一种便携式通用数字存储示波器的制作方法

专利名称：一种便携式通用数字存储示波器的制作方法
技术领域：
一种便携式通用数字存储示波器
枝米领域
本实用新型涉及一种示波器，尤其涉及一种便携式通用数字存储示波器。
背景技术：
科学技术发展促使高技术产业迅速崛起，创造了极高的商业价值和巨大的经济效益，产 品中的科技含量越来越高。各种鉴别和测试用的科学仪器，也是保障国家持续发展的先决条
件之一。
示波器在当今电子测量仪器中是最基本、最通用和首要的电子仪器，应用行业和范围极 为广泛；示波器可观察相对于时间的瞬时电压，它可显示波形的形状并可测量频率和相位等 参数。示波器是技术密集、知识密集型产品，是电子测量仪器中最为通用的仪器之一，是所 有电子产品科研、生产、试验、维修的基本条件和手段，由于其用途的多样性、适宜性和必 要性，被广泛地应用于广阔的电子和电气测量领域，比如电力、电子、生产制造、材料和结 构、建筑、航天航空、生物医学、国防工业等，是许多重大工程配套和经济建设不可缺少的 重要组成部分。尤其在需要观察电路电压、电流的波形，和调试、分析、判断电路故障的场 所，示波器一般是必备的；示波器和一些适当的传感器等配合，还可以观察一些非电量的变 化。
目前市场上存在的示波器， 一般把目标定位在产品的高性能和强大功能的竞争优势上， 造成市'场上的模拟及数字示波器一般价格高昂、体积较大且很多专业功能并不太实用。更便 宜、更快、更方便使用的示波器成为当今市场销售的主流，现场工程师需要借助具有各种功 能的、方便实用、小巧随手的测试工具，来验证和解决越来越多的高复杂性问题。众所周知， 小波器是在现场进行测试的重要工具，没有哪个工程师愿意抬着一台示波器和一堆电源到现 场，于是，可以观察复杂动态波形的便携式数字存储示波器就应运而生；另外，虽然国外已 经有了一些体积较小的高端手持仪器，但价格高昂，不利于推广。 发明内容
本实用新型的目的是克服现有示波器存在的上述缺点和不足，提供一种便携式通用数字 存储示波器。
便携式通用数字存储示波器无源探头与信号变换调理电路、模数转换ADC电路、数据
通道和高频控制模块、DSP处理器系统、数据接口相接，信号变换调理电路与触发功能产生 电路、数据通道和高频控制模块、模数转换ADC电路相接，数字信号LCD显示器与DSP处理 器系统、信号变换调理电路相接，可充电池、AC-DC电源模块与智能电源切换和分配控制电 路、DSP处理器系统相接。
本实用新型具有的有益效果
本实用新型在功能电路上全部电子电路技术设计，几乎不采用分离的机械器件，大大縮
小了体积；采用4片经济高效的ADC芯片对同一信号进行高速采样，成本低、功耗小；FPGA 芯片可以完成复杂的数据逻辑处理功能，带有高速并行数据口的双核DSP芯片ADSP561具有 强大的系统控制和数字信号处理功能，大大增强了系统控制和信号处理能力；仪器配备各种 数据通信接口，也可以制成嵌入式结构，配置在各种大型测量系统上，可以以较低的成本、 较小的体积实现配置灵活的智能仪器组合。
实现了 AC-DC电源模块与内置电池之间自动切换供电的功能，单机完成采样和数字信号 处理工作，具有方便的数据记录、数据标示(特征值和音频等:)和数据存储功能，数据通信 接口多，特别适合于现场测试和设备调试；本示波器体积小、重量轻、便于随手携带，凡需 要测量、调试和检修的场合，都可以方便使用。
由于本示波器经常随手操作使用，在结构和布局上力求紧凑，对各组成模块严格测试和 分析以避免各种纰漏和干扰损害，安全设计也优先考虑，并实施了系统散热分析和设计，测 量性能得到了可靠的验证和保障。
本实用新型实现了类似的典型示波器的结构和功能，并且具有很高的性能价格比，特别 适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的"更高更新更快"的测量需求， 因此具有良好的市场前景。

图1是示波器的基本结构原理图2是便携式通用数字存储示波器电路框图3是本实用新型的信号变换调理电路框图4是本实用新型的多通路衰减电路图5是本实用新型的触发信号产生电路框图6是本实用新型的模数转换ADC电路框图7是本实用新型的数据通道和高频控制模块的逻辑功能原理图8是本实用新型的数据通道和高频控制模块的电路框图9是本实用新型的触发信号逻辑处理模块的逻辑电路图10是本实用新型的数据缓冲处理逻辑模块的逻辑电路图11是本实用新型的DSP处理器系统功能电路框图12是本实用新型的智能电源切换和分配电路框图13是本实用新型的双路电源切换控制电路框图14是本实用新型的采样和数据处理流图15是本实用新型的软件流程图。
