CN101706523B - 一种通道隔离的手持式数字示波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通道隔离的手持式数字示波器，将手持式数字示波器分成两个独立的信号调理、转换以及波形数据采集通道，之间用触发同步信号隔离接口来实现触发信号在隔离通道间的传递；主控制板通过两个隔离通道中的USB隔离接口实现控制与数据通讯，并通过隔离电源向两个隔离通道供电；从而实现了普通手持式数字示波器的测量功能，同时又实现了两个通道以及主板三者之间在电气上的隔离，这样两个输入通道的“参考地”相互独立，测试时不会出现短路。

Description

一种通道隔离的手持式数字示波器

技术领域

本发明涉及手持式数字示波器技术领域，具体来讲，涉及一种通道隔离的手持数字示波器。

背景技术

在许多设计、安装、调试任务中，要求详细测试系统的一些运行参数，比如马达驱动装置、不间断电源、功率半导体及其它电子设备都要求详细检定开关损耗、功率波形、脉冲波形、谐波成分等等。这类电路一般承载高电压和高电流，各个电子部件的“参考地”不一致，可能存在一定的电压差。此时用通道未隔离的普通数字示波器直接进行测量，非常容易造成短路，严重时甚至会烧毁设备。

现有技术的普通手持式数字示波器，如图1所示，分为两部分，即前端输入单元1和主控制板2。

在前端输入单元1中，包括两个通道的信号调理通道，即第一通道信号调理通道1011和第二通道信号调理通道1012。信号调理通道1011、1012主要完成阻抗变换，以及对模拟信号的放大或者衰减等操作，将模拟信号调节至满足ADC的输入范围。触发模块103主要由比较器等元件组成，完成信号调理通道1011、1012调理后的模拟信号的比较整形，形成相关的脉冲信号作为采集时的触发信号。第一通道信号调理通道1011和第二通道信号调理通道1012分别将调理后的模拟信号送到各自对应的模数转换器1021、1022中进行转换，转换输出的数字信号输出到主控制板2中。

在主控板2中，现场可编程门阵列201，即FPGA在触发信号的触发下，对输入的来自两个通道的数字信号进行采集和缓冲，处理器单元202可通过FPGA 201读取采集数据，进行相应的处理，并送到LCD显示单元203进行显示。在主控板2中，人机交互单元205主要由键盘系统组成，与处理器单元202连接通讯，实现对手持式数字示波器的各种操作；外部通讯接口204主要包括USB接口和串口，能够实现将采集的波形数据导出或导入。

同时，主控板2输出通道控制信号到前端输入单元1中的通道控制电路104中，然后，通过道控制电路104对第一通道信号调理通道1011和第二通道信号调理通道1012进行控制，完成输入模拟信号的信号调理。

主控板2中，电源管理单元206用于实现对各个模块供电，以及电池充电管理等。

从图2中，可以看出，现有技术的这类普通手持式数字示波器其特点是各个部分“共地”，即整个手持式数字示波器系统只有一个“参考地”GND，这一定程度上限制了此类手持式的应用场合。比如一些被测系统存在两个参考点GND_A、GND_B，而这两个参考点存在电压差，如果将这两个参考点分别接到手持式数字示波器第一通道的“参考地”和第二通道的“参考地”，就会导致GND_A与GND_B短路，导致危险发生。

现有技术中，解决“参考地”不一致，存在电位差容易导致短路的问题，通常的办法是采用一定的隔离传感设备或者特质的差分探头进行测试，这样增加了测试的复杂性，在使用上非常不方便；同时，也容易误操作，而导致危险的短路情况发生。

通道隔离的手持式数字示波器手持示波器两个输入通道的“地”相互独立，即相互之间的“地”是浮动隔离的，相互之间的“地”在物理上是没有短路连接。由于通道隔离的手持式数字示波器的两个输入通道电气上实现了隔离，在上述被测信号接口浮动的测试环境下进行测量时，就不会出现短路情况的发生，方便了现场测试，拓展了应用场合，提高了测试仪器使用的安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种两个输入通道的“参考地”相互独立，测试时不会出现短路的通道隔离的手持式数字示波器。

为实现上述目的，本发明的通道隔离的手持式数字示波器，其特征在于，包括第一隔离通道、第二隔离通道以及主控制板三个部分；

主控制板上的USB接口通过第一隔离通道、第二隔离通道上各自的USB隔离接口，分别对第一隔离通道、第二隔离通道的输入模拟信号调理、模数转换及波形数据采集进行控制，并将采集的波形数据读取回主控制板上进行处理和显示；

主控制板上的电源管理单元通过第一隔离通道、第二隔离通道上各自的隔离电源，分别向第一隔离通道、第二隔离通道提供输入模拟信号调理、模数转换及波形数据采集所需的各种电压源；

