CN103176016B - 一种具有多用途复用接口的示波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有多用途复用接口的示波器，包括：信号输入端子、模拟前端电路、触发模块、触发输出模块、校准信号产生模块、快沿信号产生模块，其中触发输出模块、校准信号产生模块、快沿信号产生模块分别与所述控制处理模块相连接，并且再分别与受所述控制处理模块控制的三个串联的开关模块相连接，最后再连接到复用输出端子，输出信号。本发明的示波器提供一个多用途输出接口，将多个端子统一到一个复用端子上，由用户在软件操作界面上选择端子输出信号类型，使用户使用简单。

Description

一种具有多用途复用接口的示波器

技术领域

本发明涉及示波器技术领域，尤其涉及一种具有多用途复用接口的示波器。

背景技术

现有数字示波器，一般会提供各种输入输出接口，供用户使用。常见的有通信接口、信号输入和探头补偿输出，个别机器还会提供10MHz同步输入输出、触发输出、校准输出、快沿信号输出等接口，比较常见的接口连接器有BNC端子和SMA端子。

中高端示波器一般会提供触发输出端子，触发输出端子一般输出一个脉冲，触发输出脉冲的沿和示波器触发同步，触发输出脉冲的频率和示波器的刷新率一致。该脉冲来源于触发模块的输出，脉冲和示波器的触发同步，示波器每触发一次进行一次存储显示，触发输出端子输出一个触发输出信号。触发输出信号可以用来反应示波器刷新速率，即示波器进行一次触发、采样、存储、显示的时间。

有些中高端示波器会提供校准信号输出，将校准信号输出端子和信号输入端子相连，可以用来校准示波器的垂直档位。校准信号输出端子会输出一个幅度有精度保证的信号，以此信号来校准示波器垂直档位，使垂直档位满足指标的精度。

个别中高端示波器会提供快沿信号输出，快沿信号是一个上升沿很快的方波或脉冲信号，上升沿一般会快到几百ps。由于沿非常快，所以快沿信号的频率成分非常丰富，带宽非常大，可以用来提供给用户，测试用户被测系统的带宽，快沿信号作为输入信号，经过用户被测系统，输出信号的沿的速度会变慢，设上升沿时间为Tr，系统带宽BW可以用公式0.35/Tr近似计算。快沿信号也可以用来校准示波器的水平档位，如通道延时和等效采样等。

现有示波器触发输出、校准信号输出和快沿信号输出的实现如图1所示。现有技术包含信号输入端子、模拟前端电路、A/D转换模块、触发模块、控制处理模块、触发输出模块、校准信号产生模块、快沿信号产生模块、触发输出端子、校准信号输出端子和快沿信号输出端子各个部分。

示波器被测信号由信号输入端子输入至模拟前端电路，模拟前端电路一路输出连接到A/D转换模块的输入端，模拟前端电路的另一路输出连接到触发模块的输入端，A/D转换模块和触发模块的输出均连接到控制处理模块，控制处理模块输出TRIG信号连接到触发输出模块的输入端，触发输出模块的输出端连接到触发输出端子。触发模块将模拟前端电路输出的模拟信号和触发电平进行比较，之后输出触发脉冲，提供给控制处理模块内部的触发判断模块，当示波器触发时，控制处理模块的触发判断模块输出一个触发信号TRIG，然后示波器依据触发信号TRIG进行采集、存储、显示等操作，当示波器下一次触发时，再输出一个触发信号TRIG。脉冲间隔的频率，是示波器完成一次采集、存储、显示的频率，即示波器的刷新率指标。控制处理模块输出的触发信号TRIG经过触发输出模块，转换成触发输出信号，并输出到触发输出端子，触发输出模块一般完成缓冲、放大和隔离等功能。

控制处理模块输出校准数据和控制信号，连接到校准信号产生模块中的DAC的输入端，DAC的输出端连接到校准信号产生模块中的调理电路的输入端，调理电路的输出连接到校准信号输出端子。DAC接收控制处理模块输出的校准数据和控制信号，经过数模转换产生模拟信号，再经过调理电路调理之后，产生校准信号并输出给校准信号输出端子。调理电路一般完成放大、缓冲等功能。

