
STM32单片机的ADC输入电压范围仅为0-3.3V，为了满足工程实际需要，需要解决宽电压范围输入的信号调理与负压处理的问题。
宽电压输入的信号调理问题：设计高输入阻抗的分压电路，使得在测量250V高压时不烧毁电路，同时在测量微弱信号时又能保持足够的精度，这要求便携示波器需要具备量程切换能力。
负电压与偏置问题：单片机ADC无法直接采集负电压，需要设计运放电路对交流信号进行直流偏置，使其整体抬升至0~3.3V区间。同时，运放处理交流信号通常需要双电源供电，需要设计负压产生电路。
具体在设计上，拟采用Type-C接口输入5V直流电源。为了保证运算放大器在处理交流信号时具备良好的线性度，拟采用XD7660（或ICL7660）电荷泵芯片，构建双电源环境供运放使用。
在输入端串联100nF电容并配合拨动开关，实现AC/DC耦合选择。AC模式下利用电容隔直通交特性滤除直流分量。设计电阻分压电路配合开关切换量程。例如利用分压电阻网络实现高压衰减，结合保护二极管（如1N4148）对ADC输入端进行钳位保护，防止过压损坏MCU。
拟选用高输入阻抗的JFET输入运算放大器TL072。第一级运放作为电压跟随器进行阻抗匹配；第二级运放构建同相/反相比例放大电路，并引入1.65V的直流偏置电压，将双极性输入信号压缩并抬升至0~3.3V的ADC安全采样范围。
虽然可以通过软件对ADC采集的数据进行FFT分析计算频率，但对于高频信号，软件算法计算量大且精度受采样率限制。因此，需要设计测评电路，通过硬件滞回比较器电路，将模拟正弦波、三角波等整形为单片机可识别的方波信号，并解决噪声引起的误触发问题。通过利用STM32的定时器输入捕获功能精确测量高频信号的周期和占空比。
拟采用LM393电压比较器设计滞回比较器电路。设置合理的上下门限电压（如2.2V和2.1V），引入正反馈以增强抗干扰能力，将模拟波形整形为干净的方波信号，设置上升沿触发中断，记录两次捕获之间的时间差，从而高精度计算出信号频率和占空比。
系统要求具备实时波形显示功能。STM32在进行高速ADC采样时会产生大量数据。如果CPU频繁中断搬运数据，将导致UI界面卡顿、按键响应迟钝。需要解决数据采集、缓冲与屏幕刷新之间的并发处理问题。
此外，还需设计波形绘制算法，在分辨率有限的LCD屏幕上，将离散的ADC数值转换为连续平滑的折线波形，并实现波形的压缩与放大，实现时基调整。
拟利用STM32内部12位ADC，配置为规则组扫描模式，引入直接存储器访问技术，ADC转换完成自动将数据传输至内存缓冲区，无需CPU干预，极大释放CPU算力用于波形绘制。拟采用“清除旧波形 -> 绘制新波形”或“双缓冲绘图”策略，防止屏幕闪烁。
作为便携式设备，需要利用有限的按键（或旋转编码器）实现复杂的交互功能，包括波形暂停、水平时基调节等，需要设计高效的UI状态机。
在设计上，拟采用1.8寸 TFT-LCD屏幕（ST7735驱动），通过SPI接口与MCU通信。拟利用EC11旋转编码器，通过其A/B相位的脉冲差判断旋转方向，实现波形缩放与参数调节；配合独立按键实现模式切换。
通过电脑仿真软件，验证信号调理电路的功能。在实物制作中，优先焊接电源部分，确认正负电压输出正常；随后调试MCU最小系统与屏幕显示；最后调试数据采集功能，通过输入不同频率（10Hz-100kHz）和幅度（1V-220V）的信号，验证系统的带宽、测量精度及触发稳定性。