專利名稱：一種便攜式通用數字存儲示波器的制作方法
技術領域：
一種便攜式通用數字存儲示波器
枝米領域
本實用新型涉及一種示波器，尤其涉及一種便攜式通用數字存儲示波器。
背景技術：
科學技術發展促使高技術產業迅速崛起，創造了極高的商業價值和巨大的經濟效益，產 品中的科技含量越來越高。各種鑒別和測試用的科學儀器，也是保障國家持續發展的先決條
件之一。
示波器在當今電子測量儀器中是最基本、最通用和首要的電子儀器，應用行業和范圍極 為廣泛；示波器可觀察相對于時間的瞬時電壓，它可顯示波形的形狀并可測量頻率和相位等 參數。示波器是技術密集、知識密集型產品，是電子測量儀器中最為通用的儀器之一，是所 有電子產品科研、生產、試驗、維修的基本條件和手段，由于其用途的多樣性、適宜性和必 要性，被廣泛地應用于廣闊的電子和電氣測量領域，比如電力、電子、生產制造、材料和結 構、建筑、航天航空、生物醫學、國防工業等，是許多重大工程配套和經濟建設不可缺少的 重要組成部分。尤其在需要觀察電路電壓、電流的波形，和調試、分析、判斷電路故障的場 所，示波器一般是必備的；示波器和一些適當的傳感器等配合，還可以觀察一些非電量的變 化。
目前市場上存在的示波器， 一般把目標定位在產品的高性能和強大功能的競爭優勢上， 造成市'場上的模擬及數字示波器一般價格高昂、體積較大且很多專業功能并不太實用。更便 宜、更快、更方便使用的示波器成為當今市場銷售的主流，現場工程師需要借助具有各種功 能的、方便實用、小巧隨手的測試工具，來驗證和解決越來越多的高復雜性問題。眾所周知， 小波器是在現場進行測試的重要工具，沒有哪個工程師愿意抬著一臺示波器和一堆電源到現 場，于是，可以觀察復雜動態波形的便攜式數字存儲示波器就應運而生；另外，雖然國外已 經有了一些體積較小的高端手持儀器，但價格高昂，不利于推廣。 發明內容
本實用新型的目的是克服現有示波器存在的上述缺點和不足，提供一種便攜式通用數字 存儲示波器。
便攜式通用數字存儲示波器無源探頭與信號變換調理電路、模數轉換ADC電路、數據
通道和高頻控制模塊、DSP處理器系統、數據接口相接，信號變換調理電路與觸發功能產生 電路、數據通道和高頻控制模塊、模數轉換ADC電路相接，數字信號LCD顯示器與DSP處理 器系統、信號變換調理電路相接，可充電池、AC-DC電源模塊與智能電源切換和分配控制電 路、DSP處理器系統相接。
本實用新型具有的有益效果
本實用新型在功能電路上全部電子電路技術設計，幾乎不采用分離的機械器件，大大縮
小了體積；采用4片經濟高效的ADC芯片對同一信號進行高速采樣，成本低、功耗小；FPGA 芯片可以完成復雜的數據邏輯處理功能，帶有高速并行數據口的雙核DSP芯片ADSP561具有 強大的系統控制和數字信號處理功能，大大增強了系統控制和信號處理能力；儀器配備各種 數據通信接口，也可以制成嵌入式結構，配置在各種大型測量系統上，可以以較低的成本、 較小的體積實現配置靈活的智能儀器組合。
實現了 AC-DC電源模塊與內置電池之間自動切換供電的功能，單機完成采樣和數字信號 處理工作，具有方便的數據記錄、數據標示(特征值和音頻等:)和數據存儲功能，數據通信 接口多，特別適合于現場測試和設備調試；本示波器體積小、重量輕、便于隨手攜帶，凡需 要測量、調試和檢修的場合，都可以方便使用。
由于本示波器經常隨手操作使用，在結構和布局上力求緊湊，對各組成模塊嚴格測試和 分析以避免各種紕漏和干擾損害，安全設計也優先考慮，并實施了系統散熱分析和設計，測 量性能得到了可靠的驗證和保障。
本實用新型實現了類似的典型示波器的結構和功能，并且具有很高的性能價格比，特別 適應于當代科學技術迅速發展和科學研究不斷深化所提出的"更高更新更快"的測量需求， 因此具有良好的市場前景。
圖1是示波器的基本結構原理圖2是便攜式通用數字存儲示波器電路框圖3是本實用新型的信號變換調理電路框圖4是本實用新型的多通路衰減電路圖5是本實用新型的觸發信號產生電路框圖6是本實用新型的模數轉換ADC電路框圖7是本實用新型的數據通道和高頻控制模塊的邏輯功能原理圖8是本實用新型的數據通道和高頻控制模塊的電路框圖9是本實用新型的觸發信號邏輯處理模塊的邏輯電路圖10是本實用新型的數據緩沖處理邏輯模塊的邏輯電路圖11是本實用新型的DSP處理器系統功能電路框圖12是本實用新型的智能電源切換和分配電路框圖13是本實用新型的雙路電源切換控制電路框圖14是本實用新型的采樣和數據處理流圖15是本實用新型的軟件流程圖。
