专利名称：数字示波器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电信号测量领域，特别涉及可以测量模拟电信号的数字示波器。
背景技术：
示波器是观察电信号时常用到的测量装置，示波器可以改变水平档位来改变时基 从而观察波形的细节，也可以改变垂直档位将幅度较小的波形进行放大从而便于观察。数 字示波器(DS0)是近年发展起来的一种先进测量仪器。与传统的模拟示波器相比，数字示 波器具有很多优点，如数字示波器可以进行波形存储、快速傅立叶变换等等。 请参考图l，传统的数字示波器1包括设置在一个电路板10上的一个前端调理电 路11、一个A/D转换器12、一个时钟13和一个控制电路18。控制电路18分别连接到前端 调理电路11和A/D转换器12，时钟13连接到A/D转换器12，A/D转换器12连接前端调理 电路11。 请参照图2，前端调理电路11包括依次连接的一个BNC接口 111、一个衰减电路 112和一个放大电路113。 BNC接口 lll用于接收外部的待测模拟信号。衰减电路112用 于在该待测模拟信号幅值较大时对其进行衰减，使得该待测模拟信号的幅值满足数字示波 器1适合测量的范围，衰减电路112可以是阻容分压网络。放大电路113用于在该待测模 拟信号幅值较小时对其进行放大，使得该待测模拟信号的幅值满足数字示波器1适合测量 的范围，放大电路113包括增益可调整的可变增益放大器。该可变增益放大器一般包括一 个输入端、一个输出端和一个控制端，该输入端用于接收输入信号，该输出端用于输出放大 后的信号，该控制端可以通过D/A转换器、解码器等连接或者直接连接至控制电路18，由控 制电路18控制该可变增益放大器的放大倍数，即增益。 请再参照图l，在时钟13提供的时钟信号的基础上，A/D转换器12对前端调理电 路11输出的待测模拟信号进行采样，获得数字信号形式的多个采样数据。该控制电路18 除了承担对前端调理电路11的衰减、放大的控制外，还承担对该采样数据进行存储、转化 成显示数据，控制显示等工作。控制电路18可以包括一个FPGA14和一个MCU15。控制电路 18可以是由FPGA、CPLD或其他类型的可编程器件构成，也可以是由MCU、CPU、DSP或其他类 型微处理器构成，还可以是可编程器件和微处理器的组合。 请参考图3，该电路板10为一个多层印刷电路板，其包括一个元件层101、一个地 层17和位于该元件层101与地层17之间的绝缘层103。该元件层101根据实际需要可以 设置有多个用于安装元器件的焊盘和多条连接该元器件的导线。该地层17为一个连接参 考电压的金属导体层。该地层17包括一个数字地171、一个模拟地172、一个连接该数字地 171和模拟地172的公共地173以及位于数字地171和模拟地172之间的空地174。 请再参考图1，由于前端调理电路11为模拟电路，因此设置于该电路板10对应模 拟地172的位置。由于时钟13、控制电路18为数字电路，因此设置于电路板10对应数字 地171的位置，使得数字地171为数字电路提供参考电压，模拟地172为模拟电路提供参考 电压。由于该A/D转换器12同时连接有模拟信号和数字信号，因此将A/D转换器12设置在该公共地173上。由于该数字地171的位置上所安装的控制电路18和时钟13都是数字 器件，具有很高的工作频率，这使得该数字地171通常具有较多的高频噪音。为了减小数字 地171中高频噪音对模拟地172的影响，该公共地173通常制作得与A/D转换器12宽度相 同，或略大些，使得该空地174充分长，以隔开数字地171和模拟地172，防止数字地171中 的高频噪音直接流入模拟地172。 由于控制电路18需要输出多个控制信号对该前端调理电路11进行控制，因此多 条信号线16需要从数字地171的位置经过公共地173的位置到达模拟地172的位置。例 如，控制电路18需要通过信号线16控制该可变增益放大器的放大倍数。之所以该信号线 16从该公共地173位置经过而没有从数字地171和模拟地172之间的空地174经过，是因 此对应该信号线16上的从数字地171到达模拟地172的一个电信号，会有一个与其对应的 电流回流从模拟地172回流到数字地171。这样的设计可以尽可能的减小信号线16所对应 的电流回流路径，使电流形成的环路面积最小，从而产生最小的辐射。 然而，该数字示波器1却存在着如下问题 当该信号线16数量较多时，由于该公共地173宽度有限，因此使可以通过的信号 线16数量受到限制。同时，由于信号线16是从A/D转换器12下面或附近通过，而A/D转换 器12的工作频率也非常高，因此该信号线16会受到A/D转换器12的影响而产生很多高频 噪音，进而影响到模拟地172及模拟地172对应位置的电路。尤其是信号线16需要连接到 前端调理电路11中的放大器来控制其增益，因此极其容易使放大器而将所述的噪音放大， 进而使数字示波器1信噪比较低。
