CN1074539A - 多通道数字式示波卡 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子工程测量技术领域中的多 通道数字式示波卡、是由输入通道电路单元、数字采 集电路单元、多种触发电路单元、时基发生单元、控制 逻辑单元和I/O接口单元组成。通过与计算机的 配合使用，完全取代了标准示波器的全部功能，成为 具有多种用途的多通道数字式示波测量仪器。可广 泛用于电子工程测量技术领域，也可用于其它观测波 形物理量的领域，在这些领域中替代过时的模拟示波 器和价格高的数字示波器。

Description

本发明涉及一种电子工程测量技术领域中的多通道数字式示波卡。通过与计算机的配合使用，完全取代了标准示波器的全部功能，成为具有多种用途的多通道数字式示波测量仪器。

在电子工程测量领域中，示波器是最重要的测量仪器之一。无论是在电子工程的科研、实验、生产调试、维修中，还是在其它学科需要观察波形物理量的领域中，示波器都是必不可少的测量工具。至今仍被人们所广泛使用的都是被称之为模拟示波器的测量仪器。模拟示波器的缺点是：仪器功能少、对信号的处理方式简单、对被测信号的处理能力弱、无被测信号的后续处理能力、无法清晰地观测单次信号和慢速信号、观测信号时间历程短、显示波形的余辉时间不可调、自动化程度低、没有与计算机的接口能力等。

八十年代以来，随着微电子技术的发展，出现了数字示波器，代表产品就是美国惠普公司和泰克公司的系列化数字示波器，其性能越来越高。从世界范围来说，进入数字化时代的今天，数字示波器取代模拟示波器已是必然趋势。数字示波器具有模拟示波器不可比拟的优势。而现有的产品化了的数字示波器有一个突出的缺点，那就是价格很高，对大多数资金不充裕的工程技术人员来说是可望又不可得的事。性能越强，功能越多，价格就成倍上升。数字示波器的另一个缺点是使用仪器的工程技术人员对其做进一步的开发利用较为困难。

本发明的目的是在电子测量技术领域引入数字式示波卡技术，在计算机现有设备的基础上开发研制一种具有现代数字示波器所有优点的数字化示波测量系统，并且能克服数字示波器价格高、进一步开发困难的缺点，成为电子工程人员工作的有力工具。

本发明涉及的多通道数字式示波卡的特点是：

1.充分利用了计算机现有设备资源，使整个系统具有数字示波器的所有优点，而成本大大降低，解决了数字示波器价格高的问题。

2.由于本系统是以计算机现有设备为基础的，所以计算机及其外设的资源均可利用，为进一步开发提供了可能的条件。使用者可在此基础上开发许多专业化的功能软件，扩展仪器的使用范围。

3.具有数字示波器的仪器功能多、对信号的处理能力强、有被测信号的后续处理能力、可清晰地观测单次信号和慢速信号、观测信号时间无限制、显示波形的余辉时间可调、自动化程度高的优点。

4.可以将信号及数据信息存储在计算机磁盘上，并可随时打印出来。可建立数据的信息库，使开发、研制、生产、维修工作规范化。

5.由于使用了随机重复采样技术，能对波形信号进行高密度重复采样，采样间隔小，使系统能产生高分辨的水平显示和测量。

附图1是本发明多通道数字式示波卡的原理框图;

附图2是本发明多通道数字式示波卡的输入通道电路单元的工作原理示意图;

附图3是本发明多通道数字式示波卡的数字采集电路单元的工作原理示意图;

附图4是本发明多通道数字式示波卡的多路触发电路单元的工作原理示意图;

附图5是本发明多通道数字式示波卡的时基发生单元、控制逻辑单元和I/O接口单元的工作原理示意图。

现结合附图进一步描述本发明多通道数字式示波卡的原理及实施方法：

本发明多通道数字式示波卡的整个系统由输入通道电路单元[1]、数字采集电路单元[2]、多路触发电路单元[3]、时基发生单元[4]、控制逻辑单元[5]和I/O接口单元[6]组成。被测信号从输入通道电路单元[1]输入，经匹配放大采样后传送到数字采集电路单元[2]进行数字化变换采集和存储，由多路触发电路单元[3]选择或产生的触发信号被整形放大后传送到时基发生单元[4]，时基发生单元[4]给系统各部分提供各种所需的时基脉冲信号，I/O接口电路单元[6]与计算机[7]进行通讯，将计算机[7]的控制命令正确译码并传送到控制逻辑单元[5]，全系统的工作由控制逻辑单元[5]控制。

