专利名称：具有等效采样功能的数字示波器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种显示电变量或波形的装置，特别涉及数字示波器。
背景技术：
数字示波器是一种常用的测量装置，与模拟示波器不同，数字示波器通过模数转 换器把被测量转换为数字信息。它捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限 度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止。随后，数字示波器重构波形。数字示波器的 最大优点之一是它能够存储波形，随后再做观察。数字示波器分为数字存储示波器、数字荧 光示波器和采样示波器。 采样在数字示波器中是非常重要的，采样是为了方便存储、处理或显示，把部分输 入信号转变为许多离散电信号的过程。采样与抓拍类似，每一个瞬间图像代表波形上某一 时刻的特定点，这些瞬间图像按照时间顺序排列起来，就能够重构输入信号。现在的数字示 波器采用两种基本的采样方式实时采样和等效采样。对于频率范围在示波器最大采样频 率一半以下的信号，实时采样是理想的方式，此时，通过一次"扫描"波形，示波器就能获得 足够多的点，重构精确的图像。当信号频率超过示波器采样频率的一半时，等效采样可以精 确捕获这些信号。为构建重复信号的图像，在每一个重复期内，等效采样只采集少量的信 息，波形逐渐累积而成，等效采样通过如此多次采样，把在信号的不同周期中采样得到的数 据进行重组，从而重建原始的信号波形。 等效采样过程中，需要计算等效采样时每次采样的触发点和采样点的间隔时间， 根据这个时间间隔，将多次采样的数据重新进行排列，排列后的数据送给控制电路，进行存 储和显示。这个时间很短，很难直接测量，通常将这个短时间转换为窄脉冲形式，通过窄脉 冲放大电路将这个窄脉冲进行放大，计算放大后的脉冲宽度，根据放大倍数，就可以推出原 有窄脉冲的宽度，从而得到这个时间间隔。 参照图l，现有技术的数字示波器包含窄脉冲放大电路ll，控制电路12，窄脉冲放 大电路11的输出端连接控制电路12 。窄脉冲放大电路11包括计数器模块111、乘法器112、 计数器输出模块113、单稳态触发模块114。计数器模块111、乘法器112、计数器输出模块 113依次串联，计数器输出模块113用于复位单稳态触发器114。 计数器模块111在输入窄脉冲的高电平或者低电平时用一个高频时钟进行计数， 窄脉冲的宽度等于计数个数乘以计数时钟的周期。然后将计数的个数乘以窄脉冲的周期， 输入到计数器输出模块113，计数器输出模块113用于复位单稳态触发器114，单稳态触发 器114在输入窄脉冲的第一个沿触发置位，在计数器输出模块113的溢出位进行复位，从而 输出一个宽度放大后的脉冲。对于窄脉冲宽度较小的信号，计数器模块111可以采用固定 相位差的多路时钟进行计数，然后取平均值的做法提高分辨率。窄脉冲放大电路11可以用 数字逻辑器件构成，也可以使用FPGA或CPLD完成，控制电路可以由CPU、 MCU构成，也可以 由CPU与FPGA、 DSP组合构成或MCU与FPGA、 DSP组合构成。 现有技术存在以下的一些问题计数时钟需要小于窄脉冲的宽度，否则无法计数。对于宽度特别小的窄脉冲，就需要提供很高的计数时钟，而这个时钟还受到逻辑器件的限 制，从而很难测量非常窄的脉冲，比如小于Ins的情况。脉冲放大倍数由乘法器构成，无法 实现灵活的调整。脉冲靠计数时钟进行计数，对脉冲宽度的分辨率不高。逻辑设计复杂，如 果测量很窄的脉冲，需要选择I/O频率很高的逻辑器件或FPGA、 CPLD，成本较高。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是解决现有技术的不足，提供一种具有等效采 样功能的数字示波器。 为解决上述技术问题，本实用新型提供的数字示波器，包括一窄脉冲放大电路、一
用于根据窄脉冲放大电路输出的脉冲信号计算窄脉冲宽度的控制电路。所述的窄脉冲放大
电路具有一充电电流源、一受窄脉冲控制开关的放电电流源、一采样电容和一比较电路；所
述的充电电流源用于恒定向所述的采样电容提供一充电电流，所述的充电电流由所述的控
制电路指定；所述的受窄脉冲控制开关的放电电流源在窄脉冲到来时向所述的采样电容提