具体实施方式
通用示波器依靠高输入阻抗来显示和测量信号波形，顾名思义，它不只适合于观察某一 特定类别的电子信号，而是可以按照一定的方式观察和测量从直流到交流、具有一定大电压 幅度的数字和模拟信号的一种装置。为了实现这些目标，目前市场上存在的示波器设计复杂、
面面俱到，而且从结构上来说， 一般要采用一些机械电子类控制和调节部件，体积相对庞大、 还有功耗和干扰等问题，都导致低成本、便利实用、小巧随手的测试工具很难面世推广。因 此，本实用新型改变了传统示波器的设计思路，实现了通用示波器的低功耗设计，创新了一
种可在AC-DC电源模块与内置电池之间自动切换供电的电路功能，方便于各种户内、户外测
量应用；它主要采用现代的集成电路构成仪器的各个主要组成部分，针对通用示波器的信号 测量特征，灵巧设计信号变换和调理电路，配合电路补偿和安全处理技术，在保证性能指标 的前提下，研制出低成本、体积小和重量轻的通用的数字存储示波器。
如图1、 2所示，便携式通用数字存储示波器内部模块的连接关系为无源探头1与信号
变换调理电路2、模数转换ADC电路3、数据通道和高频控制模块5、 DSP处理器系统6、数 据接口8相接，信号变换调理电路2与触发功能产生电路4、数据通道和高频控制模块5、模 数转换ADC电路3相接，数字信号LCD显示器7与DSP处理器系统6、信号变换调理电路2 相接，可充电池ll、 AC-DC电源模块10与智能电源切换和分配电路9、 DSP处理器系统6相接。
本实用新型在设计原理上与其他通用数字存储示波器一样(如图l)，示波器输入信号的 变换电路由模拟电路和辨字电路混合构成，在系统操作状态参数的控制下完成信号变换和调 理，并输入到模/数变换器(ADC)以对这些瞬时信号采样和数字量化。高速的大量的采样数 据要通过逻辑缓冲器存贮到DSP存储器，示波器LCD显示的波形总是所采集到的数据重建的 波形，并不是立即的、连续的输入信号波形。因此，特别设计了一个根据触发信息即时工作 的基于FPGA逻辑的采样数据通道和高频控制模块(如图7、 8)，通过缓存控制逻辑来保证触 发前后.采样数据的完整收集，符合数字存储示波器的功能原理和基本特征；信号数据的处理、 换算及其表达功能在双核DSP芯片上完成，来显示一定触发条件下的信号波形，实时地将各 种信息有效地提取出来，建立广泛的高级数据处理、分析库和工具库(例如信号数据谱分析、 快速傅立叶变换、数字滤波、巻积处理、相关函数处理、微积分、回归分析、数值运算、时 域和频域分析等)；丰富的对外数据通信接口配置，也利于仪器发展成为可以组建极为复杂的 自动测试系统的一种装置，更好地拓展了其在系统测试和数据管理方面的应用。
如图2所示，携式通用数字存储示波器输入信号源逐次通过无源探头、信号变换调理电 路、模数转换ADC电路、数据通道和高频控制模块、DSP处理器系统和数字信号LCD显示器， 这些电子电路模块依次电连接组成整套的信号处理和显示仪器；信号变换调理电路信号或外 触发信号经过触发功能产生电路变换后，发生可供基于FPGA的数据通道和高频控制模块处理 成循环采样触发信号的脉冲，仪器再通过数据通道和高频控制模块来控制模数转换ADC电路 的数据采集动作，把采样数据缓冲到DSP处理器、经过DSP处理恢复成原始信号显示在LCD 上，或者通过数据接口输出。本实用新型示波器配备系列可选的信号源探头1,保证接入到 示波器的高低、压信号和各种电流信号的安全；功能模块2是对待测信号进行规范处理的信 号变换和调理电路；模块3是由阵列化模/数转化ADC芯片组成的采样量化单元——模数转换 ADC电路，每个调理后的通道信号源都分别选通接入到4路ADC采样器中，它们按照相差90
