STM32F103C8T6とOLEDで2CHオシロスコープ・Pulse generator・Function Generator

更新日 2024.04.16 登録日 2023.11.23

大阪教育大学の光永さんの Arduino でオシロスコープ は古い128x64のLCDディスプレイ用に作られたものですが、それを基に128x64の1.3インチOLEDで使えるように変更して ArduinoとOLEDで2CHオシロスコープ・Pulse generator・Function Generator・周波数カウンタ を作ったので、それを基にSTM32F103C8T6に移植しました。サンプル数は128ポイントです。

開発環境は Arduino IDE 1.8.19 + STM32F1xx/GD32F1xx boards by stm32duino version 2022.9.26です。
Arduino IDEの環境設定で追加のボードマネージャのURLに
http://dan.drown.org/stm32duino/package_STM32duino_index.json
を追加すると、ボードマネージャで"stm"を検索すれば出てきます。

bootloaderが使えるように出来なかったので、シリアルポートでアップロードしています。 Microsoft StoreからインストールしたArduino IDEではだめでしたが、Arduino IDEのホームページのダウンロード版をインストールし直したらbootloaderが使えるようになりました。(2024.01.04 update)

この環境ではAnalogRead()が使えるので単純にループしてサンプリングしていますが、単一チャンネルで500kspsまで出来ています。そのうちにDMAを使って単一チャンネルで1Msps以上が出来るようにしたいと思います。 DMAの使い方が分かったので、2チャンネルでも2.57Mspsまで出来るようになりました。(2023.11.27 update)
Version 1.03からはFast Interleaved modeを使って1チャンネルで5.14Mspsまで出来るようになりました。(2024.02.22 update)

ソースコード

最新版はGitHubに置いてあります
https://github.com/siliconvalley4066/STM32F103C8T6OLEDOscilloscope

STM32OLEDOscillo106.zip 2024.04.16 update

STM32OLEDOscillo010.zip

OLEDのドライバはSH1106用です。Adafruit_SSD1306.hやAdafruit_SH110X.hがインストールされていない場合はライブラリマネージャーから検索してインストールしてください。SSD1306用にするには#define DISPLAY_IS_SSD1306のコメントを外せばOKです。

回路図

10:1プローブを使うために入力インピーダンスを1Mohmに近付けたいので、2Mohmの抵抗を使ってみると、STM32のADCの入力インピーダンスが低いようで、信号源インピーダンスが高いと波形が乱れます。高入力インピーダンスをあきらめて100kohmの抵抗を使うことで入力インピーダンスは約50kohmになります。
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操作方法

Raspberry Pi Pico WとOLEDで2CH WEBオシロスコープ・Pulse generator・Function Generator・周波数カウンタと同じです。

時間軸の拡大は、Page 1の4番目つまり時間軸レンジの下でreal/DMAと表示されている所でRightボタンとLeftボタンで x1,x2,x5,x10 が選択出来ます。拡大にはsin(x)/xによる補間をしています。(2024.03.20 update)

Pulse Generatorについて

PWMで発生できるパルスをほぼ全て出せるようにしました。72MHzを1/2から1/65536まで設定できます。分周比は1/1から1/256まで使います。発生できる周波数は4.29Hzから36MHzまでになります。周波数自体を設定するのではなく、発生できる上または下の周波数へ設定を変更して、その設定で発生される周波数を計算して表示します。周波数の高い方は36MHz, 24MHz, 18MHz, 14.4MHz, 12MHzのように飛び飛びの値になる。Duty cycleも実現可能な値が限られていて50%も不可能な場合がある。周波数の低い側の分解能は1/65536になり細かく設定できます。インタラプトは発生しません。

PWM DDS Function Generatorについて

Lab3 - Laboratory for Experimental Computer Science を流用させていただきました。波形データはその他色々な所から集めました。周波数の設定と波形の選択だけがオリジナルです。周波数の分解能は取り敢えず0.01Hzにしました。インタラプト処理が入るので速いサンプリング時にオシロスコープの波形が間延びするようなら明示的にOFFにした方が良い。サンプリング周波数は35.15625kHzにしました。メモリに余裕があるので用意した23波形すべてを使えます。
リンク先が消えているようなので同じ内容を探してみました。 Arduino Sinewave Generator