输入通道电路单元[1]是由通道探头[11]、输入探头匹配电路[12]、程控可变衰减器[13]、前置放大器[14]、跟踪与保持采样器[15]、后置放大器[16]及调零电路[17]所组成。被测信号由通道探头[11]输入到输入探头匹配电路[12]，经选择合适的匹配方式后送到程控可变衰减器[13]进行信号的衰减。程控可变衰减器[13]受控制寄存器[51]的控制以选择衰减系数，经衰减后的被测信号传送至前置放大器[14]进行隔离放大并传到跟踪与保持采样器[15]，由高速窄脉冲序列控制的跟踪与保持采样器[15]采样保持，经后置放大[16]后传送到数字采集电路单元[2]进行数字化。调零电路[17]输出信号加在输入探头匹配电路[12]上，用以调节系统的零点。多通道数字式示波卡有多个输入通道电路单元[1]，多个输入通道电路单元[1]之间是完全并列的关系。

数字采集电路单元[2]是由高速高精度A/D转换器[21]、数据采集存贮器[22]、数据选择切换开关电路[23]、地址选择开关电路[24]、快地址发生器[25]组成的。由后置放大器[16]放大了的被采样保持信号经高速高精度A/D转换器[21]数字化变换后成为8bits数字数据，并由数据采集存贮器[22]将数字数据存贮起来，数据选择切换开关电路[23]将存贮的数据传送给计算机[7]进行处理的显示。快地址发生器[25]产生的高速地址信号经地址选择开关电路[24]与计算机[7]地址信号切换后，送到数据采集存贮器[22]的地址总线。

多路触发电路单元[3]是由通道触发放大器[31]、外触发放大器[32]、交流线路同步整形器[33]、程控触发器[34]、多路触发开关电路[35]、信号及触发电压调节电路[36]、系统触发逻辑电路[37]和前/后置触发计数器[38]组成。被测信号经通道触发放大器[31]整形放大后成为通道触发信号传到多路触发开关电路[35];外触发信号经外触发放大器[32]放大整形后也被传到多路触发开关电路[35];交流线路同步整形器[33]将电源上的交流电整形后同样传送至多路触发开关电路[35];计算机[7]命令控制的程控触发器[34]产生程控触发信号也输入到多路触发开关电路[35]。由控制寄存器[51]控制的多路触发开关电路[35]从各路触发信号中选择其中的一路作为系统触发信号传到信号及触发电压调节电路[36]，进行信号限幅调节和触发电平门限调节形成系统触发脉冲信号传送到系统触发逻辑电路[37]，受控制寄存器[51]和时基发生器[4]控制的前/后置触发计数器[38]产生计数定时信号，在系统触发逻辑电路[37]里与系统触发脉冲信号逻辑运算后，输出到快地址发生器[25]，控制快速采样地址的定位发生。

时基发生单元[4]由时钟发生器[41]、移相脉冲发生器[42]、时基逻辑发生器[43]、时基逻辑选择器[44]组成。时钟发生器[41]的主要元器件是石英晶体振荡器，其产生的高稳定时钟信号分频后分别送到移相脉冲发生器[42]和时基逻辑发生器[43]作为时钟信号，移相脉冲发生器[42]产生的步进移相窄脉冲信号传到输入通道电路单元[1]中的跟踪与保持采样器[15]做采样脉冲，时基逻辑选择器[44]将控制寄存器[51]的时基选择命令转换成控制电平信号，从而控制时基逻辑发生器[43]产生相应的逻辑信号，使高速度A/D转换器[21]，快地址发生器[25]及前/后置触发计数器[38]得到相应的逻辑信号。

控制逻辑单元[5]由控制寄存器[51]、RAM判优逻辑电路[52]及控制逻辑运算电路[53]组成。计算机[7]通过I/O接口电路单元[6]将命令写入控制寄存器[51]，控制寄存器[51]将命令控制电平直接传到系统各部分电路，控制寄存器[51]还通过控制逻辑运算电路[53]产生条件控制信号，从而实现计算机[7]对本系统的控制。RAM判优逻辑电路[52]接受控制寄存器[51]的命令控制电平后对时基逻辑发生器[43]送出的时基信号进行逻辑运算判断，从而产生对快地址发生器[25]的屏蔽信号，使之暂停工作，以便计算机[7]对数据采集存贮器[22]的操作。

I/O接口电路单元[6]由地址译码器[61]、读写控制器[62]和长线驱动器[63]组成。计算机[7]通过地址译码器[61]和读写控制器[62]对整个系统进行控制，长线驱动器[63]将计算机[7]的控制信号，地址总线信号，数据总线信号传送到距计算机总线较远的系统电路上，减轻计算机总线的负担，提供较大的驱动电流。

程控可变衰减器[13]是用CMOS多路选择开关切换由精密电阻网络和运算放大器组成的衰减网络电路，从而实现由计算机[7]通过控制寄存器[51]控制CMOS多路选择开关来选择衰减系数的功能。精密电阻网络须用误差为0.1%的精密电阻组成，运算放大器选用超高速、低噪声运算放大器。

