基于硬木课堂H750核心板制作的简易示波器拓展板 - 嘉立创EDA开源硬件平台

本次立创训练营使用硬木课堂的H750核心板来制作简易示波器拓展板，在日常电子制作中可以简单的使用此示波器来进行简单的测量。

 

H750核心板介绍：

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H750采用STM32H750VBT6这款MCU，带DSP和DP-FPU的高性能ARM Cortex-M7 MCU，具有128 KB Flash、1 MB RAM、480 MHz CPU、一级缓存、外部存储器接口、JPEG编解码器、硬件加密和大量外设

如果有动手能力的也可以直接将芯片集成在示波器拓展板上面，节约成本，减小示波器的整体体积。

简易示波器拓展板介绍

核心板和拓展板的引脚连接位置，可以直接将示波器拓展板插在核心板上面。

 

电源部分介绍：

拓展板通过板载TYPE-C供电，也可以从核心板供电，两种方式供电都能正常使用，示波器需要不同电压的电源，通过线性稳压器LD1117-3.3将5v电压转换为3.3v给信号继电器提供电源。5v的电源也通过MT3608电源芯片和LCD等元件转出-12v、+5v、+12v的电源，供给给示波器运放使用。

 

示波器用电源供电需要注意相对应的电阻阻止需要正确无误，否者可能导致示波器的波形显示偏差过大的问题。

当STM32H750的VREF用3.3V供电时，STM32的ADC输入范围为0-3.3V，而我们的输入信号最大是±15V，所以我们需要解决大信号输入不能饱和的问题，

解个方程：

15*a+b = 3.3

-15*a+b = 0

得到a=0.11，b=1.65

就是说我们需要将输入信号至少衰减到0.11倍（约衰减为1/9），再加上1.65V直流，就能满足ADC的满量程输入。于是我们使用下面的运算放大器电路，电阻网络完成1/20衰减，运算放大器实现x2倍放大器和1.65V电压平移，从而实现了0.1INB+1.65V；

可以使用叠加定理来分析这个电路，首先分析输入信号INB对输出Vo的贡献时，将电路中另一路电压源-1.65V接地，这样输入信号经过R14和R18后被分压到1/20，接着被同相放大器电路放大2倍，输入信号的整体增益就是1/10；而分析-1.65V对输出的贡献时，将输入信号AIN接地，-1.65V的放大倍数是-1倍。于是得到输出Vo = -1.65V * (-1) + AIN/10 = 1.65V + AIN/10。

上面的-1.65V由-12V经过电阻分压和缓冲器得到这个电路解决了±15V输入匹配到ADC的0-3.3V输入范围的问题呢，我们还要考虑当输入信号较小时也能够准确采样的问题，例如当10mV信号输入时，经过上面的电路，会衰减到1mV，为了尽可能保证输入信号的信噪比，我们这里在模拟前端加入切换分档的方式，当采集小信号的时候，使用开关选择直通INB进入运放同相端，而不再选择INB衰减后的信号进入运放同相端，这样确保进入ADC的信号尽可能大。再配合16位ADC，可以让采样结果准确可靠。

 

 

示波器通道介绍：

示波器有双通道输入，通过信号继电器对输入的信号进行调理，需要注意的是输入处的滤波电容24pf、220pf、不需要焊接，焊接会导致示波器拓展板峰峰值偏移过大，通过串联的电阻分压实现1MΩ的输入阻抗，对输入的信号提供两个选择，一个输入直通，一个衰减为1/20。

在1M欧姆输入分压电阻后面我们加入一个信号开关（继电器或手动开关），用于选择INB是直接进入运放同相端还是分压到1/20之后进入，两种方式对于INB来说输入阻抗都是1M欧姆。当我们需要采集小信号时，我们可以拨动开关使用直通输入来获取更精确的测量结果。