具體實施方式
通用示波器依靠高輸入阻抗來顯示和測量信號波形，顧名思義，它不只適合于觀察某一 特定類別的電子信號，而是可以按照一定的方式觀察和測量從直流到交流、具有一定大電壓 幅度的數字和模擬信號的一種裝置。為了實現這些目標，目前市場上存在的示波器設計復雜、
面面俱到，而且從結構上來說， 一般要采用一些機械電子類控制和調節部件，體積相對龐大、 還有功耗和干擾等問題，都導致低成本、便利實用、小巧隨手的測試工具很難面世推廣。因 此，本實用新型改變了傳統示波器的設計思路，實現了通用示波器的低功耗設計，創新了一
種可在AC-DC電源模塊與內置電池之間自動切換供電的電路功能，方便于各種戶內、戶外測
量應用；它主要采用現代的集成電路構成儀器的各個主要組成部分，針對通用示波器的信號 測量特征，靈巧設計信號變換和調理電路，配合電路補償和安全處理技術，在保證性能指標 的前提下，研制出低成本、體積小和重量輕的通用的數字存儲示波器。
如圖1、 2所示，便攜式通用數字存儲示波器內部模塊的連接關系為無源探頭1與信號
變換調理電路2、模數轉換ADC電路3、數據通道和高頻控制模塊5、 DSP處理器系統6、數 據接口8相接，信號變換調理電路2與觸發功能產生電路4、數據通道和高頻控制模塊5、模 數轉換ADC電路3相接，數字信號LCD顯示器7與DSP處理器系統6、信號變換調理電路2 相接，可充電池ll、 AC-DC電源模塊10與智能電源切換和分配電路9、 DSP處理器系統6相接。
本實用新型在設計原理上與其他通用數字存儲示波器一樣(如圖l)，示波器輸入信號的 變換電路由模擬電路和辨字電路混合構成，在系統操作狀態參數的控制下完成信號變換和調 理，并輸入到模/數變換器(ADC)以對這些瞬時信號采樣和數字量化。高速的大量的采樣數 據要通過邏輯緩沖器存貯到DSP存儲器，示波器LCD顯示的波形總是所采集到的數據重建的 波形，并不是立即的、連續的輸入信號波形。因此，特別設計了一個根據觸發信息即時工作 的基于FPGA邏輯的采樣數據通道和高頻控制模塊(如圖7、 8)，通過緩存控制邏輯來保證觸 發前后.采樣數據的完整收集，符合數字存儲示波器的功能原理和基本特征；信號數據的處理、 換算及其表達功能在雙核DSP芯片上完成，來顯示一定觸發條件下的信號波形，實時地將各 種信息有效地提取出來，建立廣泛的高級數據處理、分析庫和工具庫(例如信號數據譜分析、 快速傅立葉變換、數字濾波、巻積處理、相關函數處理、微積分、回歸分析、數值運算、時 域和頻域分析等)；豐富的對外數據通信接口配置，也利于儀器發展成為可以組建極為復雜的 自動測試系統的一種裝置，更好地拓展了其在系統測試和數據管理方面的應用。
如圖2所示，攜式通用數字存儲示波器輸入信號源逐次通過無源探頭、信號變換調理電 路、模數轉換ADC電路、數據通道和高頻控制模塊、DSP處理器系統和數字信號LCD顯示器， 這些電子電路模塊依次電連接組成整套的信號處理和顯示儀器；信號變換調理電路信號或外 觸發信號經過觸發功能產生電路變換后，發生可供基于FPGA的數據通道和高頻控制模塊處理 成循環采樣觸發信號的脈沖，儀器再通過數據通道和高頻控制模塊來控制模數轉換ADC電路 的數據采集動作，把采樣數據緩沖到DSP處理器、經過DSP處理恢復成原始信號顯示在LCD 上，或者通過數據接口輸出。本實用新型示波器配備系列可選的信號源探頭1,保證接入到 示波器的高低、壓信號和各種電流信號的安全；功能模塊2是對待測信號進行規范處理的信 號變換和調理電路；模塊3是由陣列化模/數轉化ADC芯片組成的采樣量化單元——模數轉換 ADC電路，每個調理后的通道信號源都分別選通接入到4路ADC采樣器中，它們按照相差90