或45度的倍频时钟相进行交错采样，在数据流逻辑处理模块合成为连续的采样数据；触发功 能产生电路4的信号源头包括外部触发信号源以及经过特性变换处理后的通道信号源，根据 设置参数选通到触发产生电路来发生需要的触发信号(并不是所有连接到模块3的信号都作 为触发源)；模块5是本示波器中具有着中心协调枢纽功能的数据通道和高频控制模块，釆用 Altera的高性能FPGA芯片，通过硬件设计语言编程设计完成，主要用来完成多路高速数据 的数据通道和缓存工作并控制采样数据到DSP通信的流程和状态，同时完成一些数据逻辑处 理算法，如图8所示，触发功能产生电路输出的触发脉冲也传递到该模块进行处理，形成促 使数据采样循环动作的触发时机信号，该模块还要发生ADC阵列芯片进行数据采样所需要的 时钟脉冲和控制信号；DSP处理器系统6主要用来构成系统操作控制的平台，DSP处理器采用 ADI公司的BLACKFIN系列芯片ADSP561，该芯片是具有超级数字信号处理和媒体流处理能力 的DSP器件，内部配有2个DSP核，可以动态调节功耗，适合本实用新型产品应用，该系统 通过DSP处理器芯片内其中一个PPI接口接收数据通道和高频控制模块缓冲来的采样数据， 经过插补运算处理后还原成原始信号，并通过另外一个PPI接口在数字信号LCD上显示波形 和测量信息，至此，整个数据信号的处理和显示流程基本完成和结束；DSP处理器系统作为 系统操作控制平台还包哮其他设计功能模块，如图11所示，DSP处理器操作控制相关的I/O 电路可以控制信号变换调理电路的开关电路，控制智能电源切换和分配电路的一些使能和开 关动作，接受各种按键和按钮操作命令，其中还包括实时时钟、CF卡存储以及音频录放等示 波器应用新功能；数据接口8是系统大数据流输出和输入的专用通道，包括USB2.0、 UART、 以太网口和1394火线等以适应不同领域的应用，本实用新型采取多类通信接口可选的可拓 扑、可扩展设计思路，这样，用户可以根据需要选择其中一种或者多种数据通信口。
由于本示波器可以采用有限功率的电池来供电使用，在整个电路设计中，考虑到示波器 通用电信号测量功能和性能方面的各种严格要求，结合信号变换调理电路的具体功能设计， 尽量降低变换电路中各器件和有源驱动环节的功耗，充分分析ADC、 FPGA和DSP等操作电路 的用电规范，形成智能电源控制管理技术方案，因此所采用和设计的各级直流DODC变换电 路都在功能划分、性能、转换效率、控制效果和经济合理性上严密设计，保证了 6瓦功耗的 通用示波器功能和良好性能。如图2中所示，本实用新型根据上述要求和特征特别设计了 AC-DC电源模块和内置电池可自动切换供电的电源变换和控制装置，集中体现为一套智能电 源切换和分配电路9，还包括标准的AC-DC电源模块和7. 2伏锂离子电池一并构成整个的配 电系统；电源变换和控制装置的核心控制部分——智能电源切换和分配电路，主要由锂电池 充电和检测电路、双路电源切换和控制电路、可节约电源开关组、低压电源DC-DC变换芯片 组组成，它们通过配电网络连接到各功耗设备和环节；这些高效的电源控制和变换电路在DSP 处理器发生的执行控制信号作用下，在示波器所述的各个用电单元、设备和环节间严格比例 分配电池或者AC-AC过来的电源，达到系统超低功耗设计目标，产品结构简单布局紧凑，使 得本实用新型仪器更加适用于各种现场测试的便携应用。
如图3、 4所示，信号变换调理电路2为外部信号接入保护电路与多通道衰减电路、信号变换电路、目标信号切换开关电路、内部信号保护和补偿电路、缓冲器电路、触发信号选 通电路、AD8564接口电路相接，触发信号选通电路与选通信号分配电路、AD9288接口电路电 连接，执行控制信号接口连接DSP处理器系统，作用于选通信号分配电路、触发信号选通电 路、目标信号切换开关电路和信号变换电路。
所述信号变换电路由交流耦合电路、直流耦合电路、高频抑制电路、低通滤波电路、带 通滤波电路、触发信号选择电路相互电连接组成。
外部信号源经过探头输入到示波器Q9连接器，进入内部变换电路前先通过一个频率特性 适当的过压抑制器形成初级电路保护。然后逐次连接多通道衰减电路、信号变换电路、目标 信号切换开关电路、内部信号保护和补偿电路，由于示波器可能接入的高压信号会对后面的 工作器件产生过压损害，即使发生电路稍微过压或者较高梯度压变现象，由于电路阻抗特性 的非线性必然导致后面缓冲器电路(电流反馈集成运算放大器AD8001)电势变化的非线性，
