基于STM32G031的双通道DIY示波器设计内容大纲
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脑图
基于STM32G031的双通道DIY示波器的设计
DIY示波器的意义
深刻理解嵌入式系统
了解测试测量系统的构成及实现方式
必要性
仪器是工程师的眼睛，深刻理解其构成及功能才能用好
嵌入式系统的学习要结合实例
电赛考察的基础知识和技能 - 与信号相关的测量
可行性
完整的系统
价格低廉
使用基本技能
参考资源
学习平台
参考平台
关于示波器，并通过实际的示波器进行演示
功能
测量模拟信号
观察模拟信号波形、测量相应参数
多路
测量数字信号
观察数字信号波形、测量上升沿、下降沿等
多路
产生测试信号
AFG
指标
面板上的信息
采样率
模拟带宽
说明书上的信息
存储深度
通道数
面板构成
显示区域
按键、旋钮控制区域
信号输入、输出区域
显示采集信号的波形/频谱
自动测量及参数的显示
手动测量及参数的显示
辅助的功能
计算功能
触发功能等
更多关于示波器的信息参见前期视频
示波器的指标及含义
模拟带宽
采样率
动态范围
存储深度
电信号的构成及关键参数
幅度
频率
波形
正弦波
方波/矩形波
三角波/锯齿波
脉冲
复合波
时钟信号和数据信号频谱的差异
伪随机扩展频谱
PWM信号的频谱
时钟信号和数据信号的5次谐波点幅度
信号调理
对不同幅度信号的处理
对不同频率信号的处理
采集和存储
ADC
FPGA
存储器
软件处理（控制器）
人机界面
显示
输入
按键
光电编码旋钮
波形重建
Sinc内插或线性内插
FFT
参数测量
点连接
触发
死区时间
捕获感兴趣的信号
从系统层面，如何保证你看到的信号是真实的
影响保真度的因素
探头连接部分带宽
探头带宽
探头输入阻抗
电容
电感
示波器带宽和频响
示波器采样率
体系结构及其带宽和频响
继电器切换
模拟开关
-3dB带宽的概念
ADC的采样和波形重建
频谱搬移
奈奎斯特定理
采样频率与模拟信号带宽的关系
如何用嵌入式系统实现示波器的基本、核心功能
嵌入式系统的基本硬件构成
控制器/处理器
存储
外设接口 - SPI、I2C、UART
ADC
内置串行
外接并行
PWM
产生测试信号
产生可调直流电压
DMA
定时器
中断机制
嵌入式系统的软件设计考量
跟输入输出打交道
处理多个并行任务并满足时序的要求
及时响应
可靠性/错误处理机制
可诊断
资源受限
价格
体积
重量
功耗
功能介绍
双通道数据采集
测试用信号发生器
音频处理电路，用于测试和多技能训练
电路构成
STM32G031
按键 + 旋转编码器
OLED显示屏
模拟信号衰减/低通滤波器
电压变换
USB - UART通信
设计资源
电子森林项目
前期“一起练“学员们做的参考案例
第8节. 核心控制器STM32G031介绍及设计过程
G031的特点以及性能介绍
设计工具
设计要点
可以利用的设计资源
一步步来实现
第9节. 先把屏幕刷起来
使用STM32平台
OLED屏的工作原理
SPI总线的特点及使用
在OLED上显示字符
在OLED上显示波形
在OLED上刷新波形（三角波或一个数组制作的波形）
使用仪器 - 普通示波器一台
用示波器查看SPI总线的时序
触发/同步/存储/缩放的概念讲述及在SPI总线信号查看的使用
知识点
OLED屏的原理、类别及使用
SPI总线的特点及使用
OLED上显示字符的原理及实现
OLED上显示波形的思路及要点
第10节. 人机交互 - 加入输入控制
STM32平台
按键的响应、消抖
光电编码器的原理及使用
中断的处理
用户体验 - 按键和编码器功能的定义
使用仪器 - 普通示波器一台
讲述通用仪器面板的按键和编码器的作用
用示波器查看按键的波形变化以及抖动
旋转编码器波形的查看
知识点
电子产品中的输入控制 - 按键及消抖
电子产品中的输入控制 - 旋转编码器及识别
第11节. 波形的显示和参数测量
STM32平台
先用一组存储区的的波形数据在屏幕上显示和移动刷新
能够对显示的波形进行参数测量 - 周期、峰峰值、平均值等
可以通过按键的输入来对波形进行缩放、左右移、调节幅度/时间轴的刻度
第12节. 把外面的数据搬进来
STM32平台
单片机的串行ADC介绍
ADC的关键指标、优点、局限
ADC的使用要点
采集数据的存储、搬移、显示
知识点
示波器与ADC相关的指标
模拟带宽
采样率
存储深度
数字示波器有效位ENOB指标
ADC的性能指标
静态指标
差分非线性DNL
积分非线性INL
偏移误差Offset Error
