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实验题目：简易数字示波器的设计与实现

课程简要信息

课程名称：工程创新实践课

课程学时：64

项目学时：48

适用专业：测控技术与仪器

学生年级：大三、第五学期

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

本实验项目要求4名学生组队，基于单片机GD32合作设计并制作一款简易数字示波器，任务涵盖硬件电路设计、电路板制作与焊接、嵌入式软件开发、系统集成与调试、机壳设计与制作等多个环节，强化学生电子系统全周期设计能力。项目具体任务如下：

基础任务
在TFT屏幕上准确显示输入信号波形，包括但不限于正弦波、方波、三角波，显示屏清晰且波形稳定，无闪烁或跳变；
具备测量输入信号频率的功能，屏幕上显示所测得的频率，频率测量误差≤ 5%；
具备测量输入信号电压的功能，支持最大输入电压±5V，屏幕上显示所测得的电压，电压测量误差≤ 5%；
示波器带宽不小于200kHz；
示波器采样率2MSPS；
具备AC耦合和DC耦合模式切换的功能；
能提供1kHz的方波校准信号；
具备暂停波形显示功能；
具备对波形在时间轴上放大/缩小查看的功能；

2）进阶任务

2.1）减小频率、电压测量的误差；

2.2）扩大频率、电压测量的范围；

2.3）设计硬件消抖电路，提高人机交互的稳定性；

2.4）设计低功耗待机模式；

2.5）其他。

3）拓展任务

3.1）实现双通道波形显示；

3.2）触发电路采用内触发方式，支持上升沿/下降沿触发可选，支持触发电平的调整；

3.3）增加存储功能，即按动一次“存储”键，即可存储当前波形，并支持波形调出查看；

3.4）其他。

实验过程及要求（限300字）

**1）总体方案设计。**学生完成分组，通过查阅文献资料、结合所学知识，分析制定示波器总体设计方案，并对多种方案进行分析比较。

**2）硬件电路设计。**根据指标要求设计示波器硬件电路，对芯片、元器件的进行合理选型，并使用仿真软件对所设计的电路进行验证。

**3）电路加工焊接。**学会使用嘉立创EDA软件，设计数字示波器的PCB版图。掌握元器件布局、布线的注意点，了解实际电路与仿真电路的区别。加工完成后，自主焊接电路板并进行调试。

**4）软件功能开发。**学习GD32嵌入式开发板的相关知识，基于单片机开发环境Keil，完成软件子实验，掌握嵌入式设计方法。结合单片机外设，完成示波器系统开发，满足项目要求。

**5）项目验收总结。**撰写设计总结报告，分组汇报交流。

实验环境条件

**1）硬件环境：**信号发生器、万用表、数字示波器、焊接台、恒温电烙铁、GD32E230开发板、TFT屏、3D打印机等。

**2）软件环境：**嘉立创EDA专业版、Keil软件开发系统、Multisim仿真软件、串口调试助手。

**3）主要电子元器件：**电阻、电容、运算放大器、发光二极管、轻触开关、EC11旋转编码器、PWM输出接口、比较器芯片等。

教学目标与目的（限150字）

本项目以简易数字示波器为载体，聚焦测控技术与仪器专业“复杂测控系统、仪器设计”核心能力培养，通过硬件电路设计、嵌入式开发与系统集成等环节，融合多课程知识，帮助学生打破学科壁垒，培养学生解决复杂工程问题以及团队协作的能力。同时融入国产芯片应用与绿色设计理念，强化学生国产攻坚及社会意识。

教学设计与实施进程

1）教学设计

数字示波器作为现代电子测量系统的核心仪器，不仅是《数字电子技术》、《模拟电子技术》等各类课程的基础实验设备，更是航空航天装备测试、半导体失效分析等高端应用场景的关键工具。通过大一、大二前序课程的学习，学生对数字示波器的操作与应用已具备基础的认知，但对其性能指标、技术原理缺乏深度探索。本项目主要面向测控技术与仪器专业的学生，以数字示波器开发为切入点，深度融合《数字电子技术》、《模拟电子技术》、《信号与系统》、《数字信号处理》、《单片机与嵌入式系统》等核心课程知识，覆盖该专业学生的主干课程群，精准对接"仪器设计-信号分析-系统集成"的核心专业能力培养目标，与仪器研发工程师、自动化测试系统设计师、工业测控系统工程师等职业岗位需求相契合。此外，从示波器技术发展层面来看，国产高端数字示波器在性能、可靠性等方面，相较于国际先进水平仍存在一定的提升空间，研究提升数字示波器各项性能指标的方法有很大的价值。