损害被测信号的真实性，针对目标信号频率成分复杂、电压幅度变化大的特点，示波器特别 设计了一套切实安全可靠的衰减变换和开关保护电路。如图4所示，电路设计中采用分离并
行的衰减电路，而不是传统的多路电阻级连分压电路，免得很难搜寻合适的匹配电阻和电容； 1、 2、 3、 4路衰减信号分别从不同的2级分压电阻中间抽出，而不是从图4中上方的级连分 压电路R1、 R2、 R3以及R4之间引出，这样的电路很难做到将电压幅度比较宽和频带比较长 的信号进行良好阻抗匹配和信号补偿，很难保证全部不失真，也很难保证接入电阻的准确度， 多级串联的电容更是具有最大的过压安全隐患。开关电路选择松下公司的小体积继电器，可 以抵抗高电压冲击，动作速度也十分快，这样第一级直通电路仅仅连接几个欧姆的电阻作为 稳压限流和电路补偿器，第二级电路通过2级阻容衰减电路实现十分之一分压，第三级电路 通过2级阻容衰减电路实现百分之一分压，第四级电路通过2级阻容衰减电路实现千分之一 分压，然后通过继电器开关来选通级别合适的电路信号——目标信号切换开关电路就是这样 的设计原理；内部信号保护和补偿电路包括双向二极管保护电路以及高频补偿电路两部分， 在设计和调试中根据具体的电路特性选择和匹配。示波器的输入阻抗要标准化设计在1M欧姆 (2%上下的误差范围)，所以本电路采用三套大约3M欧姆的衰减电路实现三级分压，否则， 如果采用传统分压衰减电路，串联的衰减级数太多，虽然电路中设计了C1、 C2、 C3和C4等 补偿电容，也不利于可靠保证信号中复杂高频成分的不失真通过，而且，很容易造成电容击 穿现象。这样，系统就可以针对性选择10伏特以下的信号直通连接缓冲器电路，即使有过压 现象，只要不损害衰减电路，也可以被开关电路后面的二极管电路卸压，满足了通用示波器 能直接输入、测量较高压电，特别是带有不少不可预测的高频成分的较高压电的测量需求。 触发信号选通电路就是在DSP处理器控制下的多路选择器AD8184，形成选通信号交流、 直流耦合等变换处理信号的开关电路。缓冲器电路是完成阻抗变换的缓冲器件，采用具有良 好高频性能的电流反馈芯片AD8001，具有低噪声、高摆率等特点。选通信号分配电路是在DSP 处理器控制下的高速、高阻缓冲输入四通道多路选择器，用来程控选通适合ADC采样输入标 准的一路信号，变送到采样器AD9288模拟信号量化接口。电路中，还设计有系统自校准用的
参考电平和脉冲信号，以实现电路误差的程控和手动校准功能，是一般的示波器电路设计标 准，并没有在图中反映出来。
如图5所示，触发功能产生电路4接收触发信号选通电路输出的信号，由信号处理和变换
屯路、比较器阵列AD8564、数据通道和高频控制模块5的触发脉冲接入端子相连接组成，DSP 处理器系统DAC接口控制比较电平发生电路(DAC)并连接到比较器阵列AD8564作为参考电平， 外触发信号经过外触发信号变换电路连通到比较器阵列AD8564用以产生一种触发脉冲。
本示波器触发功能产生电路包括比较电平和比较器、触发信号处理等部分，和通用示波 器电路没有什么不同，触发信号源可以来自两个通道信号中的任何一个，无论是直流还是交 流耦合，高频还是低频抑制等，都经过触发信号选通电路接入到高速比较器(AD8564)阵列 中与触发电平相比较，生成高速逻辑脉冲信号；数据通道和高频控制模块接收该触发脉冲并 进行鉴别处理，触发状态和采样循环动作时机信号是经过多路信号ADC采样相位序列识别后 的触发状态信号，这样就将触发时刻和数据采样时刻的不匹配误差降低到一个最小采样间隔 ——1.25ns的量级，充分利用了多路ADC的组合带宽，大大提高了采样精确度；捕捉到预定 的触发状态时刻后，数据通道和高频控制模块随之就驱动发生采样、通信和数据算法处理等 同步逻辑处理功能。由，触发信号源是可以被选通和变换的，这样一来，就更加增强了系统 触发方式选择的灵活性，可以根据本通道信号进行触发来显示波形，也可以选择其他任何通 道甚至非正常信号来作为触发源，丰富了示波器的应用功能，不需要用户再进行技术处理和 手动调整，就可以完成多种触发和测量方式的逻辑组合，减少了程序调整的难度，目标效果 更好。本设计中的高速比较器还兼容设计了更加高级别的比较器芯片(ADCMP580,仅仅80ps 延时)应用，更加提高了测量准确性。