跟踪与保持采样器[15]是以高速开关型MOS三极管和保持电容及运算放大器为核心的快速高精度跟踪采样保持电路，是决定本系统采样精度的关键之一，高速开关型MOS三极管的导通电阻应尽可能小，其电阻值与保持电容所决定的充电时间常数必须小于采样窄脉冲密度的二分之一，高速开关型MOS三极管的开关速度须高于由充电时间常数所决定的频率的两倍。在快速高精度跟踪采样保持中，按照NYGUIST抽样定律，系统的最高采样率设计为至少是设计输入信号带宽的两倍。通过移相脉冲发生器[42]产生的高速移相窄脉冲对输入信号进行随机重复采样，由于使用了随机重复采样技术，能对波形信号进行高密度重复采样，采样间隔小，使系统能产生高分辨的水平显示和测量，大幅度提高了仪器的技术水平。

移相脉冲发生器[42]是用ECL电路设计的超高速功能电路，它是以采样频率为周期，每次移相一个脉宽的高速窄脉冲信号移相器，其每周期内的移相次数取决于高速窄脉冲的宽度，每周期内的移相次数等于采样周期除以高速窄脉冲的脉宽。

全系统的结构为卡-机配合式，I/O接口电路单元[6]制成插卡插在计算机[7]总线扩展插槽内，其他各单元装在计算机[7]外的小型机箱内，由长线驱动器[63]通过排电缆传输信号。

所有逻辑电路均由可编程逻辑阵列制成，以减小体积，并可进行加密保护。

上述多通道数字式示波卡可广泛用于电子工程测量技术领域，也可用于其它观测波形物理量的领域，在上述领域中替代过时的模拟示波器和价格高的数字示波器。随着微电子技术的不断发展，将会出现功能更强，体积更小，成本更低的电子元器件，而本系统则可以利用新的元器件实现多功能化、小型化。

Claims (12)

1、一种多通道数字式示波卡，其特征在于整个系统由输入通道电路单元[1]、数字采集电路单元[2]、多路触发电路单元[3]、时基发生单元[4]、控制逻辑单元[5]和I/O接口单元[6]组成；被测信号从输入通道电路单元[1]输入，经匹配放大采样后传送到数字采集电路单元[2]进行数字化变换采集和存储，由多路触发电路单元[3]选择或产生的触发信号被整形放大后传送到时基发生单元[4]，时基发生单元[4]给系统各部分提供各种所需的时基脉冲信号，I/O接口电路单元[6]与计算机[7]进行通讯，将计算机[7]的控制命令正确译码并传送到控制逻辑单元[5]，全系统的工作由控制逻辑单元[5]控制。

2、根据权利要求1所述的多通道数字式示波卡，其特征在于输入通道电路单元[1]是由通道探头[11]、输入探头匹配电路[12]、程控可变衰减器[13]、前置放大器[14]、跟踪与保持采样器[15]、后置放大器[16]及调零电路[17]所组成;被测信号由通道探头[11]输入到输入探头匹配电路[12]，经选择合适的匹配方式后送到程控可变衰减器[13]进行信号的衰减，程控可变衰减器[13]受控制寄存器[51]的控制以选择衰减系数，经衰减后的被测信号传送至前置放大器[14]进行隔离放大并传到跟踪与保持采样器[15]，由高速窄脉冲序列控制的跟踪与保持采样器[15]采样保持，经后置放大[16]后传送到数字采集电路单元[2]进行数字化;调零电路[17]输出信号加在输入探头匹配电路[12]上，用以调节系统的零点。

3、根据权利要求1或2所述的多通道数字式示波卡，其特征在于数字采集电路单元[2]是由高速高精度A/D转换器[21]、数据采集存贮器[22]、数据选择切换开关电路[23]、地址选择开关电路[24]、快地址发生器[25]组成;由后置放大器[16]放大了的被采样保持信号经高速高精度A/D转换器[21]数字化变换后成为8bits数字数据，并由数据采集存贮器[22]将数字数据存贮起来，数据选择切换开关电路[23]将存贮的数据传送给计算机[7]进行处理的显示，快地址发生器[25]产生的高速地址信号经地址选择开关电路[24]与计算机[7]地址信号切换后，送到数据采集存贮器[22]的地址总线。