第一隔离通道、第二隔离通道之间有触发同步信号隔离接口，用于将第一隔离通道产生的触发同步信号提供给第二隔离通道作为波形输出采集所需的触发信号，以及将第二隔离通道产生的触发同步信号提供给第一隔离通道作为波形输出采集所需的触发信号。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明在总结普通手持式数字示波器的结构原理上，结合现有的数字隔离技术，提出了一种通道隔离的手持式数字示波器。首先，将现有普通手持式数字示波器输入前端分成两个独立的第一隔离通道、第二隔离通道，并将原来主控制板的波形采集功能前移，并分别置于第一隔离通道、第二隔离通道中，这样第一隔离通道、第二隔离通道均可独立地对输入模拟信号进行调理、模数转换及波形数据采集，从而为数字示波器输入前端与主控制板隔离奠定了基础。

其次，主控制板上的USB接口通过第一隔离通道、第二隔离通道上各自的USB隔离接口，分别对第一隔离通道、第二隔离通道的输入模拟信号调理、模数转换及波形数据采集进行控制，并将采集的波形数据读取回主控制板上进行处理和显示。这样实现了数字示波器的主控制板与输入前端在隔离基础上的控制与数据通讯，将隔离的主控制板与输入前端连接为一个有机的系统，而电气上是相互隔离的。

其二，主控制板上的电源管理单元通过第一隔离通道、第二隔离通道上各自的隔离电源，分别向第一隔离通道、第二隔离通道提供输入模拟信号调理、模数转换及波形数据采集所需的各种电压源，这样解决了第一隔离通道、第二隔离通道与主控制板电气隔离情况下的供电问题。

最后，第一隔离通道、第二隔离通道之间有触发同步信号隔离接口，用于将第一隔离通道产生的触发同步信号提供给第二隔离通道作为波形输出采集所需的触发信号，以及将第二隔离通道产生的触发同步信号提供给第一隔离通道作为波形输出采集所需的触发信号。这样解决了第一隔离通道、第二隔离通道电气隔离情况下的同步触发问题，用户可以根据实际测试情况，选择第一隔离通道、第二隔离通道作为触发通道。

本发明将手持式数字示波器分成两个独立的信号调理、转换以及波形数据采集通道，之间用触发同步信号隔离接口来实现触发信号在隔离通道间的信号传递；主控制板通过两个隔离通道中的USB隔离接口实现控制与数据通讯，并通过隔离电源向两个隔离通道供电；从而实现了普通手持式数字示波器的测量功能，同时又实现了两个通道以及主板三者之间在电气上的隔离，这样两个输入通道的“参考地”相互独立，测试时不会出现短路。

附图说明

图1是现有技术的普通手持式数字示波器的原理框图；

图2是本发明通道隔离的手持式数字示波器的一种具体实施方式原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这儿将被忽略。

实施例

图2是本发明通道隔离的手持式数字示波器的一种具体实施方式原理框图。

如图2所示，在本实施例中，本发明通道隔离的手持式数字示波器包括第一隔离通道3、第二隔离通道4以及主控制板5三个部分，第一隔离通道3、第二隔离通道4为本发明通道隔离的手持式数字示波器的输入前端。

在本实施中，第一隔离通道3包括信号调理通道301、ADC 302、FPGA 303、比较整形单元304、通道控制电路305、USB隔离接口306以及隔离电源307。

主控制板5通过第一隔离通道3上USB隔离接口306向第一隔离通道3发出输入模拟信号调理、模数转换及波形数据的控制命令。在本实施例中，第一隔离通道3中FPGA 303接收到控制命令进行解释和转换，更新FPGA 303中内部采集系统的设置，并输出控制命令给通道控制电路305，通道控制电路305根据控制命令对信号调理通道301的信号调理以及比较整形单元304的触发同步信号的产生进行控制。信号调理通道301的控制主要是耦合方式的控制以及包括放大器增益控制在内的与垂直档位相关的控制。对比较整形单元304的主要是触发方式的选择及设置，如选择电压触发，触发幅度0.5V。对信号调理通道301以及比较整形单元304的控制属于现有技术，在此不再赘述。

对于第一隔离通道3，输入模拟信号以“参考地GND1”为参考，送入到信号调理通道301。信号调理通道301将输入模拟信号调理后，一方面输出给ADC302进行数模转换，另一方面输出给比较整形单元304，在通道控制电路305的控制下，进行比较整形，输出触发同步信号。ADC 302转换后的波形数据由FPGA303在触发同步信号的触发下进行采集，FPGA 303采集的波形数据通过USB隔离接口306读取回主控制板5上进行处理和显示。FPGA303的触发同步信号可以是自身的，也可以是通过触发同步信号接口6来自第二隔离通道4的，具体FPGA 303接收到的控制命令而定。

在本实施例中，第二隔离通道4也可以是通过触发同步信号接口6来自第一隔离通道3的触发同步信号，其他的电路构成和工作原理与第一隔离通道3完全相同，在此不再赘述。

在本实施中，主控制板5包括处理器单元501、LCD显示单元502、人机交互单元503、外部通讯接口504、第一隔离通道USB接口5051、第二隔离通道USB接口5052以及电源管理单元506。