本项目以数字示波器为载体，融入示波器结构原理、硬件电路设计、PCB制版加工、电路板焊接、嵌入式软件开发、CAD设计等各项专业知识与技能，形成了一个完整的工程实践过程。项目要求学生基于国产开发板GD32进行嵌入式开发，在完成示波器核心功能模块的基础上，对比分析国内外示波器的技术指标差异，探索示波器关键性能指标的优化路径，着力培养学生自主研发的工程素养与创新意识，强化科技自立自强的使命担当。

在具体的项目设计中，采用项目分级的方式，从单元实验到系统集成，逐级提升设计复杂度，逐步提升学生解决复杂工程问题的能力，具体而言：

阶段一为单元级项目，学习数字示波器的电路原理和设计方法，包括交直流耦合切换电路、输入信号衰减电路、电压跟随器电路、比例放大电路、比较测频电路、电源控制电路等。

阶段二为模块级项目，将硬件电路与嵌入式软件开发相结合，学习利用单片机控制硬件电路的方法，完成驱动LED灯、按键检测、串口通信、外部中断、ADC检测、定时器中断、PWM输出、输入捕获、屏幕显示、波形显示十个软硬件结合的子实验，熟练掌握单片机GD32的开发方法。

阶段三为系统级项目，将前期完成的各个电路单元进行级联，构建出完整的示波器硬件电路系统。学习嘉立创EDA软件，开展仿真原理图，验证电路设计的合理性和可行性。同时，掌握元器件布局、布线的知识，加工并焊接示波器电路板。硬件搭建完成后，进一步结合单片机技术，完成数字示波器基础功能的开发，并优化其性能指标。

阶段四为产品级项目，学习CAD技术为数字示波器设计产品外壳，并借助3D打印机将其打印成型。在此基础上，开展创新创业训练，以自己小组所设计的示波器作为公司产品，撰写创业技术书，最终完成路演答辩。

2）实施进程

本课程项目采用“单元级-模块级-系统级-产品级”四阶递进式项目化教学模式，涵盖电子系统全周期开发流程，包括电路分析、系统设计、电路板制作、焊接、嵌入式开发、系统调试、机壳制作、设计报告、路演答辩等环节。课程集中安排在第五学期实施（总64学时，含48学时项目实践），项目实施过程中，学生以4人小组为单位，前期独立学习并完成基础模块开发，后期协作进行综合系统构建。针对课程周期长、参与人数多的特点，采用在线协作平台进行过程管理，结合教师巡查指导与小组互评机制形成双重督导。具体的教学实施步骤如表 1。

表 1 教学实施步骤
实验环节	教学设计与引导	教学手段	资源工具	课时
课程导入	邀请国内优秀的仪器设计制造企业工程师给学生介绍示波器的技术发展历程、国内外发展概况及工业级应用场景，融入思政元素，引导学生树立国产攻坚意识。	校企合作	企业支持	2
项目开发流程培训	1）发布项目任务书，以演示样机的方式，向学生介绍需要完成的基础功能以及指标要求； 2）引导学生理解复杂系统的模块化构建原理，通过简单模块的设计、调试与集成，由简入难逐步构建出完整的系统，有效消除学生知识迁移过程中的畏难心理； 3）安排学生分组，4人一组，并选出每组的组长。	课堂授课分组讨论	示波器样机项目任务书	2
硬件电路设计	1）讲解简易数字示波器的电路结构、单片机电路以及人机交互电路； 2）引导学生根据任务书的指标要求进行电路设计以及元器件选型，提醒学生在器件选型时的注意点，对器件成本、封装规格、功率、精度等工程概念有基础的认知； 3）学生利用Multisim对部分模拟电路进行仿真，验证所设计电路的可行性； 4）学生利用嘉立创EDA进行电路原理图设计。	课堂授课自主调研学生实操	Multisim 嘉立创EDA	8
电路板加工与焊接	1）讲解PCB布局与走线的方法，引导学生了解仿真电路与真实电路的差异； 2）学生进行元器件采购及电路板加工； 3）学生进行焊接训练。	课堂授课学生实操	嘉立创EDA 焊接工具测量仪器	2
嵌入式编程	1）单片机相关基础知识、国产单片机GD32E230最小系统介绍； 2）Keil软件及编程方法介绍； 3）针对简易数字示波器系统所需要使用的单片机外设，包括GPIO端口、串口、定时器、中断等，设计10个相应的子实验进行编程练习，以便学生熟练掌握嵌入式开发方法。	课堂授课翻转课堂学生实操	GD32开发板 Keil软件学习通平台	8
系统集成	1）讲解在主函数中调用子函数模块的软件集成思路； 2）学生根据任务、指标要求，进行示波器系统开发； 3）学生调试示波器的功能和性能，并进行优化升级。	课堂授课学生实操	Keil软件测试仪器	16
创新创业训练	创新创业指导；学生以自己所设计的数字示波器作为公司产品撰写创业计划书；	课堂授课学生实操	学习通平台	4
作品演示与评价	1）学生进行作品功能演示及性能指标测量； 2）学生对总体设计方案进行汇报，并进行创新创业答辩； 3）根据演示效果、性能指标、方案设计、总结报告进行综合评价，提出改进意见。	翻转课堂技术指导	验收环境实验报告	6