实用新型内容为了解决现有技术数字示波器中存在的信噪比较低的问题，本实用新型提供一种 信噪比较高数字示波器。 —种数字示波器，包括一个多层印刷电路板，所述的多层印刷电路板上具有一个
控制电路、一个由所述控制电路控制的、安装在一个屏蔽罩中的、且具有增益放大器的前端
调理电路、一个连接在所述前端调理电路和所述的控制电路之间的A/D转换器，一个与所
述的前端调理电路的安装位置相对应的模拟地，一个与所述的控制电路的安装位置相对应
的数字地， 一个与所述的A/D转换器的安装位置相对应、用于连接所述的数字地和模拟地
的公共地，所述的多层印刷电路板上还具有一个开口 ，所述的开口上跨接有一个用于耦合
数字信号的隔离器，所述的一个开口设置在所述的数字地和模拟地之间，并包围所述的屏
蔽罩朝向所述的控制电路的一个边，所述的开口还使所述的前端调理电路与所述的控制电
路之间间隔所述的开口 ；在所述的开口上，所述的开口上跨接有一个隔离器，所述的前端调
理电路和控制电路之间具有控制信号通过所述的隔离器相互耦合连接。 在本实用新型所述的数字示波器中，因前端调理电路和控制电路之间的控制信号
可以通过所述的隔离器相互耦合连接，不仅减小了A/D转换器对所述的控制信号的干扰，还
减少了所述的数字地对模拟地的高频信号干扰，从而使所述的数字示波器的信噪比较高。
图1是一种传统数字示波器1的结构示意图。[0015] 图2是数字示波器1中前端调理电路11的模块示意图。 图3是数字示波器1中电路板10的立体结构示意图。 图4是本实用新型的一实施方式所选用的数字示波器2的结构示意图。 图5是数字示波器2中前端调理电路21的模块示意图。 图6是数字示波器2中电路板20的一个实施方式的侧面结构示意图。 图7是数字示波器2中电路板20的另一个实施方式的侧面结构示意图。 图8是数字示波器2中电路板20的平面部分结构示意图。 图9是数字示波器2中隔离器253的电路图。 图10是本实用新型的又一实施方式所选用的数字示波器3的结构示意图。
具体实施方式
下面介绍本实用新型数字示波器一较佳实施方式。 请参考图4，数字示波器2为一个双模拟通道数字示波器。数字示波器2包括设 置在一个电路板20上的前端调理电路21、一个A/D转换器22、一个时钟23、一个触发电路 26、一个数模转换模块(DAC)27和一个控制电路28。 请参照图5，前端调理电路21包括一个BNC接口 211、一个衰减电路212和一个放 大电路213。 BNC接口 211用于接收外部的待测模拟信号。 衰减电路212为阻容分压网络，接收来自BNC接口 211输出的信号。在控制电路 28的控制下，衰减电路212可以对输入信号进行衰减。 放大电路213由增益可调整的可变增益放大器组成，接收衰减电路212的输出信
号，在控制电路28的控制下，放大电路213可以对输入的信号进行放大。 请再参照图4，在时钟23提供的时钟信号的基础上，A/D转换器22对前端调理电
路21中放大电路213输出的信号进行采样，将放大电路213输出的模拟信号转换为数字采
样数据。控制电路28除了承担对前端调理电路21的衰减电路212和放大电路213的控制
外，还承担对所述的采样数据进行存储、转化成显示数据，控制显示等工作。 在本实施方式中，控制电路28包括一个现场可编程门阵列(FPGA)24和一个微处
理器(MCU)25。作为另外的举例，控制电路28也可以是由FPGA、CPLD或其他类型的可编程
器件构成，也可以是由MCU、 CPU、 DSP或其他类型微处理器构成，还可以是可编程器件和微