或45度的倍頻時鐘相進行交錯采樣，在數據流邏輯處理模塊合成為連續的采樣數據；觸發功 能產生電路4的信號源頭包括外部觸發信號源以及經過特性變換處理后的通道信號源，根據 設置參數選通到觸發產生電路來發生需要的觸發信號(并不是所有連接到模塊3的信號都作 為觸發源)；模塊5是本示波器中具有著中心協調樞紐功能的數據通道和高頻控制模塊，釆用 Altera的高性能FPGA芯片，通過硬件設計語言編程設計完成，主要用來完成多路高速數據 的數據通道和緩存工作并控制采樣數據到DSP通信的流程和狀態，同時完成一些數據邏輯處 理算法，如圖8所示，觸發功能產生電路輸出的觸發脈沖也傳遞到該模塊進行處理，形成促 使數據采樣循環動作的觸發時機信號，該模塊還要發生ADC陣列芯片進行數據采樣所需要的 時鐘脈沖和控制信號；DSP處理器系統6主要用來構成系統操作控制的平臺，DSP處理器采用 ADI公司的BLACKFIN系列芯片ADSP561，該芯片是具有超級數字信號處理和媒體流處理能力 的DSP器件，內部配有2個DSP核，可以動態調節功耗，適合本實用新型產品應用，該系統 通過DSP處理器芯片內其中一個PPI接口接收數據通道和高頻控制模塊緩沖來的采樣數據， 經過插補運算處理后還原成原始信號，并通過另外一個PPI接口在數字信號LCD上顯示波形 和測量信息，至此，整個數據信號的處理和顯示流程基本完成和結束；DSP處理器系統作為 系統操作控制平臺還包哮其他設計功能模塊，如圖11所示，DSP處理器操作控制相關的I/O 電路可以控制信號變換調理電路的開關電路，控制智能電源切換和分配電路的一些使能和開 關動作，接受各種按鍵和按鈕操作命令，其中還包括實時時鐘、CF卡存儲以及音頻錄放等示 波器應用新功能；數據接口8是系統大數據流輸出和輸入的專用通道，包括USB2.0、 UART、 以太網口和1394火線等以適應不同領域的應用，本實用新型采取多類通信接口可選的可拓 撲、可擴展設計思路，這樣，用戶可以根據需要選擇其中一種或者多種數據通信口。
由于本示波器可以采用有限功率的電池來供電使用，在整個電路設計中，考慮到示波器 通用電信號測量功能和性能方面的各種嚴格要求，結合信號變換調理電路的具體功能設計， 盡量降低變換電路中各器件和有源驅動環節的功耗，充分分析ADC、 FPGA和DSP等操作電路 的用電規范，形成智能電源控制管理技術方案，因此所采用和設計的各級直流DODC變換電 路都在功能劃分、性能、轉換效率、控制效果和經濟合理性上嚴密設計，保證了 6瓦功耗的 通用示波器功能和良好性能。如圖2中所示，本實用新型根據上述要求和特征特別設計了 AC-DC電源模塊和內置電池可自動切換供電的電源變換和控制裝置，集中體現為一套智能電 源切換和分配電路9，還包括標準的AC-DC電源模塊和7. 2伏鋰離子電池一并構成整個的配 電系統；電源變換和控制裝置的核心控制部分——智能電源切換和分配電路，主要由鋰電池 充電和檢測電路、雙路電源切換和控制電路、可節約電源開關組、低壓電源DC-DC變換芯片 組組成，它們通過配電網絡連接到各功耗設備和環節；這些高效的電源控制和變換電路在DSP 處理器發生的執行控制信號作用下，在示波器所述的各個用電單元、設備和環節間嚴格比例 分配電池或者AC-AC過來的電源，達到系統超低功耗設計目標，產品結構簡單布局緊湊，使 得本實用新型儀器更加適用于各種現場測試的便攜應用。
如圖3、 4所示，信號變換調理電路2為外部信號接入保護電路與多通道衰減電路、信號變換電路、目標信號切換開關電路、內部信號保護和補償電路、緩沖器電路、觸發信號選 通電路、AD8564接口電路相接，觸發信號選通電路與選通信號分配電路、AD9288接口電路電 連接，執行控制信號接口連接DSP處理器系統，作用于選通信號分配電路、觸發信號選通電 路、目標信號切換開關電路和信號變換電路。
所述信號變換電路由交流耦合電路、直流耦合電路、高頻抑制電路、低通濾波電路、帶 通濾波電路、觸發信號選擇電路相互電連接組成。
外部信號源經過探頭輸入到示波器Q9連接器，進入內部變換電路前先通過一個頻率特性 適當的過壓抑制器形成初級電路保護。然后逐次連接多通道衰減電路、信號變換電路、目標 信號切換開關電路、內部信號保護和補償電路，由于示波器可能接入的高壓信號會對后面的 工作器件產生過壓損害，即使發生電路稍微過壓或者較高梯度壓變現象，由于電路阻抗特性 的非線性必然導致后面緩沖器電路(電流反饋集成運算放大器AD8001)電勢變化的非線性，