控制处理模块另一路输出连接到快沿信号产生模块的输入端，快沿信号产生模块的输出连接到快沿信号输出端子。控制处理模块输入至快沿信号产生模块的信号一般是电平信号，也称使能信号，包括0电平和1电平，用于使能快沿信号产生模块。快沿信号产生模块产生一个上升沿速度非常快的快沿信号，连接到快沿信号输出端子。

综上所述，现有技术的示波器将触发输出信号、校准信号、快沿信号分别用各自的输出端子输出；校准信号产生模块一般使用DAC作为信号源。

由此，现有技术存在以下缺点：

每个输出有一个端子，示波器外观相对比较凌乱，用户使用不同功能时，不同端子上的连接线缆需要进行拔插切换，连接麻烦，各模块电路分散、端子使用多。

校准信号产生模块使用DAC，带来DAC的精度和温漂问题，影响校准信号的准确度，并且成本比较高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的各个缺点。为用户提供一个功能复用的接口端子，方便使用，校准电路采用更好精度和温漂的方案，使校准更准确。

为实现上述目的，本发明提供一种具有多用途复用接口的示波器，该示波器包括：

信号输入端子，用以提供被测信号；模拟前端电路，与所述信号输入端子相连接，接收所述被测信号；A/D转换模块，该A/D转换模块输入端与所述模拟前端电路的输出端相连接；触发模块，该触发模块输入端与所述模拟前端电路的输出端相连接；控制处理模块，该控制处理模块输入端分别与所述A/D转换模块和所述触发模块的输出端相连接；还包括：

触发输出模块，该触发输出模块输入端与所述控制处理模块的第一输出端相连接，该触发输出模块的输出端连接到一第一开关模块的第一输入端，该第一开关模块的第二输入端接地，所述控制处理模块的第二输出端连接到该第一开关模块的选择控制输入引脚，该第一开关模块的输出端连接到一第二开关模块的第一输入端；

校准信号产生模块，该校准信号产生模块的输入端与所述控制处理模块的第三输出端相连接，所述校准信号产生模块的输出连接到所述第二开关模块的第二输入端，所述控制处理模块的第四输出端连接到所述第二开关模块的选择控制输入引脚，所述第二开关模块的输出端连接到一第三开关模块的第一输入端；

快沿信号产生模块，该快沿信号产生模块的输入端与所述控制处理模块的第五输出端相连接，所述快沿信号产生模块的输出端连接到所述第三开关模块的第二输入端，所述控制处理模块的第六输出端连接到所述第三开关模块的选择控制输入引脚；

复用输出端子，与所述第三开关模块的输出端相连接。

所述控制处理模块的第二输出端输出第一控制信号；第三输出端输出选择信号；第四输出端输出第二控制信号；第五输出端输出使能信号或脉冲信号；第六输出端输出第三控制信号。

其中，所述校准信号产生模块包括：电压参考电路，用于输出一电压值；

分压电路，与所述电压参考电路相连接，接收所述电压值并转换为多路不同的电压信号；多路复用器，与所述分压电路相连接，并接收所述控制处理模块第三输出端输出的选择信号，由该选择信号控制所述多路复用器选择分压电路转换后的一路电压信号进行输出；调理电路，与所述多路复用器相连接，将所述多路复用器输出的电压信号经过调理后输出校准信号。

所述分压电路采用电阻或精密运算放大器进行分压转换。

所述调理电路的输出电阻为50Ω。

其中，所述快沿信号产生模块包括：

触发器，与所述控制处理模块相连接，当所述控制处理模块输出脉冲信号时，接收所述脉冲信号并输出快沿信号。

在另一优选实施例中，所述快沿信号产生模块包括：

脉冲产生模块，与所述控制处理模块相连接，当所述控制处理模块输出使能信号时，根据该使能信号产生一个上升沿大于1ns的脉冲信号；触发器，用于依据所述脉冲信号产生快沿信号。