可以计算得到：当选择直通输入时，Vo = 2AIN + 1.65，而当选择衰减输入时，Vo = AIN/10 + 1.65

选择直通信号或衰减为1/20的信号进入第一级同相放大器，同相放大器完成两个工作，第一是将同相端输入信号放大两倍，二是将放大后的信号平移1.65V，计算公式为Vo = 1.65 + 2*Vi。因此，对应电路整体增益为2倍或1/10倍。最后经过同相放大器放大和平移后的模拟信号与STM32H750开发板连接，进入H750的ADC中，TrigerA、TrigerB：AnalogA、AnalogB与直流参考电平（由H750的一路DAC产生）经过比较器后产生的方波信号，进入STM32H750的定时器进行测频。

比较器部分介绍

为了实现触发功能和频率计功能，我们在板上设计了两路比较器通道，将两路模拟输入通道进入ADC前的波形转换为方波信号给H750的定时器输入使用。这里之所以使用进入ADC前的波形进行比较，是因为进入ADC的波形经过前端模拟电路调理已经落到已知的0-3.3V范围之内，这样比较器的比较门限容易设计。

H750利用内部的DAC2输出一个0-3.3V的直流，来和进入ADC前的通道2波形进行比较，将通道2的波形变为方波，这样H750的定时器功能就可以利用方波信号进行中断处理和定时器捕获处理。

 

示波器信号源介绍：

DAC_OUT2: 直流参考电平，通过STM32H750配置内部DAC2发出。包括了电阻分压和运算放大器实现的信号调理，和比较器实现的方波输出（供触发和测频使用）。STM32H750的DAC1输出的范围为0-3.3V的波形。两阶RC滤波器，实现低通滤波器功能。信号源电源部分经过电阻分压和缓冲器，将5V输入变为低阻的2V输出，后续放大-5倍用于平移输出信号。输出放大器，完成两个功能，第一将同相端输入放大6倍，第二将放大6倍后信号平移-10V后输出，计算公式为Vo=-10+6*Vi;分压网络，用于输出小信号时利用模拟电路分压来获得好的效果。

当STM32H750的VREF用3.3V供电时，内部DAC的输出范围是0-3.3V，为了达到题目中要求的±10V输出，我们需要解个方程：

0*a + b = -10V

3.3*a + b = 10V

解得a=6.06，b=-10

可以设计出上图中的电路。

上图中STM32H750内部的DAC输出的0-3.3V的信号，经过低通滤波器后从TL082的同相端输入，构成了放大倍数为6倍的同相放大器，放大后得到波形为0-19.8V；然后我们利用TL082反相放大器部分的-5倍放大能力，将5V分压得到的+2V经过-5倍放大得到-10V，和同相放大器输出的0-19.8V信号叠加得到约±10V输出。计算公式为：Vout = 6*Vin -10。

跟ADC类似，要使信号源输出覆盖±10mV到±10V，同时兼顾大信号范围和小信号精度，DAC的分辨率是个问题。H750的DAC是12位，DAC满量程（也就是4096个码值都用满时）输出是±10V，当我们靠调小DAC码值输出小信号时，要想波形的电压分辨率达到7位精度，也就是波形的垂直分辨率有128个点，只能将波形衰减128/4096=1/32，换算到输出电压范围±10V/32 =±0.3215V，在±0.3125V以下更小的信号，再靠调小码值输出的话，DAC的分辨率就不足了，波形上的台阶就比较明显。于是我们使用模拟分档的方式，当要输出±0.3125V以下更小的信号的时候，使用开关切换电阻分压将波形衰减1/20输出，确保了小信号下的电压分辨率。同时，R57和R62的组合也使得电路在1/20衰减下的输出电阻为50Ω，R5使得电路在x1档下的输出电阻为50Ω。

 

信号继电器部分介绍：

示波器输入输出通道通过信号继电器达到切换不同挡位的选择。

 

显示屏部分介绍：

 

采用2.8寸TFT液晶屏显示屏，分辨率：240*320， 驱动：ST7789V ， 接口方式：SPI， 串口屏18PIN插接，购买连接2.8寸TFT液晶屏显示屏240*320 驱动ST7789VSPI串口屏18PIN插接-淘宝网 (taobao.com)

显示屏与拓展板引脚连接座展示。

 

拓展板拓展接口介绍：

将拓展板上的一些引脚进行引出，可以供测量使用。

 