如图6所示，模数转换ADC电路3由选通信号分配电路的信号接口 、模数转换ADC芯片 阵列电路、ADC阵列外围补偿电路连接构成，ADC阵列芯片工作需要的采样脉冲和控制信号通 过采样脉冲和控制信号接口连接到FPGA (数据通道和高频控制模块)，由其产生并作用到模 数转换ADC芯片阵列电路。
模数转化ADC电路完成信号采样和量化工作，本实用新型设计了 4路ADC芯片时钟分相 交错技术采样的阵列电路，也就是对同样一路信号，在不同的时钟相通过4-8个ADC分别采 样，通过多片ADC分相交错采样技术连续采集到细分的连续数据，实现了采用较低廉ADC完 成高速采样功能的任务，信号处理带宽大大提高；电路上设计有内部保护电路和外围信号补 偿电路(二极管电路限压保护和RC高频补偿)，DSP处理器还要进行滤波和算法补偿处理， 信号质量也得到了保证，解决了示波器对昂贵的高速ADC应用的依赖性问题，四片8路100M 带宽的ADC芯片(AD9288),就实现了 800M带宽采样功能，降低了仪器的制造成本。ADC阵 列芯片工作需要的控制时钟，8分相时钟，是由FPGA的同步时钟发生和分配器输出的，在此 信号作用下模数转化ADC电路完成采样和量化工作。
如图7、 8、 9、 IO所示，基于FPGA的数据通道和高频控制模块5包括采样脉冲和控制 信号接口和采样数据通道接口与数据缓冲处理逻辑模块、同步时钟发生和分配器、眼图数据
逻辑模块、数据流算法处理和计算模块、低速时钟发生和分配器、系统设置信号处理器、编 码键盘信号处理器、编码键盘接口依次逻辑连接，同步时钟发生和分配器作用于触发信号逻 辑处理模块，并与数据缓冲处理逻辑模块、触发脉冲接入端子逻辑互连，数据缓冲处理逻辑模
块缓存后的数据流经过数据通道连接到dsp处理器系统ppi模块功能接口， nc模块功能接 口、 nc数据通信模块、编码键盘信号处理器和数据缓冲处理逻辑模块依次逻辑互连，模块 功能接口、系统设置信号处理器、触发信号逻辑处理模块也依次互连。
数据通道和高频控制模块建立在一个基于fpga技术的数字逻辑芯片上，是本示波器最为
集中化的功能设计单元，也是系统数据协调和状态控制的核心。它主要包括， 一触发信号逻 辑处理模块，用来接受触发脉冲接入端子输入的触发脉冲，根据系统设置信号处理器的触发 方式和触发模式设置参数，来完成触发信号的逻辑处理过程并产生循环采^^操作需要的触发
时机脉冲——循环判据，如图9所示，触发脉冲输入端子接入的通道触发信号经过毛刺消除
电路逻辑处理后，进入释抑状态处理器，其输出经状态寄存器隔离暂存后输出到多路选择器 或者采样相位识别逻辑模块，触发脉冲输入端子接入的视频触发信号经过毛刺消除电路逻辑 处理后，进入行、线数处理器，其输出经状态寄存器隔离暂存后输出到多路选择器或者采样 相位识别逻辑模块，触发脉冲输入端子接入的脉冲宽度触发信号经过毛刺消除电路逻辑处理 后，进入脉冲宽度测量和处理逻辑模块，其输出经状态寄存器隔离暂存后输出到多路选择器 或者采样相位识别逻辑模块，触发模块复位分配网络、时钟分配网络是由复位发生和分配器、 时钟发生和分配器产生的作用到模块内部各个逻辑功能模块的信号网络，触发使能寄存器接 收多路选择器的触发状态信号并根据触发模块参数设置寄存器有关参数状态产生触发循环判
据，并决策是否产生强制触发等状态； 一数据缓冲处理逻辑模块，它可以接收触发信号逻辑 处理模块产生的触发循环判据和强制触发等状态信号，结合采样相位识别逻辑模块产生的相 位识别数据状态，产生adc芯片阵列采样脉冲和控制信号，并把各路adc采样数据通过接口 接收到内部的逻辑数据缓冲通道，如图io所示，采样数据通道接口的数据信号首先通过数据 选择器输入到8组寄存器阵列、同步缓存器阵列和输出寄存器阵列中，在fifo状态数据循环 控制和高速缓存单元的协调控制下，将采样数据规律地选择、组合、缓冲到交替工作的大容 量同步fifo数据控制单元，然后根据触发数据输出接口的输入数据和触发数据补偿处理器的 数据处理结果，产生可以往dsp处理器通信的采样数据流，再通过ppi接口通信控制器将数 据流输出到fsp处理器系统的ppi功能模块接口，同样的，状态转换与控制器信号、数据缓 冲模块复位分配网络、数据缓冲模块时钟分配网络都是作用于模块全局的状态和控制信号网； 数据通道和高频控制模块还包括其他的标准逻辑处理功能电路如系统加密处理模块、iic数 据通信模块、系统设置信号处理器、编码键盘信号处理器等单元，还要并行完成采样数据流 的部分dsp算法处理和计算功能(如fft)以及多种示波数据逻辑处理功能如新兴的"眼图" 测量示波功能、视频或音频标准数据流处理功能等;本模块fpga芯片还带有一程序配置芯片， 可通过usb接口等通信方式下载更新逻辑代码，实现了硬件功能的软配置，扩展、升级性能 好。这些逻辑关系复杂、时序状态严格、高频数据通信控制的逻辑系统，就构成了完成整个
