低成本DIY數(shù)字示波器為高中提供了另一種選擇 - 這些示波器價(jià)格便宜，通常不到一百美元。 DIY示波器的問(wèn)題在于它們的性能 - 他們?nèi)狈y(cè)量精度和噪聲免疫的能力。

大多數(shù)DIY示波器僅達(dá)到6至8位的有效分辨率，即使對(duì)于12位ADC的人，也可以隔離噪聲和排斥。這些缺點(diǎn)將DIY數(shù)字示波器限制在測(cè)量中，以及在高中實(shí)驗(yàn)室和俱樂(lè)部中其他要求更高的應(yīng)用。

該設(shè)計(jì)思想的部分（DI）描述了適用于高中使用的實(shí)用，低成本和高性能的數(shù)字示波器解決方案，包括信號(hào)測(cè)量和分析。該DI的第二部分描述了構(gòu)建后獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

示波器基于流行的低成本DIY平臺(tái)。分別在平臺(tái)上實(shí)施了模擬和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，即抗穩(wěn)定濾波和無(wú)限脈沖響應(yīng)（IIR）數(shù)字濾波，顯著提高了示波器的噪聲排斥和測(cè)量精度，成本較小。

規(guī)格

恩諾

在許多高中示波器應(yīng)用中，通常足夠的有效分辨率為6位至8位。但是，對(duì)于苛刻的高中STEM項(xiàng)目，有時(shí)需要在幾個(gè)MV內(nèi)進(jìn)行測(cè)量精度。

由于這些信號(hào)的全尺度范圍通常在3.3 V或5 V范圍內(nèi)，因此，這需要大約1千分之一（1/1000）的測(cè)量精度，或約10位的有效數(shù)量（ENOB）。由于A(yíng)DC的粘合物低于其分辨率，以實(shí)現(xiàn)10位有效分辨率，因此范圍的ADC通常需要12位或更高。

信號(hào)帶寬

大多數(shù)高中電子項(xiàng)目都涉及從DC到音頻頻率（20 Hz至20 kHz）的信號(hào)。選擇了100 kHz的模擬帶寬（-3 dB），示波器需要保持有效分辨率的10位，其輸入頻率高達(dá)20 kHz。

表1總結(jié)了示波器的主要規(guī)格，包括要求，輸入帶寬以及針對(duì)電氣和電子項(xiàng)目的各種高中用戶(hù)的必要功能。作為高中的低成本解決方案，我們確定材料的建造（BOM）成本應(yīng)小于五十美元。

表1示波器的主要規(guī)格，包括要求，輸入帶寬以及針對(duì)電氣和電子項(xiàng)目上各種高中用戶(hù)的必要功能。

普通DIY范圍的優(yōu)缺點(diǎn)

DSO138 -MINI是市場(chǎng)上流行的DIY示波器類(lèi)型，被選為我們示波器的基礎(chǔ)平臺(tái)。 DSO138-MINI使用STM32F103C8 MCU作為其主要處理單元，它提供內(nèi)置的12位，1 MSPS ADC [1]。它還具有所有必需功能，例如輸入范圍和DC/AC選擇，電壓除法和時(shí)間劃分控制以及觸發(fā)源控制。

除了LCD顯示外，DSO138-MINI還支持UART/USB鏈接，因此可以將捕獲的波形發(fā)送到PC上以進(jìn)行更高分辨率的顯示，數(shù)據(jù)測(cè)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 DSO138-MINI的價(jià)格低于40美元，包括標(biāo)準(zhǔn)示波器探針，該示波器探針具有其功能和功能的DIY示波器之間的價(jià)值。

與許多其他DIY類(lèi)型的示波器一樣，DSO138-MINI的主要問(wèn)題是測(cè)量精度和噪聲排斥不足。正如接下來(lái)的幾節(jié)所討論的那樣，DSO138-Mini缺乏足夠的抗穩(wěn)定過(guò)濾能力，使其容易受到輸入高頻噪聲的影響。

它還具有很大的ADC噪聲，可能是從微控制器內(nèi)部的數(shù)字電路的嘈雜功率導(dǎo)軌構(gòu)成的，即使在沒(méi)有外部輸入信號(hào)時(shí)，有效分辨率也小于9位。這兩個(gè)問(wèn)題的抗氧化能力不足和較大的ADC噪聲使DSO138-MINI不適合作為高中實(shí)驗(yàn)室中的信號(hào)測(cè)量設(shè)備。

新的示波器

為了解決這些問(wèn)題，在DSO138-MINI平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了新的抗氧化過(guò)濾器和數(shù)字過(guò)濾器（1級(jí)IIR）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（本DI的第2部分）表明，在輸入噪聲排斥和降低ADC噪聲方面，新的示波器比原始DSO138-MINI具有顯著改善，并且能夠信號(hào)測(cè)量高達(dá)10位（或1/1000）。

示波器的框圖如圖1所示。模擬輸入首先是由信號(hào)調(diào)節(jié)電路處理的，用于輸入范圍設(shè)置和電壓除法選擇。 MCU中的ADC將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼。