按键部分介绍：

使用四个功能按键对示波器的界面进行操作控制，SW1为光标左移、SW2为光标右移、SW3为通道1/2的切换选择开关、SW4为DAC的开关。

 

旋转编码器介绍：

使用贴片型EC11，方便布线，同时这一款编码器不会触发旋转一次跳两次的BUG，非常不错。

 

PCB布局走线介绍：

元件摆放布局需要注意电源和运放部分要隔开一点，防止电源干扰，PCB采用4层板布线，内层作为内电层，使用线条分割来走电源线。

后期板子优化可以将SMA接口直接换为BNC接口，这样在使用示波器探头的时候就不需要再转接了，建议替换下图这种BNC，小巧不占位置。

PCB、2D图展示：

 

 

PCB、3D图展示：

 

 

PCB、3D外壳展示：

3D外壳使用立创EDA绘制简单便捷，外壳边框整体高于拓展板，可以将拓展板嵌入其中，盖上面板后可以保证美观性。

 

拓展板面板展示：

面板整体采用简约高雅的白色作为低色，在上面点缀上了本次训练营的发起者立创，还有本次训练营的赞助商和技术指导的硬木课堂。

并且对相对应的按键旋钮进行了标识，使用上面更加的简单便捷，同时有了立创吉祥物的加持，可以让你在日常测试中不容易烧板子。

 

实物PCB展示：

 

焊接时注意引脚密集的运放芯片和排线插座，不要有连锡、虚焊的情况。

 

焊接完成后，检查下电源有没有短路的情况存在，如果正常的话，就可以尝试将拓展板插在H750上面上电连接电脑进行烧录了。

这里需要注意的是，H750有两个USB的接口，烧录的时候需要接入CMSIS-DAP的接口使用，正常连接上电脑的时候，DAP接口的LED灯会有规律的闪烁，如果没有闪烁的话需要将电脑端的USB口换一个再试试看，目前得出的信息是最好使用电脑主板上本身自带的USB接口使用比较好，使用USB集线器或着引出到机箱前面板的USB接口会导致电脑无法识别的情况。

 

 

烧录链接介绍：

连接上电脑打开烧录文件”5_DAC_1“运行Keil的时候，会提示需要安装STM32的运行库，按提示安装就好了，如下图

 

安装好后需要添加一下flash编程算法，否者会出现flash报错提示，如下图

出现此报错提示需要设置flash编程算法，如下图

按照上图这样设置就可以正常的编译和烧录文件了。

 

软件代码部分介绍：

代码直接使用的李工的历程，只对其中的按键和编码器进行了优化修改。

修改按键1和2的光标移动方向，默认的是按键1控制光标往右走，按键2控制光标左移，在代码中调换他们两的扫描位置就可以实现更顺手的按键1往左走，按键2往右走的设定。

 

编码器器的旋转方向默认是左旋增加数值，右旋减少数值，不是很符合常规的旋转习惯，可以将代码中的标记位置改为下降沿触发，这样就能使编码器左旋减少，右旋增加的效果。

 

外壳安装介绍：

整体安装使用了两种螺丝和两种隔离柱，型号分别为上图所示，其中螺丝是自己手里边就有的，隔离柱是立创商城购买的，商品编号分别为C5452279、C5452233。

 

PCB放入3D外壳中的样子：

大小合适，不过外壳底面由于面积较大，应该在绘制底面外壳的时候给内部加上加强筋，以此来加固底面，虽然这样用也没有什么大问题，后面我会去工程里边修改一下外壳，把加强筋加上。

 

盖上面板展示：

整体体积还算是比较小巧，就是因为想留着核心板的引脚日后他用，要是将核心板的背面引脚剪掉的话，厚度可以再少个1cm左右的样子。

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为了使显示屏更好的贴合在面板下面，需要对显示屏垫高处理，我使用的是3M泡沫胶，厚度为1mm，叠在一起粘了三层，使屏幕贴合在面板下面。

 

 

 

 

示波器界面介绍：

 

最后附上简易示波器的测试使用视频