示波器工作控制和协调需要的所述的基于FPGA的数据通道和高频控制模块，如图7所示，是
其逻辑功能流程和原理图。
如图ll所示，DSP处理器系统6，包括PPI模块功能接口、执行控制信号接口、按键控 制端口和电路、复位和保护电路、实时时钟和电池充电电路、音频录放电路、逻辑加密控制 接口、系统设置I/0接口、 IIC模块功能接口、可扩展显示器接口、 CF卡存储器、可选可扩 展的数据通信接口 (USB、 UART、 Eth-net和1394火线)、闪速存储器、动态存储器和系统时 钟电路。DSP处理器系统中设计有CF卡存储器、可选可扩展的数据通信接口 (USB、 UART、 l-:thiet和1394火线可选)、实时时钟和音频录放电路等功能模块，这些都是区别于传统示 波器的新设计功能，USB等接口还可以进行系统软件和FPGA代码更新；大大方便了各类用户 在各种测试场合的使用、标识、记录和存储、备份工作，也便于新功能的扩展和更新。
如图12所示,智能电源切换和分配电路9由标准AC-DC电源模块、锂电池充电和检测 电路、锂电池、双路电源切换控制电路、可节约电源开关组、低压电源DC-DC变换芯片[DC-DC 芯片(5V)、 DC-DC芯片(3V)、 DC-DC芯片(5V)、 LDO低压电源模块]组互相电连接组成，它 们通过配电网络连接到各用电单元和模块,DSP处理器发生的执行控制信号作用于电源开关 组、双路电源切换和控制电路、锂电池充电和检测电路。完成了可以自动切换使用标准工频 AC-DC模块电源和内置电池电源来为系统电路和模块供电的功能，大大拓展了仪器的使用空 间(仪器的使用不再依赖于交流电源插座)，还具备电池在线和离线充电设计，两块电池可以 满足户外用户一个工作日的测量工作需求，在智能节电上也釆用了高效节能控制设计技术。 这些高效的电源控制和变换电路在DSP处理器发生的执行控制信号作用下，在示波器各个用 电单元、设备和环节间严格比例分配电池或者AC-AC过来的电源。
如图13所示，双路电源切换和控制电路包括外接电源接入检测逻辑电路、锂电池检测电 路、延时开关机逻辑电路、切换控制逻辑电路、切换控制芯片1473、切换开关MOSFET管对、 内部保护电路并依次连接到各DC-DC变换电路，外接电源、锂电池充电控制电路、锂电她、 锂电池检测电路依次电连接，锂电池、切换开关MOSFET管对、切换控制芯片1473、切换控 制逻辑电路、外接电源接入检测逻辑电路和切换开关MOSFET管对依次循环互连。其中，外接 电源接入检测逻辑电路拾取接入的电源信号和LM393比较器电平比较产生逻辑脉冲，输送到 逻辑芯片7402动作，切换控制逻辑电路的主要器件也是这些逻辑芯片，切换信号发生芯片 1473连接控制高性能开关MOSFET管对NTMD6N02R2，动作速度快，利于保护内部的用电单元 和环节。锂电池检测电路和锂电池充电控制电路都采用了凌特公司的高性能芯片并设计了标 准的电池检测和充电控制电路。
如图14所示，示波器的ADC采样和数据处理流图明确了采样数据流处理和一些主要系统 参数设置的流程关系，图15是本实用新型的软件流程图。软件部分要完成系统状态配置、调 节和控制、高速并行数据通信、采样数据的存储和处理、波形显示和DSP处理以及其他一些 辅助功能。如图15所示，仪器启动后，系统会根据检测到的设备状况，完成系列初始化工作， 需要下载新程序或者重新进行系统设置时，重复上述操作；在硬件配置和状态稳定后，系统
自动进入采样操作和数据通信状态，根据用户的操作要求实施数据信号处理，显示波形和计 算结果。这些操作功能都是在强大的双核(ADI的BLACKFIN数字信号处理器)芯片ADSP561