主控制板5上的处理器单元501通过第一隔离通道USB接口5051、第二隔离通道USB接口5052与第一隔离通道3、第二隔离通道4上各自的USB隔离接口306、406进行通讯，通过各自的FPGA 303、403分别对第一隔离通道3、第二隔离通道4的输入模拟信号调理、模数转换及波形数据采集进行控制，并将采集的波形数据读取回主控制板5上进行处理和显示。

在本实施例中，主控制板5上的电源管理单元506通过第一隔离通道3、第二隔离通道4上各自的隔离电源307、407，分别向第一隔离通道3、第二隔离通道4提供输入模拟信号调理、模数转换及波形数据采集所需的各种电压源。

在本实施中，处理器单元501、LCD显示单元502、人机交互单元503、外部通讯接口504的工作原理与背景技术的描述一致，在此不再赘述。

在本发明中，USB隔离接口、隔离电源以及触发同步信号隔离接口是本发明的关键，它们实现了本发明通道隔离的手持式数字示波器包括第一隔离通道3、第二隔离通道4以及主控制板5三个部分的电气上的隔离，即第一隔离通道3、第二隔离通道4以及主控制板5的参考地GND1、参考地GND2以及、参考地GND3是浮动不相通的，实现了输入通道的“参考地”相互独立，测试时不会出现短路的功能；同时，由保证了波形采集的有效控制和数据的有效读回以及各部分工作需要的电压源。

在本实施中，USB隔离接口采用美国模拟器件公司的型号为ADuM41XX的USB隔离接口，兼容USB2.0接口，全速率可达12Mbps。其主要原理基于磁隔离技术，实现USB接口中UD+、UD-与外部连接的通讯隔离。

隔离电源将电源模块送来的直流电压转换为模拟通道所需的+5V、-5V电压，以及采集系统FPGA等所需的+3.3V等电压。电源隔离技术相对比较成熟，基于开关电源技术的DC到DC模块也相对较多。在本实施中，选择美国特克萨斯仪器公司的DCH01系列隔离电源产品，隔离耐压可达3000V(直流)。隔离电源基本的原理就是将输入的直流电压进调制，然后通过变压器将能力送到另一端，再经过整流电路产生所需的电压。

触发同步信号隔离接口由高速数字隔离器件来实现，现在数字隔离器件技术也非常成熟，能够实现的速率也非常高，最高可达150Mbps。在本实施中，选择美国特克萨斯仪器公司的ISO72XX系列，隔离耐压可达4000Vpp、抖动小。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种通道隔离的手持式数字示波器，其特征在于，包括第一隔离通道、第二隔离通道以及主控制板三个部分；

主控制板上的USB接口通过第一隔离通道、第二隔离通道上各自的USB隔离接口，分别对第一隔离通道、第二隔离通道的输入模拟信号调理、模数转换及波形数据采集进行控制，并将采集的波形数据读取回主控制板上进行处理和显示；

主控制板上的电源管理单元通过第一隔离通道、第二隔离通道上各自的隔离电源，分别向第一隔离通道、第二隔离通道提供输入模拟信号调理、模数转换及波形数据采集所需的各种电压源；

第一隔离通道、第二隔离通道之间有触发同步信号接口，用于将第一隔离通道产生的触发同步信号提供给第二隔离通道作为波形输出采集所需的触发信号，以及将第二隔离通道产生的触发同步信号提供给第一隔离通道作为波形输出采集所需的触发信号；

所述的第一隔离通道包括信号调理通道、ADC、FPGA、比较整形单元、通道控制电路、USB隔离接口以及隔离电源；

主控制板通过第一隔离通道上USB隔离接口向第一隔离通道发出输入模拟信号调理、模数转换及波形数据的控制命令；FPGA接收到控制命令进行解释和转换，更新FPGA中内部采集系统的设置，并输出控制命令给通道控制电路；通道控制电路根据控制命令对信号调理通道的信号调理以及比较整形单元的触发同步信号的产生进行控制；

输入模拟信号送入到信号调理通道，信号调理通道将输入模拟信号调理后，一方面输出给ADC进行模数转换，另一方面输出给比较整形单元，在通道控制电路的控制下，进行比较整形，输出触发同步信号；ADC转换后的波形数据由FPGA在触发同步信号的触发下进行采集，采集的波形数据通过USB隔离接口读取回主控制板上进行处理和显示；

FPGA的触发同步信号是自身的或通过触发同步信号接口来自第二隔离通道的，具体由FPGA接收到的控制命令而定；

所述的第二隔离通道与第一隔离通道相同，其中的FPGA的触发同步信号是自身的或通过触发同步信号接口来自第一隔离通道的，具体由FPGA接收到的控制命令而定。

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