供一大于所述的充电电流的放电电流；所述的比较电路依据采样电容上的电压是否超出阈
值电压，向所述的控制电路输出脉冲信号。 所述放电电流至少比所述充电电流大50倍。 所述受窄脉冲控制开关的放电电流源可以由开关电路和放电电流源组成。 所述开关电路可以是差分输入的。 所述开关电路可以由一个三极管构成；所述三极管的发射极连接所述放电电流源 的输出端。
所述开关电路可以由第一三极管和第二三极管组成；所述第一三极管和第二三极 管的发射极相互连接后与所述放电电流源的输出端相连接，所述第一三极管的集电极连接 电源，所述第二三极管的集电极连接所述充电电流源的输出端。 所述开关电路可以由集成双二极管HFA3134构成。 所述比较电路可以由第一电容、第三三极管、第四三极管、第六三极管和集成双二 极管组成；所述第一电容一端接地，另一端连接第四三极管的基极；所述第四三极管的集 电极连接第六三极管的基极；所述集成双二极管连接在第三三极管基极和第四三极管基极 之间；所述比较电路的输入端是第三三极管的基极和第四三极管的基极，输出端是第六三 极管的基极。 所述比较电路可以由第一电容、第三三极管、第四三极管、第五三极管、第六三极 管和集成双二极管组成；所述第一电容一端接地，另一端连接第四三极管的基极；所述第 三三极管的集电极连接第五三极管的基极；所述第四三极管的集电极连接第六三极管的基 极；所述集成双二极管连接在第三三极管基极和第四三极管基极之间；所述比较电路的输 入端是第三三极管的基极和第四三极管的基极，输出端是第五三极管的基极和第六三极管 的基极。 所述比较电路可以是集成比较器芯片ADCMP605BCPZ。 本实用新型与现有技术相比有如下有益效果本实用新型能够对非常窄的脉冲进 行放大，能够分辨的最窄脉冲取决于开关电路的速度，可以选择高频的开关三极管，最短脉 冲时间可以小于lns。脉冲宽度的放大倍数可以灵活调整，通过改变充电电流，可以校准到一个需要的固定倍数上，不需要可编程逻辑或软件的参与，完全由硬件电路完成。电路性能 只由其中几个器件决定，可以根据窄脉冲的宽度进行灵活的器件调整，其余器件可以选择 普通的器件，降低了成本。
图1是现有技术数字示波器1的原理说明图 图2是本实用新型数字示波器2的的原理说明图 图3是本实用新型的具体实施例1的原理图 图4是本实用新型的具体实施例2的原理图 图5是本实用新型的具体实施例3的原理图 图6是本实用新型电容充放电电压波形图 图7是本实用新型脉冲放大示意图
具体实施方式
以下结合附图说明本实用新型的具体实施方式
。
实施例1 : 参照图2，数字示波器2包括窄脉冲放大电路21和控制电路22，窄脉冲放大电路 21的输出端连接控制电路22。 窄脉冲放大电路21由充电电流源211、受窄脉冲控制开关的放电电流源212、采样 电容213，比较电路214组成；充电电流源211用于恒定地对采样电容213充电，充电电流 为11 ，受窄脉冲控制开关的放电电流源212用于对采样电容213放电，放电电流为12，且12 > Il，采样电容213上的电压与一阈值电压经过比较电路214，向控制电路22输出一宽脉 冲信号。 参照图3，在本实施例中，受窄脉冲控制开关的放电电流源212由开关电路2121和 放电电流源2122组成。开关电路2121由三极管Q2构成，三极管Q2的发射极连接放电电 流源2122的输出端。比较电路214包括电容C4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7和集成双 二极管Q8 ;电容C4 一端接地，另一端连接三极管Q6的基极；三极管Q6的集电极连接三极 管Q7的基极；集成双二极管Q8连接在三极管Q5基极和三极管Q6基极之间；比较电路214 的输入端是三极管Q5的基极和三极管Q6的基极，输出端是三极管Q7的基极。再参照图2 和图3，控制电路22分别与CTL端、OUT端相连接。 在本实施例中，输入信号为单端输入信号，工作过程如下首先设定一个恒定地充 电电流11 ，控制电路22控制CTL的电压，使流过电阻R3的电流变化，从而使三极管Q3集电 极电流变化，从而改变三极管Ql基极电压，进而改变充电电流II。三极管Q3基极接固定电 平VL，射极电平为VL-O. 7V，从而放电电流源基极电压固定，使放电电流12固定。