处理器的组合。 在本实时方式中，触发电路26用于接收并判断A/D转换器22接收到的信号是否 符合触发条件，并将判断结果传送至该微处理器25。所述的数模转换模块27用于在微处理 器25的控制下产生多个模拟电压，提供给前端调理电路21，用做参考电压、控制电压或用 于为示波器2校准的校准电压。 在本实施方式中，请参考图6，电路板20为一个两层印刷电路板，其包括一个元件 层201、一个地层29和位于该元件层201与地层29之间的绝缘层203。元件层201根据实 际需要可以设置有多个用于安装元器件的焊盘和多条连接该元器件的导线。地层29为一 个金属导体层，用于为该元器件提供参考电压。 作为另外的举例，请参考图7，电路板20还可以为一个任意层的多层印刷电路板，例如还可以为一个四层印刷电路板，其包括依序层叠排列的一个第一元件层201、一个第二 元件层202和一个第三元件层203，该四层印刷电路板还包括一个位于第一元件层201与第 二元件层202之间的地层29、一个位于第一元件层201与地层29之间的第一绝缘层203、 一个位于第二元件层202与地层29之间的第二绝缘层204和一个位于第二元件层202与 第三元件层203之间的第三绝缘层205。 在本实施方式中，请再参考图4，该地层29包括相互连接的一个模拟地291、一个 数字地292和一个连接模拟地291和数字地292的公共地293。地层29的模拟地291和数 字地292之间具有一个开口 297，该开口 297呈直条狭缝形状。模拟地291上对应安装有前 端调理电路21、触发电路26和数模转换模块27，数字地292上对应安装有时钟23、门阵列 24和微处理器25。 A/D转换器22对应安装在公共地293上，且公共地293的面积大于A/D 转换器22所具有的面积。 在本实施方式中，模拟地291用于为对应模拟地291的电路提供参考电压，数字地 292用于为对应数字地292的电路提供参考电压，公共地293用于为A/D转换器22提供参 考电压。 在本实施方式中，前端调理电路21、触发电路26和数模转换模块27由模拟电源 281供电，时钟23、A/D转换器22、门阵列24和微处理器25由数字电源282供电，对于数字 地292和模拟地291上的电路采用不同的电源281、282进行供电，用于减小相互间的干扰。 在本实施方式中，请参照图8，为了减小外界环境对前端调理电路21的干扰，前端 调理电路21是设置在一个金属屏蔽罩211内。而金属屏蔽罩211设置在靠近电路板20边 缘213处。开口 297 —端与所述的电路板的边缘213相接，另一端则连接公共地293。开 口 297长度大于屏蔽罩211朝向控制电路28的边231，使开口 297包围边231。由于前端 调理电路21中具有放大电路，因此微小的高频噪音都会被放大，从而影响数字示波器2的 信噪比。微处理器25是产生高频噪音最为严重的元件，通常，该高频噪音会通过该地层29 沿最短直线路径298方向的路径传播而影响前端调理电路21。因此，当该开口 297间隔于 前端调理电路21与微处理器25之间时，就会有效的阻断微处理器25产生的高频噪音对前 端调理电路21的影响。 请再参照图4，该电路板20对应数字地292的部分设置有多条信号线251，对应模 拟地291的部分设置有多条信号线252，对应该开口 297的位置上安装有一个隔离器253。 隔离器253的输入端和输出端分别安装在开口 297的两侧，在本实施例中，所述的输出端安 装在模拟地291的区域内，所述的输入端安装在数字地292的区域内。信号线251 —端与 微处理器25相连，另一端与隔离器253的所述的输入端相连；多条信号线252 —端分别与 前端调理电路21相连接，例如，结合参考图5和图4，信号线252 —端分别与前端调理电路 21的放大电路213相连接，另一端与隔离器253相连。该电路板20还设置有信号线256， 信号线256依次经过数字地292、公共地293到达模拟地291。信号线256的一端与微处理 器25相连，另一端则与前端调理电路21中的衰减电路212相连。在本实施例中，微处理器 25依序通过信号线251、隔离器253、信号线252向前端调理电路21中的放大电路213传 递放大控制信号，还通过信号线256向前端调理电路21中的衰减电路212传递衰减控制信 号。 在本实施例中，请参考图9，该隔离器253由两片单向双路施密特触发缓冲芯片U1、U2连接构成，例如是TI公司生产的SN74LVC2G17型芯片。每一个芯片Ul或U2包括两 个输入端1A、2A、两个输出端1Y、2Y、一个电源端AVCC和一个接地端GND。隔离器253可以 实现四路数字信号的隔离缓冲。在本实施例中，信号线251分别连接至该输入端1A、2A，信 号线252分别连接至该输出端1Y、2Y，两个芯片U1、U2的电源端AVCC连接到模拟电源281， 两个芯片Ul、 U2的接地端GND连接到模拟地291。