損害被測信號的真實性，針對目標信號頻率成分復雜、電壓幅度變化大的特點，示波器特別 設計了一套切實安全可靠的衰減變換和開關保護電路。如圖4所示，電路設計中采用分離并
行的衰減電路，而不是傳統的多路電阻級連分壓電路，免得很難搜尋合適的匹配電阻和電容； 1、 2、 3、 4路衰減信號分別從不同的2級分壓電阻中間抽出，而不是從圖4中上方的級連分 壓電路R1、 R2、 R3以及R4之間引出，這樣的電路很難做到將電壓幅度比較寬和頻帶比較長 的信號進行良好阻抗匹配和信號補償，很難保證全部不失真，也很難保證接入電阻的準確度， 多級串聯的電容更是具有最大的過壓安全隱患。開關電路選擇松下公司的小體積繼電器，可 以抵抗高電壓沖擊，動作速度也十分快，這樣第一級直通電路僅僅連接幾個歐姆的電阻作為 穩壓限流和電路補償器，第二級電路通過2級阻容衰減電路實現十分之一分壓，第三級電路 通過2級阻容衰減電路實現百分之一分壓，第四級電路通過2級阻容衰減電路實現千分之一 分壓，然后通過繼電器開關來選通級別合適的電路信號——目標信號切換開關電路就是這樣 的設計原理；內部信號保護和補償電路包括雙向二極管保護電路以及高頻補償電路兩部分， 在設計和調試中根據具體的電路特性選擇和匹配。示波器的輸入阻抗要標準化設計在1M歐姆 (2%上下的誤差范圍)，所以本電路采用三套大約3M歐姆的衰減電路實現三級分壓，否則， 如果采用傳統分壓衰減電路，串聯的衰減級數太多，雖然電路中設計了C1、 C2、 C3和C4等 補償電容，也不利于可靠保證信號中復雜高頻成分的不失真通過，而且，很容易造成電容擊 穿現象。這樣，系統就可以針對性選擇10伏特以下的信號直通連接緩沖器電路，即使有過壓 現象，只要不損害衰減電路，也可以被開關電路后面的二極管電路卸壓，滿足了通用示波器 能直接輸入、測量較高壓電，特別是帶有不少不可預測的高頻成分的較高壓電的測量需求。 觸發信號選通電路就是在DSP處理器控制下的多路選擇器AD8184，形成選通信號交流、 直流耦合等變換處理信號的開關電路。緩沖器電路是完成阻抗變換的緩沖器件，采用具有良 好高頻性能的電流反饋芯片AD8001，具有低噪聲、高擺率等特點。選通信號分配電路是在DSP 處理器控制下的高速、高阻緩沖輸入四通道多路選擇器，用來程控選通適合ADC采樣輸入標 準的一路信號，變送到采樣器AD9288模擬信號量化接口。電路中，還設計有系統自校準用的
參考電平和脈沖信號，以實現電路誤差的程控和手動校準功能，是一般的示波器電路設計標 準，并沒有在圖中反映出來。
如圖5所示，觸發功能產生電路4接收觸發信號選通電路輸出的信號，由信號處理和變換
屯路、比較器陣列AD8564、數據通道和高頻控制模塊5的觸發脈沖接入端子相連接組成，DSP 處理器系統DAC接口控制比較電平發生電路(DAC)并連接到比較器陣列AD8564作為參考電平， 外觸發信號經過外觸發信號變換電路連通到比較器陣列AD8564用以產生一種觸發脈沖。
本示波器觸發功能產生電路包括比較電平和比較器、觸發信號處理等部分，和通用示波 器電路沒有什么不同，觸發信號源可以來自兩個通道信號中的任何一個，無論是直流還是交 流耦合，高頻還是低頻抑制等，都經過觸發信號選通電路接入到高速比較器(AD8564)陣列 中與觸發電平相比較，生成高速邏輯脈沖信號；數據通道和高頻控制模塊接收該觸發脈沖并 進行鑒別處理，觸發狀態和采樣循環動作時機信號是經過多路信號ADC采樣相位序列識別后 的觸發狀態信號，這樣就將觸發時刻和數據采樣時刻的不匹配誤差降低到一個最小采樣間隔 ——1.25ns的量級，充分利用了多路ADC的組合帶寬，大大提高了采樣精確度；捕捉到預定 的觸發狀態時刻后，數據通道和高頻控制模塊隨之就驅動發生采樣、通信和數據算法處理等 同步邏輯處理功能。由，觸發信號源是可以被選通和變換的，這樣一來，就更加增強了系統 觸發方式選擇的靈活性，可以根據本通道信號進行觸發來顯示波形，也可以選擇其他任何通 道甚至非正常信號來作為觸發源，豐富了示波器的應用功能，不需要用戶再進行技術處理和 手動調整，就可以完成多種觸發和測量方式的邏輯組合，減少了程序調整的難度，目標效果 更好。本設計中的高速比較器還兼容設計了更加高級別的比較器芯片(ADCMP580,僅僅80ps 延時)應用，更加提高了測量準確性。