实验原理及方案

1）简易数字示波器总体方案

如图 1所示，简易数字示波器由模拟前端电路模块、ADC模数转换模块、单片机电路、人机交互电路、电源控制电路等组成。单元电路的设计和制作可根据功能、性能指标采用不同的方案，此处围绕其中一种方案进行介绍。

图 1 简易数字示波器系统结构

2）系统方案

2.1）模拟前端电路

模拟前端处理电路负责将输入的检测模拟信号进行处理后给单片机进行识别，具体电路包括了交直流耦合选择电路、电压衰减电路、信号调理电路，确保各类输入信号适配后续模数转换模块的满量程输入要求，具体电路如图 2所示。

图 2 模拟前端处理电路

2.2）比较测频电路

比较测频电路如图 3所示，将ADC的输入信号通过一个电压比较器对输入信号进行比较，实现频率的测量功能，常规的电压比较器是一个单限比较器，电路中只有一个阈值电压，但在输入电压在阈值附近有微小变化时都会引起输出电压的越变。为了增强电路的抗干扰能力，在单限比较器的基础上引入了正反馈，构成滞回比较器，保障了在一定范围内信号的稳定性。通过滞回比较器电路后输出一个方波信号，使用单片机的定时器捕获功能计算出输入波形的周期大小。

图 3 比较测频电路

2.3）ADC模块

经过模拟前端电路处理后的信号，由高精度ADC以预设采样率进行模数转换，其采样时钟直接决定了波形时间轴的分辨率，而量化位数则影响测量信号幅值的精度。

2.4）单片机电路

该项目使用全国产单片机GD32最小系统板作为主控，系统板引脚分配如图 4所示，这款开发板载有CH340下载芯片，可直接通过数据线对板子进行烧录和串口调试，同时兼容STM32最小系统板的尺寸与引脚配置，可以直接进行替换。在配置核心板引脚与单片机功能时需结合引脚特性，比如SPI液晶屏驱动需要连接到对应的SPI引脚，ADC检测需要接到到ADC功能的引脚上，这里的引脚配置不唯一，可重新配置其他的方案，以数据手册中的引脚功能说明为准。

图 4 GD32最小系统版引脚分配图

2.5）电源控制电路

该项目使用GD32最小系统板为核心，板载了5 V转3.3 V降压电路，所以在设计扩展板时只需要设计一个5 V电源输入电路即可，这里选用了主流的Type-C为输入接口，电源输入电路如图 5所示，其中SW1为电源总开关、C1为输入滤波电容，R1是LED1的限流电阻。

图 5 电源输入电路

2.6）人机交互电路

人机交互电路包括按键、旋转译码器、LED等，通过单片机响应人机交互电路，实现示波器的基础功能。该项目采用一款1.8寸的TFT液晶屏显示波形及所测量的数据，屏幕电路图如图 6所示，这款屏幕具有128×160个彩色像素，使用四线SPI通信方式与单片机进行连接，一共有八根引脚。单片机通过四线SPI通信方式与TFT屏幕进行连接，控制屏幕显示输入信号的波形以及测量的各项信息。