满量程增益误差
动态指标
总谐波失真THD
信号对噪声及失真 - SINAD
有效位数ENOB
信噪比SNR
无杂散动态范围SFDR
有效位指标
对于GHz级别带宽的示波器使用
ENOB的定义和测量
提高ENOB的方法
带宽限制滤波器
对重复性或低频信号使用平均或高分辨率的采集模式
第13节. 扩大被测信号的动态范围
STM32平台
模拟链路的设计考虑
针对大范围的信号幅度的衰减和放大
针对频率的噪声抑制和抗混叠设计
模拟仿真软件的使用 - LTSpice
针对被测信号的幅度范围，改变模拟放大器的增益（自动调节）
使用仪器 - 普通示波器一台 + 信号发生器一台
示波器与测量范围相关的技术指标的含义以及功能演示
用信号发生器 + 示波器演示示波器对不同幅度和频率信号的采集效果
对比STM32平台的测量，分析二者之间的差异
知识点
示波器常用的增益调节方式
ADC的抗混叠设计
LTSpice的使用
第14节. 触发与自动设定
STM32平台
如何实现触发？
外部模拟比较器触发
软件比较触发
如何开机自动设置？
增益
采样率
使用仪器 - 普通示波器一台
演示示波器上的触发功能
触发的作用
捕获感兴趣的波形信号
确定时间参考零点，稳定显示波形
简单工作原理
触发释抑
示波器上的各种触发机制
边沿触发
边沿再边沿触发
边沿转换时间触发
毛刺触发
码型和状态触发
脉冲宽度触发
矮电平触发
重建时间和保持时间触发
超时触发
窗口触发
视频触发
条件限定触发
串行和协议触发
多级触发
对比示波器上的触发和STM32能实现的触发的不同，并分析原因
知识点
什么是触发？
模拟出发和数字触发的实现方式
示波器开机自动设置的机制
第15节. 基本参数的测量
STM32平台
基本参数的自动测量
频率（周期）测量
幅度（峰峰值、平均值）测量
非基本参数的手动测量
时间间隔
幅度差异
知识点
波形参数测量、数学运算、直方图分析和FFT变换
测量简介
电压参数/幅度
幅度
峰峰值
最大值
最小值
过冲
有效值
时间参数
上升时间
下降时间
周期/频率
脉冲宽度
占空比
时间差
建立时间/保持时间
眼图参数
交叉百分比
占空比失真
眼高、眼宽、抖动等
波形测量关键点
数学运算
绝对值
平均值
微分
FFT幅度
FFT相位
高通滤波
积分
反转
正负电压变换
低通滤波器
四阶贝塞尔-汤姆森低通滤波器
放大
时间轴和幅度轴同时运算
Max
Min
平滑
平方
平方根
直方图分析
FFT变换
加窗
汉宁窗
平顶窗
均匀窗/矩形窗
展示示波器上的主要参数
自动测量的参数
手动调节进行测量的参数
用示波器和STM32平台对比测量的参数的差异，分析引起差异的原因
第16节. 换一个维度看信号 - 频谱分析
STM32平台
频谱分析的基础理论以及关键技术指标
FFT的算法实现
频谱及参数的显示
知识点
使用标准频谱仪对信号进行测量和分析，关键技术指标的演示和讲解
演示示波器上的FFT功能
对比示波器上的FFT功能和STM32平台上的差异，并做分析
示波器中的FFT功能及实现方式
软件实现FFT
FPGA实现FFT
扩展应用/电赛中应用举例
STM32平台
工作原理
通过编程ADC来测量
测量外部直流电压信号
测量的范围、精度
使用仪器 - 示波器一台 + 电压表
用示波器/电压表测量外部直流电压
对比测量的范围、精度以及影响这些指标的因素
第18节. 频率计
STM32平台
工作原理
测频率
测周期
用定时器来测量外部信号的频率和周期
测量的范围、精度
使用仪器 - 示波器一台 + 频率计一台
用标准的频率计/示波器分别测量外部信号的频率和周期
对比测量的范围、精度以及影响这些指标的因素
STM32平台
使用软件生成
制作波形表
DMA的使用
定时器的使用
参数的调节
使用仪器 - 信号发生器一台 + 示波器一台，或带AFG功能的示波器
测量STM32平台产生的信号，并对波形进行分析
信号发生器的功能
示波器中的信号发生器功能、参数指标
对比测试
STM32平台
发射音频信号，测量板上的音频通道的输出
改变音频信号的频率，测量对不同频率的反应
数据计算得出音频通道的特性
使用仪器
调节信号发生器或示波器上的信号发生器功能
参照STM32平台对电路进行分析
对比STM32平台的测量结果，并分析差异
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硬禾发布2022-07-29
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