所述触发器为高速逻辑器件。

本发明实施例提供的示波器是将示波器上的校准输出、快沿输出、触发输出经过必要的开关选择机制，统一到一个多用途的输出接口上，由用户在软件操作界面上选择端子输出信号类型，使用户使用简单；将示波器校准输出采用参考源经过必要的分压、选择和调理后，输出一个精度很高的校准信号，用于示波器的垂直校准。比现有技术精度高、温漂低，校准信号无需校准。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是现有技术示波器的简化结构示意图；

图2是本发明具有多用途复用接口的示波器的结构示意图；

图3是本发明具有多用途复用接口的示波器中校准信号产生模块的结构示意图；

图4是本发明具有多用途复用接口的示波器一实施例的详细电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例一

请参阅图2，图2是具有多用途复用接口的示波器的结构示意图，本发明的示波器包含信号输入端子210、模拟前端电路220、触发模块230、A/D转换模块240、控制处理模块250、触发输出模块260、校准信号产生模块270、第一开关模块300、第二开关模块310、第三开关模块320、快沿信号产生模块280和复用输出端子290。

示波器被测信号由信号输入端子210输入模拟前端电路220，模拟前端电路220一路输出连接到A/D转换模块240的输入端，模拟前端电路220的另一路输出连接到触发模块230的输入端，A/D转换模块240和触发模块230的输出端均连接到控制处理模块250的输入端。控制处理模块250的第一输出端输出的触发信号输入至触发输出模块260的输入端，触发输出模块260的输出端输出触发信号并连接到第一开关模块300的第一输入端，第一开关模块300的第二输入端直接接地，控制处理模块250的第二输出端输出控制信号CTL1并连接到第一开关模块300的选择控制输入引脚，第一开关模块300的输出端连接到第二开关模块310的第一输入端；控制处理模块250的第三输出端输出选择信号SEL并连接到校准信号产生模块270的输入端，校准信号产生模块270的输出端连接到第二开关模块310的第二输入端，控制处理模块250的第四输出端输出控制信号CTL2连接到第二开关模块310的选择控制输入引脚，第二开关模块310的输出端连接到第三开关模块320的第一输入端，控制处理模块250的第五输出端输出使能信号或脉冲信号并连接到快沿信号产生模块280的输入端，快沿信号产生模块280的输出端连接到第三开关模块320的第二输入端，控制处理模块250的第六输出端输出控制信号CTL3并连接到第三开关模块320的选择控制输入引脚，第三开关模块320的输出端连接到复用输出端子290，也就是复用接口。

本发明实施例的示波器具体工作过程是：被测信号由信号输入端子210输入，并将被测信号发送到模拟前端电路220，经过放大等处理，送给A/D转换模块240，A/D转换模块240将被测信号经过模数转换成数字信号后送给控制处理模块250进行存储、处理、显示等。模拟前端电路220同时提供给触发模块230一个模拟信号，该模拟信号经过触发模块中的比较器比较后，由触发模块230输出触发脉冲给控制处理模块250中的触发计算单元。控制处理模块250根据触发脉冲，控制对模数转换后的数字信号数据进行存储、处理、显示等的操作，完成一次触发显示。每一次触发显示，控制处理模块250输出一个触发信号TRIG给触发输出模块260，触发输出模块260主要完成控制处理模块250输出的触发信号TRIG的放大、缓冲等功能。