4、根据权利要求1至3任一所述的多通道数字式示波卡，其特征在于多路触发电路单元[3]是由通道触发放大器[31]、外触发放大器[32]、交流线路同步整形器[33]、程控触发器[34]、多路触发开关电路[35]、信号及触发电压调节电路[36]、系统触发逻辑电路[37]和前/后置触发计数器[38]组成;被测信号经通道触发放大器[31]整形放大后成为通道触发信号传到多路触发开关电路[35];外触发信号经外触发放大器[32]放大整形后也被传到多路触发开关电路[35];交流线路同步整形器[33]将电源上的交流电整形后同样传送至多路触发开关电路[35]，计算机[7]命令控制的程控触发器[34]产生程控触发信号也输入到多路触发开关电路[35];由控制寄存器[51]控制的多路触发开关电路[35]从各路触发信号中选择其中的一路作为系统触发信号传到信号及触发电压调节电路[36]，进行信号限幅调节和触发电平门限调节形成系统触发脉冲信号传送到系统触发逻辑电路[37]，受控制寄存器[51]和时基发生器[4]控制的前/后置触发计数器[38]产生计数定时信号，在系统触发逻辑电路[37]里与系统触发脉冲信号逻辑运算后，输出到快地址发生器[25]，控制快速采样地址的定位发生。

5、根据权利要求1至4任一所述的多通道数字示波卡，其特征在于时基发生单元[4]由时钟发生器[41]、移相脉冲发生器[42]、时基逻辑发生器[43]、时基逻辑选择器[44]组成;时钟发生器[41]的主要元器件是石英晶体振荡器，其产生的高稳定时钟信号分频后分别送到移相脉冲发生器[42]和时基逻辑发生器[43]作为时钟信号，移相脉冲发生器[42]产生的步进移相窄脉冲信号传到输入通道电路单元[1]中的跟踪与保持采样器[15]做采样脉冲，时基逻辑选择器[44]将控制寄存器[51]的时基选择命令转换成控制电平信号，从而控制时基逻辑发生器[43]产生相应的逻辑信号，使高速度A/D转换器[21]，快地址发生器[25]及前/后置触发计数器[38]得到相应的逻辑信号。

6、根据权利要求1至5任一所述的多通道数字式示波卡，其特征在于控制逻辑单元[5]由控制寄存器[51]、RAM判优逻辑电路[52]及控制逻辑运算电路[53]组成;计算机[7]通过I/O接口电路单元[6]将命令写入控制寄存器[51]，控制寄存器[51]将命令控制电平直接传到系统各部分电路，控制寄存器[51]还通过控制逻辑运算电路[53]产生条件控制信号，从而实现计算机[7]对本系统的控制;RAM判优逻辑电路[52]接受控制寄存器[51]的命令控制电平后对时基逻辑发生器[43]送出的时基信号进行逻辑运算判断，从而产生对快地址发生器[25]的屏蔽信号，使之暂停工作，以便计算机[7]对数据采集存贮器[22]的操作。

7、根据权利要求1至6任一所述的多通道数字式示波卡，其特征在于I/O接口电路单元[6]由地址译码器[61]、读写控制器[62]、长线驱动器[63]组成;计算机[7]通过地址译码器[61]和读写控制器[62]对整个系统进行控制，长线驱动器[63]将计算机[7]的控制信号，地址总线信号，数据总线信号传送到距计算机总线较远的系统电路上，减轻计算机总线的负担，提供较大的驱动电流。

8、根据权利要求1或2所述的输入通道电路单元[1]，其特征在于程控可变衰减器[13]是用CMOS多路选择开关抑制切换由精密电阻网络和运算放大器组成的衰减网络电路，从而实现由计算机[7]通过控制寄存器[51]控制CMOS多路选择开关来选择衰减系数的功能;精密电阻网络须用误差为0.1%的精密电阻组成，运算放大器选用高速，低噪声运算放大器。

9、根据权利要求1或2所述的输入通道电路单元[1]，其特征在于跟踪与保持采样器[15]是以高速开关型MOS三极管和保持电容及运算放大器为核心的快速高精度跟踪采样保持电路，是决定本系统采样精度的关键之一，高速开关型MOS三极管的导通电阻应尽可能小，其电阻值与保持电容所决定的充电时间常数必须小于采样窄脉冲密度的二分之一，高速开关型MOS三极管的开关速度须高于由充电时间常数所决定的频率的两倍。

10、根据权利要求1或5所述的时基逻辑发生单元[4]，其特征在于移相脉冲发生器[42]是用ECL电路设计的，是以采样频率为周期，每次移相一个脉宽的高速窄脉冲移相器，其每周期内的移相次数取决于高速窄脉冲的宽度。

11、根据权利要求1至10任一所述的多通道数字式示波卡，其特征在于全系统的结构为卡-机配合式，I/O接口电路单元[6]制成插卡插在计算机[7]内，其他各单元装在计算机[7]外的小型机箱内，由长线传输信号。

12、根据权利要求1至10任一述的多通道数字式示波卡，其特征在于所有逻辑电路均由可编程逻辑阵列制成，以减小体积，并可进行加密保护。

Images