如圖6所示，模數轉換ADC電路3由選通信號分配電路的信號接口 、模數轉換ADC芯片 陣列電路、ADC陣列外圍補償電路連接構成，ADC陣列芯片工作需要的采樣脈沖和控制信號通 過采樣脈沖和控制信號接口連接到FPGA (數據通道和高頻控制模塊)，由其產生并作用到模 數轉換ADC芯片陣列電路。
模數轉化ADC電路完成信號采樣和量化工作，本實用新型設計了 4路ADC芯片時鐘分相 交錯技術采樣的陣列電路，也就是對同樣一路信號，在不同的時鐘相通過4-8個ADC分別采 樣，通過多片ADC分相交錯采樣技術連續采集到細分的連續數據，實現了采用較低廉ADC完 成高速采樣功能的任務，信號處理帶寬大大提高；電路上設計有內部保護電路和外圍信號補 償電路(二極管電路限壓保護和RC高頻補償)，DSP處理器還要進行濾波和算法補償處理， 信號質量也得到了保證，解決了示波器對昂貴的高速ADC應用的依賴性問題，四片8路100M 帶寬的ADC芯片(AD9288),就實現了 800M帶寬采樣功能，降低了儀器的制造成本。ADC陣 列芯片工作需要的控制時鐘，8分相時鐘，是由FPGA的同步時鐘發生和分配器輸出的，在此 信號作用下模數轉化ADC電路完成采樣和量化工作。
如圖7、 8、 9、 IO所示，基于FPGA的數據通道和高頻控制模塊5包括采樣脈沖和控制 信號接口和采樣數據通道接口與數據緩沖處理邏輯模塊、同步時鐘發生和分配器、眼圖數據
邏輯模塊、數據流算法處理和計算模塊、低速時鐘發生和分配器、系統設置信號處理器、編 碼鍵盤信號處理器、編碼鍵盤接口依次邏輯連接，同步時鐘發生和分配器作用于觸發信號邏 輯處理模塊，并與數據緩沖處理邏輯模塊、觸發脈沖接入端子邏輯互連，數據緩沖處理邏輯模
塊緩存后的數據流經過數據通道連接到dsp處理器系統ppi模塊功能接口， nc模塊功能接 口、 nc數據通信模塊、編碼鍵盤信號處理器和數據緩沖處理邏輯模塊依次邏輯互連，模塊 功能接口、系統設置信號處理器、觸發信號邏輯處理模塊也依次互連。
數據通道和高頻控制模塊建立在一個基于fpga技術的數字邏輯芯片上，是本示波器最為
集中化的功能設計單元，也是系統數據協調和狀態控制的核心。它主要包括， 一觸發信號邏 輯處理模塊，用來接受觸發脈沖接入端子輸入的觸發脈沖，根據系統設置信號處理器的觸發 方式和觸發模式設置參數，來完成觸發信號的邏輯處理過程并產生循環采^^操作需要的觸發
時機脈沖——循環判據，如圖9所示，觸發脈沖輸入端子接入的通道觸發信號經過毛刺消除
電路邏輯處理后，進入釋抑狀態處理器，其輸出經狀態寄存器隔離暫存后輸出到多路選擇器 或者采樣相位識別邏輯模塊，觸發脈沖輸入端子接入的視頻觸發信號經過毛刺消除電路邏輯 處理后，進入行、線數處理器，其輸出經狀態寄存器隔離暫存后輸出到多路選擇器或者采樣 相位識別邏輯模塊，觸發脈沖輸入端子接入的脈沖寬度觸發信號經過毛刺消除電路邏輯處理 后，進入脈沖寬度測量和處理邏輯模塊，其輸出經狀態寄存器隔離暫存后輸出到多路選擇器 或者采樣相位識別邏輯模塊，觸發模塊復位分配網絡、時鐘分配網絡是由復位發生和分配器、 時鐘發生和分配器產生的作用到模塊內部各個邏輯功能模塊的信號網絡，觸發使能寄存器接 收多路選擇器的觸發狀態信號并根據觸發模塊參數設置寄存器有關參數狀態產生觸發循環判
據，并決策是否產生強制觸發等狀態； 一數據緩沖處理邏輯模塊，它可以接收觸發信號邏輯 處理模塊產生的觸發循環判據和強制觸發等狀態信號，結合采樣相位識別邏輯模塊產生的相 位識別數據狀態，產生adc芯片陣列采樣脈沖和控制信號，并把各路adc采樣數據通過接口 接收到內部的邏輯數據緩沖通道，如圖io所示，采樣數據通道接口的數據信號首先通過數據 選擇器輸入到8組寄存器陣列、同步緩存器陣列和輸出寄存器陣列中，在fifo狀態數據循環 控制和高速緩存單元的協調控制下，將采樣數據規律地選擇、組合、緩沖到交替工作的大容 量同步fifo數據控制單元，然后根據觸發數據輸出接口的輸入數據和觸發數據補償處理器的 數據處理結果，產生可以往dsp處理器通信的采樣數據流，再通過ppi接口通信控制器將數 據流輸出到fsp處理器系統的ppi功能模塊接口，同樣的，狀態轉換與控制器信號、數據緩 沖模塊復位分配網絡、數據緩沖模塊時鐘分配網絡都是作用于模塊全局的狀態和控制信號網； 數據通道和高頻控制模塊還包括其他的標準邏輯處理功能電路如系統加密處理模塊、iic數 據通信模塊、系統設置信號處理器、編碼鍵盤信號處理器等單元，還要并行完成采樣數據流 的部分dsp算法處理和計算功能(如fft)以及多種示波數據邏輯處理功能如新興的"眼圖" 測量示波功能、視頻或音頻標準數據流處理功能等;本模塊fpga芯片還帶有一程序配置芯片， 可通過usb接口等通信方式下載更新邏輯代碼，實現了硬件功能的軟配置，擴展、升級性能 好。這些邏輯關系復雜、時序狀態嚴格、高頻數據通信控制的邏輯系統，就構成了完成整個