Known Bugs

  • DMAサンプリングでCH2の階調落ちがある。設定不足なのか性能限界なのかは不明。(2024.01.04 update) コーディングにケアレスミスがありました。Version1.02で修正済みです。
  • 波形表示が所々途切れることがある。
  • STM32のADCの入力インピーダンスが低いようで、信号源インピーダンスが高いと波形が乱れます。OPアンプのバッファを入れた方が良いかもしれない。
  • 原理的に周波数測定には画面上で2周期以上が必要。
  • トリガモードのOneがうまく機能しない。
  • トリガが掛からない状態でトリガモードをNormにすると、トリガ検出から抜け出せなくなり操作不能になる。トリガが掛かる入力を入れれば復帰する。
  • 2ch表示で信号源インピーダンスが大きい場合は相互に観測波形に影響が出る。入力インピーダンスが下がるのを許容して入力回路の抵抗値100kohmを10kohm以下に下げれば軽減できると思う。
  • 2ch間でレベル差が大きい部分には相互干渉が発生することがある。
  • ADC入力の保護抵抗を省略したのでSTM32が壊れやすい。直列に1kohmから10kohmの抵抗を入れておいた方が良い。
  • Pulse generatorはCPUクロックを分周していて1/2から整数分の1の周波数を発生する。周波数の高い方は36MHz, 24MHz, 18MHz, 14.4MHz, 12MHzのように飛び飛びの値になる。Duty cycleも実現可能な値が限られていて50%も不可能な場合がある。周波数の低い側の分解能は1/65536になる。
  • これ単体で2チャンネル入力にPulse generatorとFunction Generatorの出力を入れて波形観測して遊べます。

    • 改良可能性

  • DMAを使って1Msps以上に高速にできるはず。Version1.00で実装済み。(2023.11.27 update)
  • 取り込みサンプル数を増やして表示位置を移動できるようにしてみたい。
  • 時間軸拡大表示。2倍、5倍、10倍にできますが位置は波形の先頭に固定です。(2024.03.20 update)
  • Hold Off調整機能を入れた方が便利かもしれない。

    • 機能概要

    機能 内容
    入力チャンネル数 2
    入力結合 DC and AC
    入力電圧範囲 0 to 3.3V
    入力インピーダンス 不明。50kohm程度
    電圧レンジ(volts/div) 1V, 0.5V, 0.2V, 0.1V, 50mV
    時間レンジ(time/div) 10s, 5s, 2s, 1s, 0.5s, 0.2s, 0.1s, 50ms, 20ms, 10ms, 5ms, 2ms, 1ms, 500us, 200us, 100us, 57us, 23us, 11us, 3.9us (2.57Msps), (1 channel) 1.9us (5.14Msps)
    トリガモード Auto, Normal, Scan
    トリガ極性 rise/fall edge
    トリガソース CH1 or CH2
    トリガレベル調整 画面内位置を上下に調整
    外部トリガ No
    波形位置調整 上下に調整可能
    波形反転表示 Yes
    電圧測定表示 Max, Average, Min (AC入力でもDCレベルを表示)
    周波数&Duty測定 Yes
    電圧・周波数・Duty表示 表示・非表示切り替え
    文字表示 文字サイズ固定
    FFT Yes
    A/D変換分解能 12bits
    サンプル数 128samples/channel (8bits/channel) 12bit/sampleを電圧レンジに応じて6bitにスケーリングして表示
    表示解像度 128x64 dots, 10dots/div
    等価時間サンプリング No
    設定状態EEPROM保存 Yes
    操作方法 5方向スイッチ (Left, Right, Down, Up)
    プリトリガー No
    ホールドオフ機能 No
    時間軸拡大表示 x2, x5, x10 sin(x)/x補間
    X-Y表示 No
    Pulse Generator 0.01676Hz to 36MHz 約3.3Vpp方形波 Duty ratio可変
    Function Generator 8bit PWM DDS 0.01Hz to 9999.99Hz(実用は400Hzまで) 約3.3Vpp
    23波形 sine, saw, revsaw, triangle, rectangle, 20% pulse, 10% pulse, 5% pulse, 1dot pulse, noise, gaussian noise, ECG, sinc5, sinc10, sinc20, sine 2 harmonic, sine 3 harmonic, chopped sine, sine abs, trapezoid, step2, step4, chainsaw
    周波数カウンタ No
    PCへのデータ転送 No
    SDカードへの波形保存 No

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