第一开关模块300的第二输入端直接接地，作为示波器接地输出，控制处理模块250第二输出端输出控制信号CTL1并连接到第一开关模块300的选择控制输入引脚来控制第一开关模块300，选择是触发输出还是接地输出，第一开关模块300的输出端连接到第二开关模块310的第一输入端。控制处理模块250输出选择信号SEL给校准信号产生模块270，选择一个校准电压，产生校准信号输出，该校准信号连接到第二开关模块310的第二输入端，控制处理模块250输出控制信号CTL2，控制第二开关模块310接通第一开关模块300的输出端和接通校准信号产生模块270的输出端之间的切换。控制处理模块250同时输出一个使能信号或一个上升沿较慢的脉冲信号给快沿信号产生模块280，快沿信号产生模块280依据所述控制处理模块250输出的使能信号或脉冲信号，产生一个上升沿非常快的脉冲信号；快沿信号传送到第三开关模块320的第二输入端，控制处理模块250控制第三开关模块320进行选择，选择接通第二开关模块310输出端，还是选择接通快沿信号产生模块280的输出端，选择接通快沿信号产生模块280的输出端后，所述快沿信号传送到复用输出端子290进行输出。

上述校准信号产生模块270的内部框图如图3所示，包含电压参考电路、分压电路、多路复用器和调理电路四部分，电压参考电路输出一个电压值，经过分压电路转换后，输出多个不同的电压信号，传送到多路复用器，控制处理模块输出的选择信号SEL控制多路复用器选择某一电压信号输入进行输出，SEL信号是一个编码信号总线，如四路输入，需要选一路，输出两位，SEL0和SEL1，控制复用器选择第几路输入连接到输出，多路复用器输出经过调理电路，输出校准信号CAL，即校准信号产生模块的输出。

本发明实施例采用多路输出的选择机制：

利用三个开关模块，将触发输出、接地输出、校准信号输出、快沿信号输出，复用到一个输出端子(接口)上。由于各个信号的要求不同，在开关模块中的优先级选择机制如下：

在各个模块的连接顺序上，由于快沿信号的沿很快，带宽很高，对走线、阻抗匹配、布局等PCB设计有严格要求，将快沿信号产生模块放置到离复用输出端子最近的第三开关模块的一个输入端。校准信号产生模块对信号直流精度要求较高，所以在布局布线上，要比接地和触发信号更优先考虑，连接到离复用输出端子第二远的第二开关模块上；接地输出和触发模块输出均连接到第一开关模块上。

当选择快沿信号时，第三开关模块接通快沿信号产生模块，快沿信号经过第三开关模块直接输出；当选择校准信号输出时，第三开关模块接通第二开关模块的输出端，第二开关模块接通校准信号产生模块输出端，校准直流电平经第二开关模块和第三开关模块输出；当选择直流输出或触发信号输出时，第一开关模块接通触发输出模块，接收控制处理模块的脉冲信号经第一开关模块、第二开关模块和第三开关模块输出。

本实施例中的快沿信号产生模块包括：触发器，与所述控制处理模块相连接，当所述控制处理模块输出脉冲信号时，接收所述脉冲信号并输出快沿信号。

本实施例中的快沿信号产生模块还可以采用另外一种结构方式，包括：

脉冲产生模块，与所述控制处理模块相连接，当所述控制处理模块输出使能信号时，根据该使能信号产生一个上升沿大于1ns的脉冲信号；触发器，用于依据所述脉冲信号产生快沿信号。

上述两种方式中所采用的触发器均为高速逻辑器件。

本发明中的参考电压产生模块，使用电压参考源作为电压源，能够保证电压的精度和温度漂移特性。分压电路使用高精度电阻进行分压，产生几个电压值，也可以使用精密运算放大器，对电压进行变换。多路复用器使用一般的多路复用器就可以实现，调理电路一般是增加校准信号的驱动能力，因为示波器信号输入有可能是50Ω输入阻抗，所以校准信号输出要能够驱动50Ω负载，调理电路一般做成50Ω输出电阻，即校准信号的源电阻一般做成50Ω。

而现有技术，采用DAC输出后，DAC可以产生需要个各种校准信号，只需要有调理电路就可以了。

本发明使用参考源，输出的校准信号的精度高、温度特性好，不需要进行校准。使用的高精度电阻和精密运放，对直流电压的误差非常小。而现有技术，使用DAC输出的信号的精度无法保证，需要对DAC进行校准。