窄脉冲控 制开关电路2121中的三极管Q2进行开关，其中R1、R2为三极管Q2基极提供一个静态工作 电压，当窄脉冲没来时，三极管Q2截止，充电电流II对采样电容213充电；窄脉冲到来时， 三极管Q2饱和导通，放电电流12对采样电容213放电，由于12远远大于Il，放电过程非常 短，近似可以忽略充电电流Il ;当脉冲过去后，三极管Q2截止，充电电流Il继续对采样电 容213充电，直到下一次脉冲到来。[0033] 对采样电容213充电时，将采样电容213充满电荷需要时间为T1，对采样电容213 放电时，将采样电容213的电荷放光，需要时间为T2。本实施例中，放电电流12至少比充 电电流II大50倍，因此充电电流可以忽略，由此可以知道T1 >> T2，T1/T2 " 12/11。充 放电的过程在采样电容213上形成如图6所示的充放电电压波形，放电时间T2远远小于 充电时间Tl。将该波形和阈值电压VL进行比较，就可以得到一个脉冲，该脉冲就是放大后 的脉冲。比较电路214的输出脉冲的宽度和采样电容213上充放电时间的关系如图7所 示，假设阈值电压VL为采样电容213充满电电压的a倍，则比较电路214输出脉冲宽度为 aX (Tl+T2)，由于T2 << Tl，输出脉冲宽度近似为aXTl。这样输出脉冲宽度和输入窄脉 冲宽度的比为aXTl/T2，即为本脉宽放大电路的放大倍数。阈值电压VL为一恒定值，可以 通过调节充电电流11 ，来调节Tl的大小，进而改变放大倍数。 在实际测量的过程中，首先从IN端输入一个已知宽度的脉冲，请参照图2和图3， 控制电路22控制CTL端调节充电电流11 ，控制电路22测量放大后的脉冲宽度，计算放大倍 数，使放大倍数固定。放大倍数确定下来后，再从IN端输入未知的窄脉冲，输出宽脉冲，这 个输出的宽脉冲可以由控制电路22测量，放大倍数已知，从而计算出未知窄脉冲的宽度。 实施例2 :参照图4，在本实施例中，受窄脉冲控制开关的放电电流源212由开关 电路2121和放电电流源2122组成。开关电路2121包括三极管Q10和三极管Qll ;三极管 Q10和三极管Qll的发射极相互连接后与放电电流源2122的输出端相连接，三极管Q10的 集电极连接电源，三极管Qll的集电极连接充电电流源211的输出端。比较电路214包括 电容C5、三极管Q12、三极管Q13、三极管Q14、三极管Q15和集成双二极管Q16 ;电容C5 — 端接地，另一端连接三极管Q13的基极；三极管Q12的集电极连接三极管Q14的基极；三极 管Q13的集电极连接三极管Q15的基极；集成双二极管Q16连接在三极管Q12基极和三极 管Q13的基极之间；比较电路214的输入端是三极管Q12的基极和三极管Q13的基极，输出 端是三极管Q14的基极和三极管Q15的基极。再参照图2和图4，控制电路22分别与CTL 端、OUT_P端，OUT_N端相连接。 在本实施例中，输入信号为差分输入信号，请参照图2和图4，控制电路22控制 CTL，产生一个恒定的充电电流11 。差分信号控制两个三极管Q10和Ql 1 ，由于三极管Q10和 三极管Qll控制反向，使得放电电流源2122的放电电流12稳定。输入的窄脉冲信号用于 开关开关电路2121，使用其中一路IN—P控制采样电容213的放电。当窄脉冲到来时，三极 管Q2饱和导通，放电电流源2122连接到采样电容213上，放电电流12对采样电容213放 电。在窄脉冲之后，三极管Qll截止，开关电路2121关闭，只有充电电流源211连接到电容 上，充电电流II对采样电容213充电，直到下一次脉冲到来。 实施例2中控制电路22对窄脉冲的测量过程及对充电电流II的控制过程与实施 例l相同。 实施例3 :参照图5，在本实施例中，受窄脉冲控制开关的放电电流源212由开关 电路2121和放电电流源2122组成。开关电路2121选用了集成双三极管U1， Ul的型号是 HFA3134，集成双三极管U1开关频率能够达到8. 5GHz，能够实现对更窄脉冲的放大。比较电 路214选用了集成比较器芯片U2， U2的型号是ADCMP605，集成比较器芯片U2的输入端是 第4管脚和第6管脚，输出端是第10管脚和第12管脚。采样电容213连接到集成比较器 芯片U2的第6管脚，阈值电压VL连接到集成比较器芯片U2的第4管脚。再参照图2和图5，控制电路22分别与CTL端、0UT_P端，0UT_N端相连接。 在本实施例中，输入信号为差分输入信号，差分信号控制集成双三极管Ul，由于集 成双三极管U1内部控制反向，使得放电电流源2122的放电电流I2稳定。