芯片Ul、 U2均具有两个阈值电压，分别 为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使输出状态 发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使输 出状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。 请一并参照图4和图9，由微处理器25发出的放大控制信号进入芯片U1的输入端 1A，该放大控制信号的电平如果高于一个正向阀值电压则输出端1Y输出一个第一电平，该 放大控制信号的电平如果低于一个负向阀值电压则输出端1Y输出一个第二电平，这样，放 大控制信号的高电平对应输出为第一电平，低电平对应输出为第二电平，输出的第一电平 和第二电平重现了该放大控制信号而不包含该放大控制信号中的噪音，因此便可以将该放 大控制信号的噪音去除。输出端1Y输出的信号传送到前端调理电路21，用于控制前端调理 电路21。 在本实施方式中，由于，隔离器253使输入信号与输出信号相互隔离，且隔离器 253采用模拟电源281供电，因此，数字地292上的噪音信号不会影响模拟地291，从而，改 善了数字示波器2的信噪比。 另外，由于该模拟电源281、模拟地291噪音较小，因此可以保证该隔离器253尽可 能少的引入噪音。例如通过该信号线251输入的数字控制信号的噪音峰峰值在100mV卯，经 过隔离器253后，输出的数字控制信号上的噪音峰峰值降低到10mVpp，大大减小了干扰。 作为另外的举例，通过隔离器253传输的数字信号还可以是用于控制前端调理电 路21中其他的部件或器件的控制信号以及数据信号，其原理与放大控制信号相同，这里不 再赘述。 作为另外的举例，由模拟地291传输到数字地292的数字信号也可以通过隔离器 253来传输。 作为另外的举例，根据所需控制信号的多少，如根据信号线251的数量，即控制信 号的数字位数、控制信号的路数，隔离器253可以仅由一片施密特触发芯片组成，也可以是 由多片施密特触发芯片， 作为另外的举例，隔离器253还可以选用比较器来构成，或者采用与门、非门等逻 辑门电路构成，或者可以选用光耦合器、磁耦合器和变压器之一，或者其组合。其中，采用比 较器或逻辑门电路具有电路简单、实用、成本低的优势，更适合应用于控制信号的耦合，相 对而言，采用光耦合器、磁耦合器或变压器则成本较高。 作为另外的举例，由隔离器253输出的信号线252还可以是经过解码器、数模转换 器或开关矩阵或电阻等部件连接到前端调理电路21。 在本实施例中，数字示波器2，请参考图4，由于数字信号通过隔离器253从数字地 292到达模拟地291，因此一方面可以使得数字地292与模拟地291之间的走线不必局限于 从A/D转换器22下面经过，设计自由度较高；另一方面由于隔离器253具有隔离缓冲效果， 可以减小高频噪音和电流回流形成的环路面积，从而使得辐射也较小。[0050] 请参考图IO，作为一个变形实施方式，数字示波器3具有四个模拟通道，其包括四 个前端调理电路31a、31b、31c、31d、两个A/D转换器32a和32b、一个控制电路38和一个时 钟33。 A/D转换器32a和32b中的每一个内部都具有两个A/D转换电路，使得A/D转换器 32a和32b中的每一个都可以对两路模拟信号进行采样。控制电路38包括两个现场可编程 门阵列34a、34b和一个微处理器35。前端调理电路31a、31b分别连接到A/D转换器32a， 前端调理电路31c、31d分别连接到A/D转换器32b。时钟33分别连接到A/D转换器32a和 32b。 A/D转换器32a连接到门阵列34a， A/D转换器32b连接到门阵列34b。门阵列34a、 34b连接到微处理器35。 A/D转换器32a中的两个A/D转换电路分别对前端调理电路31a、 31b所接受的两路模拟待测信号进行采样，并将获得的采样数据传送给门阵列34a进行处 理。A/D转换器32b中的两个A/D转换电路分别对前端调理电路31c、31d所接受的两路模 拟待测信号进行采样，并将获得的采样数据传送给门阵列34b进行处理。经过门阵列34a、 34b处理以后的采样数据送至微处理器35形成显示数据。 在本实施例中，前端调理电路31a 31d中的每一个除了包括一个BNC接口 、一个 衰减电路和一个放大电路外，还包括一个触发电路36 。包括触发电路36在内的前端调理电 路31a 31d被安装在一个金属屏蔽罩311内，屏蔽罩311具有四个独立的空腔，前端调理 电路31a 31d分别对应的安装在四个空腔内，使四个前端调理电路31a 31d相互之间 实现电磁屏蔽。 