图 6 1.8寸TFT屏幕电路图

3）原理图与PCB设计

简易数字示波器原理图如图 7所示，PCB布局如图 8所示。

图 7 简易数字示波器原理图

图 8 简易数字示波器PCB布局效果图

实验报告要求

1）需求分析

明确实验目的，概述实验内容，详细列出示波器的功能指标（如波形显示类型、频率测量范围、电压测量精度等）及设计约束（如成本限制、元器件选型范围、开发时间等），确保设计方向清晰且符合实际要求。

2）方案论证

通过查阅文献资料、结合所学知识，分析制定示波器总体设计方案，并对多种方案进行对比分析。从性价比、难易程度、实验室资源等多角度进行论证，综合考虑后确定最终方案，确保方案切实可行且符合项目要求。

3）详细设计方案

3.1）理论推导计算关键电路参数，如反馈电阻、滤波电容等，确保电路设计的合理性。

3.2）绘制示波器的系统结构框图，清晰展示各模块之间的关系。

3.3）设计各单元模块的电气原理图，包括信号采集、放大、滤波、模数转换、显示等部分，确保电路功能的完整性。

3.4）梳理软件开发前的程序流程图，明确各逻辑模块的执行顺序。

3.5）使用仿真软件对设计的部分电路进行验证，详细记录仿真调试过程，重点记录存在的问题和解决方法，确保设计的正确性和可靠性。

4）实现与调试

4.1）根据设计方案，完成示波器硬件电路的实现，包括元器件选型、电路板原理图和PCB图设计等。

4.2）自主焊接所设计的示波器电路板并进行调试，确保硬件电路的正常工作。

4.3）基于单片机开发环境Keil，完成软件功能开发，结合单片机外设，实现示波器的各项功能。

4.4）对示波器的各项功能进行测试，包括波形显示、频率/电压测量、人机交互等，记录测试方法、步骤、数据和结论，确保示波器满足设计指标。

5）数据记录与分析

5.1）详细记录实验过程中的关键数据，如频率、电压等测量结果。

5.2）对测量数据进行误差分析，找出误差来源并提出改进措施，确保数据的准确性和可靠性。

6）创新与拓展

6.1）提出创新方案或拓展思路，如双通道信号测量功能、波形存储回放、调整触发方式和触发电平等。

6.2）对创新方案进行可行性分析，包括功能要求、总体架构与方案实现、软件功能实现与元器件清单等，确保创新方案的切实可行性。

7）总结与反思

7.1）总结实验过程中的心得体会、主要问题和解决方法，从功能和性能角度对作品的完成情况进行总结评价。

7.2）反思实验过程，提出改进方向，如优化电路设计、提高测量精度等，为后续实验提供参考。

10.考核要求与方法（限300字） {#考核要求与方法限300字}

本项目评价主体多元，综合考察能力，保证评价合理性和公平性。

表 2 考核方法及要求
类别		成员1		成员2	成员3	成员4
姓名
学号
组内互评个人贡献度	作品验收
	技术报告
	路演答辩
序号	考核内容	评分占比	评价标准				评分
1	平时表现（个人）	20	单元级任务（70分）课堂出勤与表现（30分）				S1
2	作品验收（团队）	40	作品完整性及基本功能实现（40分）技术指标达成度（40分）创新拓展功能（20分）				S2
3	技术报告（团队）	20	内容完整性，需求分析、方案论证等（50分）技术深度，性能指标（30分）格式规范（20分）				S3
4	路演答辩（团队）	20	PPT内容、图文并茂（30分）语言表达、问题回答（50分）商业价值、市场分析（20分）				S4
个人总分=S1×20%＋S2×贡献度×40%＋S3×贡献度×20%＋S4×贡献度×20%

11.项目特色或创新（可空缺，限150字） {#项目特色或创新可空缺限150字}

1）学科交叉实践：融合测控技术与仪器专业的主干课程，形成理论到实践的闭环。

2）赛训深度融合：所学核心技能对标全国大学生电子设计竞赛。

3）产品思维塑造：结合机壳制作与创新创业训练，推动学生从“实验装置”向“市场化产品”思维转型。

4）国产技术攻坚：基于全国产开发板构建示波器系统，培养学生国产攻坚意识。

附件

教学大纲

课程教学大纲

课程编号：	91104010		开课学院及系所：		*****************
课程名称：	中文：	工程创新实践			课程类型：	理论 □ 实践 🗹
	英文：	Engineering innovation practice
课程学时及分布：	总学时：	理论学时：		实践学时：			课程学分：	4
	64			64
先修课程：	机械设计、电工与电子技术、现代电子技术、自动控制原理、工程图学、Java 编程语言、高等数学、大学物理等						课程负责人：