MCU處理和格式化數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的范圍控制程序，并將其發(fā)送到LCD顯示器和/或通過(guò)UART/USB鏈接發(fā)送到PC。請(qǐng)注意，藍(lán)色的塊，即抗疊利過(guò)濾器和數(shù)字后處理，是添加到DSO138-MINI中的新功能，可以將其測(cè)量精度提高到10位以上。   

圖1修改的DSO138-MINI DIY示波器平臺(tái)的框圖，其中添加了藍(lán)色塊。

模擬信號(hào)處理

抗氧化過(guò)濾器介紹

數(shù)字示波器依靠ADC將模擬輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼以進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理和存儲(chǔ)，這是一種可能損害轉(zhuǎn)換精度的重要現(xiàn)象稱(chēng)為混疊。

香農(nóng)定理指出，如果輸入頻率超過(guò)ADC采樣頻率的一半或Nyquist頻率，則將發(fā)生混疊；這意味著高頻組件將折疊回信號(hào)帶寬并污染輸入信號(hào)，圖2

圖2當(dāng)輸入頻率超過(guò)ADC采樣頻率（FS）時(shí)，將發(fā)生混疊，并且采樣頻率將不代表原始輸入信號(hào)。

從理論上講，應(yīng)將ADC采樣頻率設(shè)置在輸入信號(hào)帶寬上方兩次，以避免混疊。實(shí)際上，這通常不夠，因?yàn)槟M輸入信號(hào)通常包含從系統(tǒng)的嘈雜部分，例如，電源和信號(hào)源產(chǎn)生的高頻諧波音調(diào)的高頻噪聲。

在高精度應(yīng)用中，使用低通型的抗氧化過(guò)濾器用于過(guò)濾這些高頻組件。理想情況下，具有鋒利滾動(dòng)的低通濾波器（LPF），并且應(yīng)將過(guò)濾器的截止頻率放置在Nyquist頻率附近，或采樣頻率的一半。由于低成本1 ST訂單LPF的緩慢滾動(dòng)率（-20 dB/dec），因此-3DB截止頻率通常需要明顯低于A(yíng)DC采樣頻率才能有效。

抗氧化濾光片設(shè)計(jì)

盡管許多DIY示波器少于五十美元根本沒(méi)有任何抗氧化過(guò)濾器，但DSO138-MINI確實(shí)在其輸入信號(hào)調(diào)節(jié)電路中提供了有限的LPF功能。圖3說(shuō)明了DSO138-MINI的模擬前端信號(hào)路徑的概念示意圖。

圖3 DSO138-MINI的模擬前端信號(hào)路徑的概念示意圖。

個(gè)放大器階段由輸入電壓分配選擇，LPF/頻率補(bǔ)償和Unity增益放大器組成。第二階段是一種非轉(zhuǎn)向放大器，用作增益階段和一個(gè)緩沖液以驅(qū)動(dòng)ADC，并在其輸入下具有一些衰減調(diào)整能力。信號(hào)路徑的總截止頻率不足以有效地刪除從輸入信號(hào)的高頻噪聲以避免混疊。

表2總結(jié)了示波器的不同電壓劃分和衰減配置的-3-DB截止頻率的香料仿真結(jié)果。

表2在不同電壓除法 /衰減配置處的截止頻率（-3 dB）。

-3dB截止頻率的范圍從約500 kHz到800 kHz不等，具體取決于輸入范圍和衰減設(shè)置。 DSO0138-MINI的MCU的內(nèi)置ADC的采樣率為1 MSP的采樣率，而500 ksps或以下的采樣率在許多應(yīng)用中經(jīng)常用作采樣頻率。

顯然，這些截止頻率對(duì)于500KSP甚至1MSP來(lái)說(shuō)太高 - 它們都接近或高于1MSP的Nyquist頻率。如果模擬輸入包含高頻噪聲，則會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的混疊和隨后的降解精度。為了解決此問(wèn)題，我們需要引入一個(gè)具有較低截止頻率的LPF。  

截止頻率的正確值取決于采樣率或時(shí)間劃分設(shè)置以及示波器的模擬輸入帶寬。理想情況下，為每個(gè)采樣率/時(shí)間分割配置實(shí)現(xiàn)了定制的抗縮合過(guò)濾器。

但是，定制的抗氧化過(guò)濾器將增加硬件的復(fù)雜性和成本。在大多數(shù)高中項(xiàng)目中，我們主要對(duì)從直流到音頻頻率（20 kHz）的頻率感興趣，的采樣頻率為500 ksps至1 msps。為這些應(yīng)用，選擇了約100kHz的截止頻率（-3db）頻率。

盡管可以在輸入信號(hào)調(diào)節(jié)電路的各個(gè)位置實(shí)現(xiàn)新的抗縮合過(guò)濾器，但的位置是在第二放大器階段，即ADC驅(qū)動(dòng)器階段，因此截止頻率不受輸入范圍和電壓分配選擇的影響。