本发明中的第一开关模块的第二输入端接地，当通过与第二开关模块、第三开关模块接通并连接到复用接口/端子输出的接地电平时，也用于示波器垂直校准，采用直接接地的方案，接地输出是真正的接地。而现有技术，使用DAC输出0V代替地电平，同样存在精度问题。

本发明校准信号输出几个直流电平，和接地电平一起，用于校准示波器的模拟前端。接地电平用于校准各个垂直档位的零点，不同的直流电平，可以用于校准模拟前端内部各级的增益，从而实现对示波器垂直的校准。

实施例二

请参阅图4，图4是本发明具有多用途复用接口的示波器一实施例的详细电路图：

电路包含触发输出模块、接地输出端、快沿信号产生模块、校准信号产生模块、继电器和复用接口端子，校准信号产生模块包含电压参考电路、分压电路、多路复用器和调理电路，其中的继电器就是开关模块的一种具体实施方式。

本实施例中各个模块的详细电路只是一种具体的实施方式，并不是对本发明的限定，在实际应用当中也可以采用其他连接方式的电路，只要是能够完成本发明实施例中揭露的功能，都应包含在本发明的保护范围内。

触发输出模块的输入为TRIG_OUT，为控制处理模块的输出，控制处理模块一般使用FPGA；TRIG_OUT经过一个缓冲电路SN74AHC125PW，缓冲输出连接一个49.9Ω的电阻，连接到继电器1，电阻的作用是使触发输出的源阻抗为50Ω；继电器选用了DPDT继电器，NEC公司的UD2-4.5NU-L，继电器1/2/3由FPGA输出信号CTL1、CTL2和CTL3控制；继电器1的引脚2直接接地，作为接地输出，继电器1引脚3连接到继电器2的引脚2，继电器1完成触发输出和接地输出的切换；校准信号由调理电路输出，连接到继电器2的引脚4，继电器2完成校准信号与接地输出、触发输出的切换，继电器2的引脚3连接到继电器3的引脚2，继电器3的引脚4输入快沿信号FASTEDGE_OUT，继电器3完成快沿信号和其他3个信号的切换，继电器3的引脚3连接到复用接口端子BNC上，作为示波器的多用途接口输出。

实施例图中的电压参考电路、分压电路、多路复用器和调理电路完成校准信号输出的功能。电压参考电路参考源选用ADI公司的2.5V参考输出ADR421BRZ，它具有1mV的误差精度，0.04％的初始精度，3ppm/℃的温漂特性；电压参考电路输出为ref2.5V，经过电阻R27、R54、R56的分压，输出2.0V信号ref2.0_out和0.5V信号ref0.5v_out；电压参考电路输出的电压经过运算放大器U24B构成的反向放大器电路，增益为-1，输出-2.5V电压ref-2.5v，运算放大器U24选用ADI公司的低噪声、低漂移精密运放AD8512，它是双运放的，其中A部分用于调理电路，B部分用于此处反向放大；-2.5V电压降过电阻R67、R66、R72的分压，输出-0.5V电压ref-0.5v_out和-2.0V电压ref-2.0v_out。上述-0.5V、-2.0V、0.5V和2.0V四个电压输入多路复用器的四个输入端，多路复用器选用TI公司的CD74HC4051M96，为8路多路复用器，使用其中4路，多路复用器由FPGA输出的ctrl_0_A和ctrl_0_B控制，多路复用器输出连接到调理电路，调理电路由U24A、R101和R55构成，U24A构成一个同相输入的跟随电路，用于增大校准信号的驱动能力，R55作为参考信号的源内阻，参考信号输出为50Ω源内阻。由FPGA控制多路复用器选择不同的电压值进行输出。

本实施例中，由FPGA通过控制多路复用器和继电器1、2、3，使复用接口端子BNC输出不同的校准信号、接地、快沿信号或触发信号。

本实施例中的多路复用器也可以选择其他复用器，或者用多级继电器级联实现，如ADI公司的ADG5408、AD8174等等。

本实施例中的触发输出电路中的缓冲器可以选择其他型号的缓冲器或者触发器，比如TI公司的缓冲器SN74LVC2G17。

本实施例中的DPDT继电器也可以选用SPDT继电器。也可以选择集成的模拟开关芯片，但需要选择导通电阻低的模拟开关，减小导通电阻带来的源阻抗变化，如ADI公司的ADG5436、ADG1419等等。