示波器工作控制和協調需要的所述的基于FPGA的數據通道和高頻控制模塊，如圖7所示，是
其邏輯功能流程和原理圖。
如圖ll所示，DSP處理器系統6，包括PPI模塊功能接口、執行控制信號接口、按鍵控 制端口和電路、復位和保護電路、實時時鐘和電池充電電路、音頻錄放電路、邏輯加密控制 接口、系統設置I/0接口、 IIC模塊功能接口、可擴展顯示器接口、 CF卡存儲器、可選可擴 展的數據通信接口 (USB、 UART、 Eth-net和1394火線)、閃速存儲器、動態存儲器和系統時 鐘電路。DSP處理器系統中設計有CF卡存儲器、可選可擴展的數據通信接口 (USB、 UART、 l-:thiet和1394火線可選)、實時時鐘和音頻錄放電路等功能模塊，這些都是區別于傳統示 波器的新設計功能，USB等接口還可以進行系統軟件和FPGA代碼更新；大大方便了各類用戶 在各種測試場合的使用、標識、記錄和存儲、備份工作，也便于新功能的擴展和更新。
如圖12所示,智能電源切換和分配電路9由標準AC-DC電源模塊、鋰電池充電和檢測 電路、鋰電池、雙路電源切換控制電路、可節約電源開關組、低壓電源DC-DC變換芯片[DC-DC 芯片(5V)、 DC-DC芯片(3V)、 DC-DC芯片(5V)、 LDO低壓電源模塊]組互相電連接組成，它 們通過配電網絡連接到各用電單元和模塊,DSP處理器發生的執行控制信號作用于電源開關 組、雙路電源切換和控制電路、鋰電池充電和檢測電路。完成了可以自動切換使用標準工頻 AC-DC模塊電源和內置電池電源來為系統電路和模塊供電的功能，大大拓展了儀器的使用空 間(儀器的使用不再依賴于交流電源插座)，還具備電池在線和離線充電設計，兩塊電池可以 滿足戶外用戶一個工作日的測量工作需求，在智能節電上也釆用了高效節能控制設計技術。 這些高效的電源控制和變換電路在DSP處理器發生的執行控制信號作用下，在示波器各個用 電單元、設備和環節間嚴格比例分配電池或者AC-AC過來的電源。
如圖13所示，雙路電源切換和控制電路包括外接電源接入檢測邏輯電路、鋰電池檢測電 路、延時開關機邏輯電路、切換控制邏輯電路、切換控制芯片1473、切換開關MOSFET管對、 內部保護電路并依次連接到各DC-DC變換電路，外接電源、鋰電池充電控制電路、鋰電她、 鋰電池檢測電路依次電連接，鋰電池、切換開關MOSFET管對、切換控制芯片1473、切換控 制邏輯電路、外接電源接入檢測邏輯電路和切換開關MOSFET管對依次循環互連。其中，外接 電源接入檢測邏輯電路拾取接入的電源信號和LM393比較器電平比較產生邏輯脈沖，輸送到 邏輯芯片7402動作，切換控制邏輯電路的主要器件也是這些邏輯芯片，切換信號發生芯片 1473連接控制高性能開關MOSFET管對NTMD6N02R2，動作速度快，利于保護內部的用電單元 和環節。鋰電池檢測電路和鋰電池充電控制電路都采用了凌特公司的高性能芯片并設計了標 準的電池檢測和充電控制電路。
如圖14所示，示波器的ADC采樣和數據處理流圖明確了采樣數據流處理和一些主要系統 參數設置的流程關系，圖15是本實用新型的軟件流程圖。軟件部分要完成系統狀態配置、調 節和控制、高速并行數據通信、采樣數據的存儲和處理、波形顯示和DSP處理以及其他一些 輔助功能。如圖15所示，儀器啟動后，系統會根據檢測到的設備狀況，完成系列初始化工作， 需要下載新程序或者重新進行系統設置時，重復上述操作；在硬件配置和狀態穩定后，系統
自動進入采樣操作和數據通信狀態，根據用戶的操作要求實施數據信號處理，顯示波形和計 算結果。這些操作功能都是在強大的雙核(ADI的BLACKFIN數字信號處理器)芯片ADSP561