圖4說(shuō)明了新的抗氧化過(guò)濾器的概念示意圖[2]。電容器C_FILTER被添加到原始的第二放大器階段，并與電阻器R6并行放置，在倒置放大器配置中形成一階LPF。

圖4在倒置器配置中，新的一階抗確定LPF的概念示意圖。

-3 dB截止頻率由C_FILTER和R2的值確定，并由等式1給出。

圖5顯示了輸入調(diào)節(jié)電路的頻率響應(yīng)的香料仿真結(jié)果，包括新添加的抗確定過(guò)濾器，電壓分裂的0.1 V，0 dB的電壓衰減和1NF的C_FILTER值（R6為1.1kΩ）。 -3 dB截止值為100 kHz。在所有其他電壓劃分和衰減設(shè)置中，發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器截止頻率的中心居中為100 kHz。

圖5 SPICE模擬結(jié)果具有輸入調(diào)節(jié)電路的頻率響應(yīng)，包括新的抗氧化濾鏡。

C_FILTER還有一個(gè)其他好處；它還降低了接口和驅(qū)動(dòng)ADC的放大器的輸出阻抗。較低的輸出阻抗可以減少ADC的開(kāi)關(guān)電容器操作發(fā)出的踢腳噪聲[3]。

，在此類(lèi)拓?fù)渲羞x擇過(guò)濾器電容器值時(shí)，我們還需要確保它不會(huì)引起運(yùn)算放大輸出率和/或穩(wěn)定性的問(wèn)題。

數(shù)字信號(hào)后處理

數(shù)字過(guò)濾器簡(jiǎn)介

示波器中還有其他噪聲源可以損害測(cè)量精度。其中，MCU內(nèi)部ADC上的噪音特別關(guān)注。這是因?yàn)锳DC對(duì)其電源軌道和參考的噪音敏感。

MCU以其較大的數(shù)字開(kāi)關(guān)噪聲而聞名，因此，其嵌入式ADC的信噪比（SNR）受這些數(shù)字噪音的限制。 DIY示波器中的情況惡化了，因?yàn)楹苌儆匈Y源用于減少這些數(shù)字噪音。

例如，即使輸入模擬信號(hào)清潔（帶有精心設(shè)計(jì)的抗偏濾鏡），DSO138-MINI即使在捕獲的數(shù)據(jù)上也有高頻噪聲和漣漪。這些漣漪使精度測(cè)量變得困難。

數(shù)字后處理可用于減少這些電源和參考引起的噪音。 ADC輸出數(shù)字代碼或原始數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字LPF，其一些高頻組件（通常是噪聲）刪除，然后呈現(xiàn)到顯示或其他數(shù)據(jù)輸出格式。當(dāng)使用PC用于終顯示和數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，可以在MCU固件或PC程序中實(shí)現(xiàn)數(shù)字過(guò)濾器算法。 

數(shù)字過(guò)濾器設(shè)計(jì)

DSO138米尼有兩個(gè)用于顯示波形的“終端”。一個(gè)是通過(guò)LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)波形顯示。由于其低分辨率（320 x 240），LCD主要用于基礎(chǔ)波形觀(guān)察和監(jiān)測(cè)。示波器還支持UART/USB接口，以將捕獲的波形數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C，在此執(zhí)行大多數(shù)的測(cè)量和信號(hào)分析。因此，我們?cè)赑C上實(shí)施數(shù)字后處理程序。

用于數(shù)字信號(hào)后處理[4]采用一階IIR濾波器。一階IIR過(guò)濾器的輸出和輸入關(guān)系如下：

一階IIR濾波器的流程圖如圖6所示。

圖6一階IIR過(guò)濾器的流程圖。 IIR過(guò)濾器由于其簡(jiǎn)單性和有效性而被廣泛用于各種應(yīng)用程序。

一階IIR濾波器的頻率響應(yīng)如圖7所示。傳遞寬度由系數(shù)α決定。 α小，對(duì)高頻噪聲的衰減越多，其成本較小。繪制了三個(gè)不同的α值（0.5、0.25和0.125）以比較其性能。

圖7具有三個(gè)不同α值的IIR濾波器的頻率響應(yīng)：0.5、0.25和0.125。

噪聲衰減和有用的信號(hào)帶寬之間的權(quán)衡。較小的α值可以拒絕更廣泛的噪聲，但會(huì)導(dǎo)致較小的模擬帶寬。

對(duì)于大多數(shù)高中項(xiàng)目，輸入信號(hào)是從DC到音頻頻率（20 kHz）。因此，我們選擇α的值為0.25作為我們的默認(rèn)值，而當(dāng)ADC樣品在500 ksps處時(shí)，-3 dB帶寬為23 kHz。使α的值可編程，以便用戶(hù)可以輕松地將其用于不同的應(yīng)用程序。

數(shù)字信號(hào)后處理（如果正確使用）可以顯著減少示波器上的噪音和漣漪，并提高測(cè)量精度。我們將在第2部分中證明數(shù)字后處理的效果。