请参照图2和图 5，控制电路22控制CTL，产生一个恒定的充电电流I1。输入的窄脉冲信号用于开关开关电 路2121 ，使用其中一路IN_P控制采样电容213的放电。当窄脉冲到来时，放电电流源2122 连接到采样电容213上，放电电流12对采样电容213放电。在窄脉冲之后，关闭开关电路 2121，只有充电电流源211连接到采样电容213上，充电电流II对采样电容213充电，直到 下一次脉冲到来。 实施例3中控制电路22对窄脉冲的测量过程及对充电电流II的控制过程与实施 例l相同。 作为举例说明，上述的比较电路214可以选用其它型号集成比较器芯片。 作为举例说明，上述的开关电路2121可以选用其它型号集成双三极管。
权利要求一种具有等效采样功能的数字示波器，包括一窄脉冲放大电路、一用于根据窄脉冲放大电路输出的脉冲信号计算窄脉冲宽度的控制电路，其特征在于所述的窄脉冲放大电路具有一充电电流源、一受窄脉冲控制开关的放电电流源、一采样电容和一比较电路；所述的充电电流源用于恒定向所述的采样电容提供一充电电流，所述的充电电流由所述的控制电路指定；所述的受窄脉冲控制开关的放电电流源在窄脉冲到来时向所述的采样电容提供一大于所述的充电电流的放电电流；所述的比较电路依据采样电容上的电压是否超出阈值电压，向所述的控制电路输出脉冲信号。
2. 根据权利要求1所述的数字示波器，其特征在于所述放电电流至少比所述充电电 流大50倍。
3. 根据权利要求1所述的数字示波器，其特征在于所述受窄脉冲控制开关的放电电 流源由开关电路和放电电流源组成。
4. 根据权利要求3所述的数字示波器，其特征在于所述开关电路是差分输入的。
5. 根据权利要求3所述的数字示波器，其特征在于所述开关电路由一个三极管构成； 所述三极管的发射极连接所述放电电流源的输出端。
6. 根据权利要求3所述的数字示波器，其特征在于所述开关电路包括第一三极管和 第二三极管；所述第一三极管和第二三极管的发射极相互连接后与所述放电电流源的输出 端相连接，所述第一三极管的集电极连接电源，所述第二三极管的集电极连接所述充电电 流源的输出端。
7. 根据权利要求3所述的数字示波器，其特征在于所述开关电路由集成双二极管 HFA3134构成。
8. 根据权利要求1所述的数字示波器，其特征在于所述比较电路包括第一电容、第 三三极管、第四三极管、第六三极管和集成双二极管；所述第一电容一端接地，另一端连接 第四三极管的基极；所述第四三极管的集电极连接第六三极管的基极；所述集成双二极管 连接在第三三极管基极和第四三极管基极之间；所述比较电路的输入端是第三三极管的基 极和第四三极管的基极，输出端是第六三极管的基极。
9. 根据权利要求1所述的数字示波器，其特征在于所述比较电路包括第一电容、第 三三极管、第四三极管、第五三极管、第六三极管和集成双二极管；所述第一电容一端接地， 另一端连接第四三极管的基极；所述第三三极管的集电极连接第五三极管的基极；所述第 四三极管的集电极连接第六三极管的基极；所述集成双二极管连接在第三三极管基极和第 四三极管基极之间；所述比较电路的输入端是第三三极管的基极和第四三极管的基极，输 出端是第五三极管的基极和第六三极管的基极。
10. 根据权利要求1所述的数字示波器，其特征在于所述比较电路为集成比较器芯片 ADCMP605BCPZ。
专利摘要本实用新型公开了一种具有等效采样功能的数字示波器，其包括窄脉冲放大电路21和用于根据窄脉冲放大电路输出的脉冲信号计算窄脉冲宽度的控制电路22。窄脉冲放大电路21具有充电电流源211、受窄脉冲控制开关的放电电流源212、采样电容213和比较电路214。充电电流源211用于恒定向采样电容213提供充电电流，所述的充电电流由控制电路22指定；受窄脉冲控制开关的放电电流源212在窄脉冲到来时向采样电容213提供一大于所述的充电电流的放电电流；比较电路214依据采样电容213上的电压是否超出阈值电压，向控制电路22输出脉冲信号。本实用新型能够对非常窄的脉冲进行放大和测量，模块由简单硬件电路构成，降低了成本。
文档编号G01R13/02GK201540323SQ200920246550
公开日2010年8月4日 申请日期2009年11月2日 优先权日2009年11月2日
发明者李维森, 王悦, 王铁军 申请人:北京普源精电科技有限公司