课程简介

【描述该课程性质、作用和主要知识体系】

课程性质：本课程为****类等专业的重要专业核心课程和必修课程。课程系在新工科建设背景下，对传统的工程训练课程进行了升级改造，以“产教融合、科教融合、专创融合”为驱动，以复杂工程问题为牵引所设立的项目制实践课程。

课程作用：课程针对现代工程科技项目特别是****工程项目对创新创业人才学科交叉型综合能力所提出的高要求，开设先进**电源、智能装备、5G智能交通等创新主题，培养学生掌握机械-电子-电气-计算机-经管等多学科综合工程实践能力。

主要知识体系：包括创新、创业两大部分，并以创新为主、创业为辅。创新部分包括创新主题项目背景知识、功能指标设计、总体技术方案设计、硬软件方案与参数设计、结构设计、采样与控制系统设计、测试方法等。创业部分包括商业计划的基本概念、基本结构、核心内容和基本模型等。

教学目标

【概括学生学习该课程后应掌握的知识、方法和具备的能力】围绕多学科综合工程实践能力培养这一总体目标，课程细分教学目标包括：素养目标 1.厚植报国情怀、坚定制造强国理念、培养大国工匠精神，增强严谨求是和自主探究的学习态度和方法。 2.培养学生工程素养，能够将不同学科的知识和素质要素融合在工程实践活动中：能够正确的判断问题，将理论知识和实践融会贯通，综合运用资源，将构思变为现实，达到预期目的。知识目标 1.掌握工程技术类创新创业基础知识，创新基础知识为工程技术项目开发流程基础知识，含现代工程项目调研论证、总体设计、详细设计、调试验证等；创业基础知识含创业规划、市场分析、竞争分析、财务分析、风险分析、生产管理、工程规范、院所质量管理体系等。 2.掌握无人机、先进电源、智能装备、水下机器人、5G智能交通、智能音频处理主题方向之一的项目知识，含项目背景知识、项目技术原理、系统技术方案、部件/电路原理与设计、嵌入式编程等。能力目标 1.能够综合运用电路、电工、电子、控制、微机、机械等课程的基本原理和方法，建立解决****工程机-电-控一体系统设计所涉及复杂工程问题的能力；具备基于国产芯片的嵌入式设计应用能力。 2.能够通过调研和分析，在科技、市场、国产化率、环境与社会等多个维度，把握项目的背景、现状、问题、需求和发展趋势。 3.能够通过团队协作，综合考虑技术性、经济性和社会性，面向院所企业的实际需求和实际情况，给出工程项目及其国产化替代/优化的解决方案，并形成创新创业规划。
教学目标分条说明		支撑的毕业要求
课程目标1	能够针对具体项目，掌握其技术解决方案设计开发能力，包括：围绕具体性能和技术指标要求的项目技术总体方案设计能力，所设计方案的实施、调试和测试能力。具备开发/研制类项目相关行业背景调研、商业模式、竞争与风险分析、财务分析等方面基础知识和应用于项目方案的能力。	[3]
课程目标2	掌握社会、身体和心理健康、安全、法律等方面知识和技能，了解项目与国家安全相关的方针、政策与法律法规。能够分析和评价探测制导与控制技术专业工程实践对社会、健康、国防安全、法律、文化的影响，以及这些因素对探测制导与控制技术项目实施的影响，并理解应承担的责任	[6]
课程目标3	通过工程实践增强社会、国防和环境的可持续发展的意识。	[7]
课程目标4	了解工程及产品全周期、全流程的成本构成，理解其中的工程管理与经济决策问题，可运用工程管理与经济决策方法解决多学科环境中的相关问题。	[11]
毕业要求：[1]工程知识[2]问题分析[3]设计/开发解决方案[4]研究[5]使用现代工具[6]工程与社会 [7]环境和可持续发展[8]职业规范[9]个人和团队[10]沟通[11]项目管理[12]终身学习