上完成，并配置有丰富的资源，可以完成很多台式示波器不具有数据处理、计算和分析功能；
本实用新型仪器功能包括显示数据和采样数据的百分比、左右上下光标电压值、触发电平、
周期、占空比、上升时间、下降时间、频率、最大值、平均值、最小值、峰-峰值、正脉冲宽 度、负脉冲宽度、均方根值、频率谱分中的幅-频特性、相-频特性、自功率谱函数、互功率 谱函数和自相关函数、互相关函数等，而不象传统示波器一样只显示其中几种参数。
本实用新型涉及的一种便携式通用数字存储示波器，实现了测量各种电源信号、功率和 斩波信号、固定频率信号、直流信号、数字逻辑、脉宽调制、调幅和调频、音视频以及串行
通信"眼图"等各种通用示波器功能；其应用特点主要表现在整个系统大15采用集成电路和 高效率的电子元器件，没有几个分立的机械结构电气元件，节省了电能，縮小了体积，降低
了成本，实现了交流AC-DC电源模块和内置电池可切换供电的、单机完成复杂的信号处理和 计算结果显示的、可以在各种工业领域各种操作环境广泛使用的， 一种通用测量工具——便
携式通用数字存储示波器。具体而言，它包括
一套可选的无源探头，用来接入各种不同的工业现场电信号； 一套可以对输入的电信号进行衰减、分路和调理的信号变换调理电路；
一触发功能产生电路，它可以根据不同的信号波形和相应的处理方法，配合高频逻辑控 制模块的时钟选择，来产生波形捕捉过程所需要的触发信号；
一模数转换ADC电路，每一路输入信号都可以配备4路ADC进行交错采样； 一棊于FPGA的数据通道和高频控制模块，具有数据逻辑算法处理功能；
--DSP处理器系统，完成数字信号处理功能，作为整个仪器的系统功能平台； --数字信号LCD显示器，用来显示信号波形和其他操作数据；
一套对外数据接口，包括USB、 UART、 Eth-net和1394火线，还用来完成系统功能软件 的更新任务；
智能电源切换和分配电路，完成电源切换、电池在线充电和电源分配功能； 一标准工频AC-DC电源模块，配有一个工频电源插座和电源线；
一可充电池套件，包括两个7.2伏特锂电池和一个充电器，仪器采用单电池可连续工作4小时。
标志本示波器的主要技术指标为
(1) 最大实时采样率800 MS/s和400MS/s;
(2) 最大输入电压500伏；
(3) 垂直灵敏度为5毫伏/格， 一直到50伏/格；
(4) 两个通道，输入阻抗1Mohm/20pF ± 2%;
(5) 工频AC-DC电源模块和内置电池双路电源可自动切换供电；
(6) 多种先进的触发方式；
(7) 采样数据的多种运算处理和自动测量功能；
(8) 采样数据和波形的多种存储方式和软、硬拷贝功能；
(9) 体积小，重量轻，不足2000克。 上述实施例用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的
精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的 保护范围。
权利要求1、一种便携式通用数字存储示波器，其特征在于，无源探头(1)与信号变换调理电路(2)、模数转换ADC电路(3)、数据通道和高频控制模块(5)、DSP处理器系统(6)、数据接口(8)相接，信号变换调理电路(2)与触发功能产生电路(4)、数据通道和高频控制模块(5)、模数转换ADC电路(3)相接，数字信号LCD显示器(7)与DSP处理器系统(6)、信号变换调理电路(2)相接，可充电池(11)、AC-DC电源模块(10)与智能电源切换和分配电路(9)、DSP处理器系统(6)相接。
2、 根据权利要求1所述的一种便携式通用数字存储示波器，其特征在于，所述信号变 换调理电路(2)为外部信号接入保护电路与多通道衰减电路、信号变换电路、目标信号切换 开关电路、内部信号保护和补偿电路、缓冲器电路、触发信号选通电路、AD8564接口电路相 接，触发信号选通电路与选通信号分配电路、AD9288接口电路电连接，执行控制信号接口连 接DSP处理器系统，作用于选通信号分配电路、触发信号选通电路、目标信号切换开关电路 和信号变换电路。
3、 根据权利要求2所述的一种便携式通用数字存储示波器，其特征在于，所述信号变 换电路由交流耦合电路、直流耦合电路、高频抑制电路、低通滤波电路、带通滤波电路、触 发信号选择电路相互电连接组成。