本发明将示波器上的校准输出、快沿输出、触发输出经过必要的开关选择机制，统一到一个多用途的输出接口上，由用户在软件操作界面上选择端子输出信号类型，使用户使用简单；将示波器校准输出采用参考源经过必要的分压、选择和调理后，输出一个精度很高的校准信号，用于示波器的垂直校准。比现有技术精度高、温漂低，校准信号无需再校准。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有多用途复用接口的示波器，该示波器包括：

信号输入端子，用以提供被测信号；模拟前端电路，与所述信号输入端子相连接，接收所述被测信号；A/D转换模块，该A/D转换模块输入端与所述模拟前端电路的输出端相连接；触发模块，该触发模块输入端与所述模拟前端电路的输出端相连接；控制处理模块，该控制处理模块输入端分别与所述A/D转换模块和所述触发模块的输出端相连接；其特征在于，还包括：

触发输出模块，该触发输出模块输入端与所述控制处理模块的第一输出端相连接，该触发输出模块的输出端连接到一第一开关模块的第一输入端，该第一开关模块的第二输入端接地，所述控制处理模块的第二输出端连接到该第一开关模块的选择控制输入引脚，该第一开关模块的输出端连接到一第二开关模块的第一输入端；

校准信号产生模块，该校准信号产生模块的输入端与所述控制处理模块的第三输出端相连接，所述校准信号产生模块的输出端连接到所述第二开关模块的第二输入端，所述控制处理模块的第四输出端连接到所述第二开关模块的选择控制输入引脚，所述第二开关模块的输出端连接到一第三开关模块的第一输入端；

快沿信号产生模块，该快沿信号产生模块的输入端与所述控制处理模块的第五输出端相连接，所述快沿信号产生模块的输出端连接到所述第三开关模块的第二输入端，所述控制处理模块的第六输出端连接到所述第三开关模块的选择控制输入引脚；

复用输出端子，与所述第三开关模块的输出端相连接。

2.根据权利要求1所述的示波器，其特征在于：

所述控制处理模块的第二输出端输出第一控制信号；第三输出端输出选择信号；第四输出端输出第二控制信号；第五输出端输出使能信号或脉冲信号；第六输出端输出第三控制信号。

3.根据权利要求1或2所述的示波器，其特征在于，所述校准信号产生模块包括：

电压参考电路，用于输出一电压值；

分压电路，与所述电压参考电路相连接，接收所述电压值并转换为多路不同的电压信号；

多路复用器，与所述分压电路相连接，并接收所述控制处理模块第三输出端输出的选择信号，由该选择信号控制所述多路复用器选择分压电路转换后的一路电压信号进行输出；

调理电路，与所述多路复用器相连接，将所述多路复用器输出的电压信号经过调理后输出校准信号。

4.根据权利要求3所述的示波器，其特征在于：

所述分压电路采用电阻或精密运算放大器进行分压转换。

5.根据权利要求3所述的示波器，其特征在于：

所述调理电路的输出电阻为50Ω。

6.根据权利要求2所述的示波器，其特征在于，所述快沿信号产生模块包括：

触发器，与所述控制处理模块相连接，当所述控制处理模块输出脉冲信号时，接收所述脉冲信号并输出快沿信号。

7.根据权利要求2所述的示波器，其特征在于，所述快沿信号产生模块包括：

脉冲产生模块，与所述控制处理模块相连接，当所述控制处理模块输出使能信号时，根据该使能信号产生一个上升沿大于1ns的脉冲信号；

触发器，用于依据所述脉冲信号产生快沿信号。

8.根据权利要求6或7所述的示波器，其特征在于：

所述触发器为高速逻辑器件。