电路板30的地层39具有一个模拟地391、一个数字地392、一个公共地393和一 个开口 397，公共地393和开口 397位于模拟地391和数字地392之间。公共地393 —端与 电路板30的边301相接，另一端与开口 397的一段相接，而开口 397的另一端与电路板30 的另一个边302相接。模拟地391相邻两边与电路板30两个边缘301 、302相接，另外相邻 两边分别与公共地393和开口 397相接。 前端调理电路31a 31d及屏蔽罩311对应安装在模拟地391上，A/D转换器32a 和32b对应安装在公共地393上，门阵列34a、34b、时钟33、微处理器35对应安装在数字地 392上。屏蔽罩311的一个边331朝向公共地393，另一个边332朝向微处理器35。开口 397长度大于屏蔽罩311的边332，使开口 397包围边332。 开口 397上跨接有一个隔离器353，隔离器353的输入端和输出端分别安装在开 口 397的两侧，在本实施例中，所述的输出端安装在模拟地391的区域内，所述的输入端安 装在数字地392的区域内。信号线351 —端与微处理器35相连，另一端与隔离器353的所 述的输入端相连；信号线352 —端与前端调理电路31a 31d相连接，另一端与隔离器353 相连。
权利要求一种数字示波器，包括一个多层印刷电路板，所述的多层印刷电路板上具有一个控制电路、一个由所述控制电路控制的、安装在一个屏蔽罩中的、且具有增益放大器的前端调理电路、一个连接在所述前端调理电路和所述的控制电路之间的A/D转换器，一个与所述的前端调理电路的安装位置相对应的模拟地，一个与所述的控制电路的安装位置相对应的数字地，一个与所述的A/D转换器的安装位置相对应、用于连接所述的数字地和模拟地的公共地，其特征在于所述的多层印刷电路板上具有一个开口，所述的开口上跨接有一个用于耦合数字信号的隔离器，所述的开口设置在所述的数字地和模拟地之间，并包围所述的屏蔽罩朝向所述的控制电路的一个边，所述的开口还使所述的前端调理电路与所述的控制电路之间间隔所述的开口；所述的前端调理电路和控制电路之间具有控制信号通过所述的隔离器相互耦合连接。
2. 根据权利要求1所述的数字示波器，其特征在于所述的开口的一端连接所述的公 共地，另一端与所述的电路板的边缘相接。
3. 根据权利要求2所述的数字示波器，其特征在于所述的控制电路的一个控制信号 通过所述的隔离器传送到所述的前端调理电路中的增益放大器。
4. 根据权利要求1所述的数字示波器，其特征在于所述的控制电路由FPGA或其他类 型的可编程器件构成。
5. 根据权利要求1所述的数字示波器，其特征在于所述的控制电路由DSP或其他类型微处理器构成。
6. 根据权利要求1所述的数字示波器，其特征在于进一步包括一个与所述的隔离器 和所述的前端调理电路连接的模拟电源，所述的隔离器的公共端连接所述的模拟地。
7. 根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的数字示波器，其特征在于所述的隔离器由门 电路构成。
8. 根据权利要求7所述的数字示波器，其特征在于所述的隔离器是施密特触发器。
9. 根据权利要求8所述的数字示波器，其特征在于所述的隔离器为TI公司生产的 SN74LVC2G17型芯片。
10. 根据权利要求7所述的数字示波器，其特征在于所述的隔离器的输入端和输出端 分别安装在所述的开口的两侧，隔离器的输入端和输出端的安装位置的对应位置上设置有 数字地或模拟地。
专利摘要本实用新型公开了一种数字示波器2，包括一个多层印刷电路板20，其具有控制电路28、由所述控制电路28控制的、安装在屏蔽罩中的、且具有增益放大器的前端调理电路21、A/D转换器22，与前端调理电路21的安装位置相对应的模拟地291，与控制电路28的安装位置相对应的数字地292，与A/D转换器22的安装位置相对应、用于连接数字地292和模拟地291的公共地293，一个开口297设置在数字地292和模拟地291之间，开口297包围屏蔽罩朝向控制电路的一个边，使前端调理电路21与控制电路28之间间隔开口297，开口297上跨接有一个隔离器253，前端调理电路21和控制电路28之间具有控制信号通过隔离器253相互连接。
文档编号G01R13/02GK201540324SQ20092024655
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