4、 根据权利要求1所述的一种便携式通用数字存储示波器，其特征在于，所述触发功 能产生电路(4)接收触发信号选通电路输出的信号，由信号处理和变换电路、比较器阵列 AD8564、数据通道和高频控制模块(5)的触发脉冲接入端子相连接组成，DSP处理器系统 (6)DAC接口控制比较电平发生电路(DAC)并连接到比较器阵列AD8564作为参考电平，外触发 信号经过外触发信号变换电路连通到比较器阵列AD8564用以产生一种触发脉冲。
5、 根据权利要求1所述的一种便携式通用数字存储示波器，其特征在于，所述模数转换 ADC电路(3)由选通信号分配电路的信号接口、模数转换ADC芯片阵列电路、ADC阵列外围补 偿电路连接构成，ADC阵列芯片工作需要的采样脉冲和控制信号通过采样脉冲和控制信号接 口连接到数据通道和高频控制模块，由其产生并作用到模数转换ADC芯片阵列电路。
6、 根据权利要求1所述的一种便携式通用数字存储示波器，其特征在于，所述基于FPGA 的数据通道和高频控制模块(5)包括采样脉冲和控制信号接口和采样数据通道接口与数据缓 冲处理逻辑模块、同步时钟发生和分配器、眼图数据逻辑模块、数据流算法处理和计算模块、 低速时钟发生和分配器、系统设置信号处理器、编码键盘信号处理器、编码键盘接口依次逻 辑连接，同步时钟发生和分配器作用于触发信号逻辑处理模块，并与数据缓冲处理逻辑模块、 触发脉冲接入端子逻辑互连,数据缓冲处理逻辑模块缓存后的数据流经过数据通道连接到DSP 处理器系统PPI模块功能接口， IIC模块功能接口、 IIC数据通信模块、编码键盘信号处理器 和数据缓冲处理逻辑模块依次逻辑互连，模块功能接口、系统设置信号处理器、触发信号逻 辑处理模块也依次互连。
7、 根据权利要求1所述的一种便携式通用数字存储示波器，其特征在于，所述DSP处理器系统(6)，包括PPI模块功能接口、执行控制信号接口、按键控制端口和电路、复位和保护 电路、实时时钟和电池充电电路、音频录放电路、逻辑加密控制接口、系统设置I/0接口、nc模块功能接口、可扩展显示器接口、 CF卡存储器、可选可扩展的数据通信接口、闪速存 储器、动态存储器和系统时钟电路。
8、 根据权利要求1所述的一种便携式通用数字存储示波器，其特征在于，所述智能电源 切换和分配电路(9)由标准AC-DC电源模块、锂电池充电和检测电路、锂电池、双路电源切换 控制电路、可节约电源开关组、低压电源DC-DC变换芯片组互相电连接组成，它们通过配电 网络连接到各用电单元和模块，DSP处理器发生的执行控制信号作用于电源开关组、双路电源 切换和控制电路、锂电池充电和检测电路。
9、 根据权利要求8所述的一种便携式通用数字存储示波器，其特征在于，所述双路电源 切换控制电路包括外接电源接入检测逻辑电路、锂电池检测电路、延时开关机逻辑电路、切 换控制逻辑电路、切换控制芯片1473、切换开关MOSFET管对、内部保护电路并依次连接到 各DC-DC变换电路，外接电源、锂电池充电控制电路、锂电池、锂电池检测电路依次电连接， 锂电池、切换开关M0SFET管对、切换控制芯片1473、切换控制逻辑电路、外接电源接入检 测逻辑电路和切换开关M0SFET管对依次循环互连。
专利摘要本实用新型公开了一种便携式通用数字存储示波器。无源探头与信号变换调理电路、模数转换ADC电路、数据通道和高频控制模块、DSP处理器系统、数据接口相接，信号变换调理电路与触发功能产生电路、数据通道和高频控制模块、模数转换ADC电路相接，数字信号LCD显示器与DSP处理器系统、信号变换调理电路相接，可充电池、AC-DC电源模块与智能电源切换和分配电路、DSP处理器系统相接。本实用新型采用4片ADC芯片分相交错采样，提高了带宽、降低了成本；外部电源和内置电池可自动切换供电，智能控制电源的分配，功耗低，体积小，各种测试现场手持式使用；单机完成信号处理结果并显示、音频记录和存储输出，可通过数据接口设置和更新程序，是一种便携式通用数字存储示波器。
文档编号G01R13/02GK201053983SQ20062014170
公开日2008年4月30日 申请日期2006年12月29日 优先权日2006年12月29日
发明者刘福仁, 毓 孙, 宗建斌, 徐红启 申请人:徐红启