低成本DIY数字示波器为高中提供了另一种选择 - 这些示波器价格便宜，通常不到一百美元。 DIY示波器的问题在于它们的性能 - 他们缺乏测量精度和噪声免疫的能力。

大多数DIY示波器仅达到6至8位的有效分辨率，即使对于12位ADC的人，也可以隔离噪声和排斥。这些缺点将DIY数字示波器限制在测量中，以及在高中实验室和俱乐部中其他要求更高的应用。

该设计思想的部分（DI）描述了适用于高中使用的实用，低成本和高性能的数字示波器解决方案，包括信号测量和分析。该DI的第二部分描述了构建后获得的实验结果。

示波器基于流行的低成本DIY平台。分别在平台上实施了模拟和数字信号处理技术，即抗稳定滤波和无限脉冲响应（IIR）数字滤波，显着提高了示波器的噪声排斥和测量精度，成本较小。

规格

恩诺

在许多高中示波器应用中，通常足够的有效分辨率为6位至8位。但是，对于苛刻的高中STEM项目，有时需要在几个MV内进行测量精度。

由于这些信号的全尺度范围通常在3.3 V或5 V范围内，因此，这需要大约1千分之一（1/1000）的测量精度，或约10位的有效数量（ENOB）。由于ADC的粘合物低于其分辨率，以实现10位有效分辨率，因此范围的ADC通常需要12位或更高。

信号带宽

大多数高中电子项目都涉及从DC到音频频率（20 Hz至20 kHz）的信号。选择了100 kHz的模拟带宽（-3 dB），示波器需要保持有效分辨率的10位，其输入频率高达20 kHz。

表1总结了示波器的主要规格，包括要求，输入带宽以及针对电气和电子项目的各种高中用户的必要功能。作为高中的低成本解决方案，我们确定材料的建造（BOM）成本应小于五十美元。

表1示波器的主要规格，包括要求，输入带宽以及针对电气和电子项目上各种高中用户的必要功能。

普通DIY范围的优缺点

DSO138 -MINI是市场上流行的DIY示波器类型，被选为我们示波器的基础平台。 DSO138-MINI使用STM32F103C8 MCU作为其主要处理单元，它提供内置的12位，1 MSPS ADC [1]。它还具有所有必需功能，例如输入范围和DC/AC选择，电压除法和时间划分控制以及触发源控制。

除了LCD显示外，DSO138-MINI还支持UART/USB链接，因此可以将捕获的波形发送到PC上以进行更高分辨率的显示，数据测量和数据存储。 DSO138-MINI的价格低于40美元，包括标准示波器探针，该示波器探针具有其功能和功能的DIY示波器之间的价值。

与许多其他DIY类型的示波器一样，DSO138-MINI的主要问题是测量精度和噪声排斥不足。正如接下来的几节所讨论的那样，DSO138-Mini缺乏足够的抗稳定过滤能力，使其容易受到输入高频噪声的影响。

它还具有很大的ADC噪声，可能是从微控制器内部的数字电路的嘈杂功率导轨构成的，即使在没有外部输入信号时，有效分辨率也小于9位。这两个问题的抗氧化能力不足和较大的ADC噪声使DSO138-MINI不适合作为高中实验室中的信号测量设备。

新的示波器

为了解决这些问题，在DSO138-MINI平台上实现了新的抗氧化过滤器和数字过滤器（1级IIR）。实验结果（本DI的第2部分）表明，在输入噪声排斥和降低ADC噪声方面，新的示波器比原始DSO138-MINI具有显着改善，并且能够信号测量高达10位（或1/1000）。

示波器的框图如图1所示。模拟输入首先是由信号调节电路处理的，用于输入范围设置和电压除法选择。 MCU中的ADC将模拟输入信号转换为数字代码。

MCU处理和格式化数字数据的范围控制程序，并将其发送到LCD显示器和/或通过UART/USB链接发送到PC。请注意，蓝色的块，即抗叠利过滤器和数字后处理，是添加到DSO138-MINI中的新功能，可以将其测量精度提高到10位以上。   

图1修改的DSO138-MINI DIY示波器平台的框图，其中添加了蓝色块。

模拟信号处理

抗氧化过滤器介绍

数字示波器依靠ADC将模拟输入转换为数字代码以进行进一步的信号处理和存储，这是一种可能损害转换精度的重要现象称为混叠。

香农定理指出，如果输入频率超过ADC采样频率的一半或Nyquist频率，则将发生混叠；这意味着高频组件将折叠回信号带宽并污染输入信号，图2

图2当输入频率超过ADC采样频率（FS）时，将发生混叠，并且采样频率将不代表原始输入信号。

从理论上讲，应将ADC采样频率设置在输入信号带宽上方两次，以避免混叠。实际上，这通常不够，因为模拟输入信号通常包含从系统的嘈杂部分，例如，电源和信号源产生的高频谐波音调的高频噪声。

在高精度应用中，使用低通型的抗氧化过滤器用于过滤这些高频组件。理想情况下，具有锋利滚动的低通滤波器（LPF），并且应将过滤器的截止频率放置在Nyquist频率附近，或采样频率的一半。由于低成本1 ST订单LPF的缓慢滚动率（-20 dB/dec），因此-3DB截止频率通常需要明显低于ADC采样频率才能有效。

抗氧化滤光片设计

尽管许多DIY示波器少于五十美元根本没有任何抗氧化过滤器，但DSO138-MINI确实在其输入信号调节电路中提供了有限的LPF功能。图3说明了DSO138-MINI的模拟前端信号路径的概念示意图。