上完成，并配置有豐富的資源，可以完成很多臺式示波器不具有數據處理、計算和分析功能；
本實用新型儀器功能包括顯示數據和采樣數據的百分比、左右上下光標電壓值、觸發電平、
周期、占空比、上升時間、下降時間、頻率、最大值、平均值、最小值、峰-峰值、正脈沖寬 度、負脈沖寬度、均方根值、頻率譜分中的幅-頻特性、相-頻特性、自功率譜函數、互功率 譜函數和自相關函數、互相關函數等，而不象傳統示波器一樣只顯示其中幾種參數。
本實用新型涉及的一種便攜式通用數字存儲示波器，實現了測量各種電源信號、功率和 斬波信號、固定頻率信號、直流信號、數字邏輯、脈寬調制、調幅和調頻、音視頻以及串行
通信"眼圖"等各種通用示波器功能；其應用特點主要表現在整個系統大15采用集成電路和 高效率的電子元器件，沒有幾個分立的機械結構電氣元件，節省了電能，縮小了體積，降低
了成本，實現了交流AC-DC電源模塊和內置電池可切換供電的、單機完成復雜的信號處理和 計算結果顯示的、可以在各種工業領域各種操作環境廣泛使用的， 一種通用測量工具——便
攜式通用數字存儲示波器。具體而言，它包括
一套可選的無源探頭，用來接入各種不同的工業現場電信號； 一套可以對輸入的電信號進行衰減、分路和調理的信號變換調理電路；
一觸發功能產生電路，它可以根據不同的信號波形和相應的處理方法，配合高頻邏輯控 制模塊的時鐘選擇，來產生波形捕捉過程所需要的觸發信號；
一模數轉換ADC電路，每一路輸入信號都可以配備4路ADC進行交錯采樣； 一棊于FPGA的數據通道和高頻控制模塊，具有數據邏輯算法處理功能；
--DSP處理器系統，完成數字信號處理功能，作為整個儀器的系統功能平臺； --數字信號LCD顯示器，用來顯示信號波形和其他操作數據；
一套對外數據接口，包括USB、 UART、 Eth-net和1394火線，還用來完成系統功能軟件 的更新任務；
智能電源切換和分配電路，完成電源切換、電池在線充電和電源分配功能； 一標準工頻AC-DC電源模塊，配有一個工頻電源插座和電源線；
一可充電池套件，包括兩個7.2伏特鋰電池和一個充電器，儀器采用單電池可連續工作4小時。
標志本示波器的主要技術指標為
(1) 最大實時采樣率800 MS/s和400MS/s;
(2) 最大輸入電壓500伏；
(3) 垂直靈敏度為5毫伏/格， 一直到50伏/格；
(4) 兩個通道，輸入阻抗1Mohm/20pF ± 2%;
(5) 工頻AC-DC電源模塊和內置電池雙路電源可自動切換供電；
(6) 多種先進的觸發方式；
(7) 采樣數據的多種運算處理和自動測量功能；
(8) 采樣數據和波形的多種存儲方式和軟、硬拷貝功能；
(9) 體積小，重量輕，不足2000克。 上述實施例用來解釋說明本實用新型，而不是對本實用新型進行限制，在本實用新型的
精神和權利要求的保護范圍內，對本實用新型作出的任何修改和改變，都落入本實用新型的 保護范圍。
權利要求1、一種便攜式通用數字存儲示波器，其特征在于，無源探頭(1)與信號變換調理電路(2)、模數轉換ADC電路(3)、數據通道和高頻控制模塊(5)、DSP處理器系統(6)、數據接口(8)相接，信號變換調理電路(2)與觸發功能產生電路(4)、數據通道和高頻控制模塊(5)、模數轉換ADC電路(3)相接，數字信號LCD顯示器(7)與DSP處理器系統(6)、信號變換調理電路(2)相接，可充電池(11)、AC-DC電源模塊(10)與智能電源切換和分配電路(9)、DSP處理器系統(6)相接。
2、 根據權利要求1所述的一種便攜式通用數字存儲示波器，其特征在于，所述信號變 換調理電路(2)為外部信號接入保護電路與多通道衰減電路、信號變換電路、目標信號切換 開關電路、內部信號保護和補償電路、緩沖器電路、觸發信號選通電路、AD8564接口電路相 接，觸發信號選通電路與選通信號分配電路、AD9288接口電路電連接，執行控制信號接口連 接DSP處理器系統，作用于選通信號分配電路、觸發信號選通電路、目標信號切換開關電路 和信號變換電路。
3、 根據權利要求2所述的一種便攜式通用數字存儲示波器，其特征在于，所述信號變 換電路由交流耦合電路、直流耦合電路、高頻抑制電路、低通濾波電路、帶通濾波電路、觸 發信號選擇電路相互電連接組成。