图3 DSO138-MINI的模拟前端信号路径的概念示意图。

个放大器阶段由输入电压分配选择，LPF/频率补偿和Unity增益放大器组成。第二阶段是一种非转向放大器，用作增益阶段和一个缓冲液以驱动ADC，并在其输入下具有一些衰减调整能力。信号路径的总截止频率不足以有效地删除从输入信号的高频噪声以避免混叠。

表2总结了示波器的不同电压划分和衰减配置的-3-DB截止频率的香料仿真结果。

表2在不同电压除法 /衰减配置处的截止频率（-3 dB）。

-3dB截止频率的范围从约500 kHz到800 kHz不等，具体取决于输入范围和衰减设置。 DSO0138-MINI的MCU的内置ADC的采样率为1 MSP的采样率，而500 ksps或以下的采样率在许多应用中经常用作采样频率。

显然，这些截止频率对于500KSP甚至1MSP来说太高 - 它们都接近或高于1MSP的Nyquist频率。如果模拟输入包含高频噪声，则会发生严重的混叠和随后的降解精度。为了解决此问题，我们需要引入一个具有较低截止频率的LPF。  

截止频率的正确值取决于采样率或时间划分设置以及示波器的模拟输入带宽。理想情况下，为每个采样率/时间分割配置实现了定制的抗缩合过滤器。

但是，定制的抗氧化过滤器将增加硬件的复杂性和成本。在大多数高中项目中，我们主要对从直流到音频频率（20 kHz）的频率感兴趣，的采样频率为500 ksps至1 msps。为这些应用，选择了约100kHz的截止频率（-3db）频率。

尽管可以在输入信号调节电路的各个位置实现新的抗缩合过滤器，但的位置是在第二放大器阶段，即ADC驱动器阶段，因此截止频率不受输入范围和电压分配选择的影响。

图4说明了新的抗氧化过滤器的概念示意图[2]。电容器C_FILTER被添加到原始的第二放大器阶段，并与电阻器R6并行放置，在倒置放大器配置中形成一阶LPF。

图4在倒置器配置中，新的一阶抗确定LPF的概念示意图。

-3 dB截止频率由C_FILTER和R2的值确定，并由等式1给出。

图5显示了输入调节电路的频率响应的香料仿真结果，包括新添加的抗确定过滤器，电压分裂的0.1 V，0 dB的电压衰减和1NF的C_FILTER值（R6为1.1kΩ）。 -3 dB截止值为100 kHz。在所有其他电压划分和衰减设置中，发现过滤器截止频率的中心居中为100 kHz。

图5 SPICE模拟结果具有输入调节电路的频率响应，包括新的抗氧化滤镜。

C_FILTER还有一个其他好处；它还降低了接口和驱动ADC的放大器的输出阻抗。较低的输出阻抗可以减少ADC的开关电容器操作发出的踢脚噪声[3]。

，在此类拓扑中选择过滤器电容器值时，我们还需要确保它不会引起运算放大输出率和/或稳定性的问题。

数字信号后处理

数字过滤器简介

示波器中还有其他噪声源可以损害测量精度。其中，MCU内部ADC上的噪音特别关注。这是因为ADC对其电源轨道和参考的噪音敏感。

MCU以其较大的数字开关噪声而闻名，因此，其嵌入式ADC的信噪比（SNR）受这些数字噪音的限制。 DIY示波器中的情况恶化了，因为很少有资源用于减少这些数字噪音。

例如，即使输入模拟信号清洁（带有精心设计的抗偏滤镜），DSO138-MINI即使在捕获的数据上也有高频噪声和涟漪。这些涟漪使精度测量变得困难。

数字后处理可用于减少这些电源和参考引起的噪音。 ADC输出数字代码或原始数据通过数字LPF，其一些高频组件（通常是噪声）删除，然后呈现到显示或其他数据输出格式。当使用PC用于终显示和数据测量时，可以在MCU固件或PC程序中实现数字过滤器算法。 

数字过滤器设计

DSO138米尼有两个用于显示波形的“终端”。一个是通过LCD进行实时波形显示。由于其低分辨率（320 x 240），LCD主要用于基础波形观察和监测。示波器还支持UART/USB接口，以将捕获的波形数据传输到PC，在此执行大多数的测量和信号分析。因此，我们在PC上实施数字后处理程序。

用于数字信号后处理[4]采用一阶IIR滤波器。一阶IIR过滤器的输出和输入关系如下：

一阶IIR滤波器的流程图如图6所示。

图6一阶IIR过滤器的流程图。 IIR过滤器由于其简单性和有效性而被广泛用于各种应用程序。

一阶IIR滤波器的频率响应如图7所示。传递宽度由系数α决定。 α小，对高频噪声的衰减越多，其成本较小。绘制了三个不同的α值（0.5、0.25和0.125）以比较其性能。

图7具有三个不同α值的IIR滤波器的频率响应：0.5、0.25和0.125。

噪声衰减和有用的信号带宽之间的权衡。较小的α值可以拒绝更广泛的噪声，但会导致较小的模拟带宽。

对于大多数高中项目，输入信号是从DC到音频频率（20 kHz）。因此，我们选择α的值为0.25作为我们的默认值，而当ADC样品在500 ksps处时，-3 dB带宽为23 kHz。使α的值可编程，以便用户可以轻松地将其用于不同的应用程序。

数字信号后处理（如果正确使用）可以显着减少示波器上的噪音和涟漪，并提高测量精度。我们将在第2部分中证明数字后处理的效果。