4、 根據權利要求1所述的一種便攜式通用數字存儲示波器，其特征在于，所述觸發功 能產生電路(4)接收觸發信號選通電路輸出的信號，由信號處理和變換電路、比較器陣列 AD8564、數據通道和高頻控制模塊(5)的觸發脈沖接入端子相連接組成，DSP處理器系統 (6)DAC接口控制比較電平發生電路(DAC)并連接到比較器陣列AD8564作為參考電平，外觸發 信號經過外觸發信號變換電路連通到比較器陣列AD8564用以產生一種觸發脈沖。
5、 根據權利要求1所述的一種便攜式通用數字存儲示波器，其特征在于，所述模數轉換 ADC電路(3)由選通信號分配電路的信號接口、模數轉換ADC芯片陣列電路、ADC陣列外圍補 償電路連接構成，ADC陣列芯片工作需要的采樣脈沖和控制信號通過采樣脈沖和控制信號接 口連接到數據通道和高頻控制模塊，由其產生并作用到模數轉換ADC芯片陣列電路。
6、 根據權利要求1所述的一種便攜式通用數字存儲示波器，其特征在于，所述基于FPGA 的數據通道和高頻控制模塊(5)包括采樣脈沖和控制信號接口和采樣數據通道接口與數據緩 沖處理邏輯模塊、同步時鐘發生和分配器、眼圖數據邏輯模塊、數據流算法處理和計算模塊、 低速時鐘發生和分配器、系統設置信號處理器、編碼鍵盤信號處理器、編碼鍵盤接口依次邏 輯連接，同步時鐘發生和分配器作用于觸發信號邏輯處理模塊，并與數據緩沖處理邏輯模塊、 觸發脈沖接入端子邏輯互連,數據緩沖處理邏輯模塊緩存后的數據流經過數據通道連接到DSP 處理器系統PPI模塊功能接口， IIC模塊功能接口、 IIC數據通信模塊、編碼鍵盤信號處理器 和數據緩沖處理邏輯模塊依次邏輯互連，模塊功能接口、系統設置信號處理器、觸發信號邏 輯處理模塊也依次互連。
7、 根據權利要求1所述的一種便攜式通用數字存儲示波器，其特征在于，所述DSP處理器系統(6)，包括PPI模塊功能接口、執行控制信號接口、按鍵控制端口和電路、復位和保護 電路、實時時鐘和電池充電電路、音頻錄放電路、邏輯加密控制接口、系統設置I/0接口、nc模塊功能接口、可擴展顯示器接口、 CF卡存儲器、可選可擴展的數據通信接口、閃速存 儲器、動態存儲器和系統時鐘電路。
8、 根據權利要求1所述的一種便攜式通用數字存儲示波器，其特征在于，所述智能電源 切換和分配電路(9)由標準AC-DC電源模塊、鋰電池充電和檢測電路、鋰電池、雙路電源切換 控制電路、可節約電源開關組、低壓電源DC-DC變換芯片組互相電連接組成，它們通過配電 網絡連接到各用電單元和模塊，DSP處理器發生的執行控制信號作用于電源開關組、雙路電源 切換和控制電路、鋰電池充電和檢測電路。
9、 根據權利要求8所述的一種便攜式通用數字存儲示波器，其特征在于，所述雙路電源 切換控制電路包括外接電源接入檢測邏輯電路、鋰電池檢測電路、延時開關機邏輯電路、切 換控制邏輯電路、切換控制芯片1473、切換開關MOSFET管對、內部保護電路并依次連接到 各DC-DC變換電路，外接電源、鋰電池充電控制電路、鋰電池、鋰電池檢測電路依次電連接， 鋰電池、切換開關M0SFET管對、切換控制芯片1473、切換控制邏輯電路、外接電源接入檢 測邏輯電路和切換開關M0SFET管對依次循環互連。
專利摘要本實用新型公開了一種便攜式通用數字存儲示波器。無源探頭與信號變換調理電路、模數轉換ADC電路、數據通道和高頻控制模塊、DSP處理器系統、數據接口相接，信號變換調理電路與觸發功能產生電路、數據通道和高頻控制模塊、模數轉換ADC電路相接，數字信號LCD顯示器與DSP處理器系統、信號變換調理電路相接，可充電池、AC-DC電源模塊與智能電源切換和分配電路、DSP處理器系統相接。本實用新型采用4片ADC芯片分相交錯采樣，提高了帶寬、降低了成本；外部電源和內置電池可自動切換供電，智能控制電源的分配，功耗低，體積小，各種測試現場手持式使用；單機完成信號處理結果并顯示、音頻記錄和存儲輸出，可通過數據接口設置和更新程序，是一種便攜式通用數字存儲示波器。
文檔編號G01R13/02GK201053983SQ20062014170
公開日2008年4月30日 申請日期2006年12月29日 優先權日2006年12月29日
發明者劉福仁, 毓 孫, 宗建斌, 徐紅啟 申請人:徐紅啟