CN108318724A - 一种手持式多功能综合测量仪 - Google Patents

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刘涛
李玉海
张德煌
梁榜
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Abstract

本发明公开了一种手持式多功能综合测量仪，包括电源模块、示波器信号输入端、示波器信号预处理模块、万用表信号输入端、万用表信号预处理模块、显示模块、ARM主控模块、信号源信号处理模块、信号源输出端、输入模块、ARM主控模块；ARM主控模块分别与示波器信号预处理模块、万用表信号预处理模块、信号源信号处理模块、显示模块、输入模块连接；示波器信号预处理模块还与示波器信号输入端连接，万用表信号预处理模块还与万用表信号输入端连接，信号源信号处理模块还与信号源输出端连接；该测量仪可提供示波器、万用表和信号源三者的功能，同时内置锂电池，具有功能强大、方便携带等优点。

Description

一种手持式多功能综合测量仪
技术领域
本发明涉及数字仪表技术领域，具体是一种手持式多功能综合测量仪。
背景技术
随着电子集成技术、数字技术的发展的同时，对于测量仪器的要求也越来越高，许多场合下需要同时拥有万用表、示波器和信号源才能进行有效测量，传统的手持式万用表已经难以满足测量要求，市面上常见集万用表和示波器功能一体的示波表，但是仍缺少同时拥有万用表、示波器和信号源功能，并且体积小、方便携带、价格适中的手持式多功能测量仪器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种手持式多功能综合测量仪。该测量仪具有示波器、万用表和信号源三者的功能；作为示波器可以测量输入信号波形、频率、峰峰值，测量挡位多挡可调；作为万用表可以测量直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、电阻、导通状态;作为信号源可以输出正弦波、三角波、方波，输出频率和幅度可调节；手持式多功能综合测量仪采用的高性能ARM主控片内集成ADC、DAC、定时器和LTDC液晶屏控制器，减少了所需的外围电路，体积小，同时内置锂电池，方便携带。
实现本发明目的的技术方案是：
一种手持式多功能综合测量仪，包括电源模块、示波器信号输入端、示波器信号预处理模块、万用表信号输入端、万用表信号预处理模块、显示模块、ARM主控模块、信号源信号处理模块、信号源输出端、输入模块、ARM主控模块；
所述的电源模块分别为示波器信号输入端、示波器信号预处理模块、万用表信号输入端、万用表信号预处理模块、显示模块、ARM主控模块、信号源信号处理模块、信号源输出端、输入模块、ARM主控模块供电；
所述的ARM主控模块分别与示波器信号预处理模块、万用表信号预处理模块、信号源信号处理模块、显示模块、输入模块连接；其中示波器信号预处理模块还与示波器信号输入端连接，万用表信号预处理模块还与万用表信号输入端连接，信号源信号处理模块还与信号源输出端连接；通过输入模块修改手持式多功能综合测量仪的功能、ARM主控模块根据不同功能切换不同模块工作，并修改显示模块显示的内容。
所述的电源模块，包括电源管理芯片、锂电池和电源适配器接口，所述的电源管理芯片分别与锂电池和电源适配器接口连接，电源管理芯片采用TP4056，该芯片可提供高达1000mA的可编程充电电流。
所述的示波器信号输入端、信号源输出端，采用SMA接头。
所述的万用表信号输入端，包括测电流端子和通用测量端子；所述的测电流端子只用于测量电流使用，采用香蕉头插座；所述的通用测量端子用于测量电压、测量电阻和测量导通时使用，同样采用香蕉头插座。
所述的显示模块，采用AT070TN92液晶屏。
所述的输入模块，由编码器开关组成；所述的编码器开关可旋转也可按下，实现不同功能。
所述的ARM主控模块,采用STM32F429芯片,该芯片片内集成ADC、DAC、定时器和LTDC液晶屏控制器。
所述的示波器信号预处理模块，包括依次连接的电阻分压电路、换挡电路、放大整形电路，还包括电平抬升电路和第一限幅电路；电平抬升电路的信号输入端与换挡电路连接，电平抬升电路的信号输出端与第一限幅电路的信号输入连接；放大整形电路的输出端与ARM主控模块连接，第一限幅电路的输出端与ARM主控模块连接；放大整形电路将产生与示波器信号输入端输入信号同频率的矩形波至ARM主控模块；第一限幅电路将产生与示波器信号输入端输入信号波形相同但幅度不同的信号，同时给信号提供了直流偏置，供ARM主控模块内的ADC采集。
所述的电阻分压电路是由多个电阻组成的分压电路；
所述的换挡电路，包括继电器阵列和运放芯片OPA2727，继电器阵列与OPA2727构成同向比例放大器，通过继电器阵列切换不同反馈电阻修改放大倍数；
所述的放大整形电路包括，依次连接的放大器芯片OPA2277、比较器芯片AD8561，OPA2277构建的放大器对信号进行放大，再由AD8561构建的迟滞比较器将信号转换为矩形波；
所述的电平抬升电路采用OPA842芯片构建的加法器，将输入的双边信号抬升1.5V；
所述的第一限幅电路，采用两个1N4148二极管构建。
所述的万用表信号预处理模块，包括换挡开关、电压测量电路、电阻测量电路、电流测量电路和第二限幅电路；换挡开关分别与电压测量电路、电阻测量电路、电流测量电路的信号输入端连接；电压测量电路、电阻测量电路、电流测量电路的信号输出端分别与第二限幅电路的信号输入端连接；第二限幅电路的信号输出端与ARM主控模块连接；通过旋转换挡开关，切换硬件电路的连接状态，同时ARM主控模块扫描换挡开关，获取当前硬件连接状态，并做相应处理。
所述的电压测量电路，采用放大器芯片OPA2727和电阻分压构成，通过换挡开关切换不同的硬件连接，对输入信号幅度进行不同程度的缩放；
所述的电阻测量电路，通过换挡开关切换不同的分压电阻，分压电阻一端接5V电源，外接测量电阻后可得到不同的分压；
所述的电流测量电路，采用ACS712线性电流传感器芯片，该芯片可测量交流电流和直流电流，输出一个与输入电流大小有关的模拟电压值，拥有80kHz的带宽，在25°C时，测量电流总误差小于1.5%；
所述的第二限幅采用两个1N4148二极管构建。
所述的信号源信号处理模块，包括依次连接的电平移位电路、低通滤波器、幅度调节旋钮和反向放大器；所述的电平移位电路采用放大器芯片LMH6643构成的加法器实现；所述的低通滤波器采用LC无源滤波电路实现；所述的幅度调节旋钮采用电位器，通过电阻分压的方式改变信号源最终输出信号幅度大小；所述的反向放大器采用放大器芯片LMH6643实现。
有益效果：本发明提供的一种手持式多功能综合测量仪，可提供示波器、万用表和信号源三者的功能，同时内置锂电池，具有功能强大、方便携带等优点。
附图说明
图1为本发明的一种手持式多功能综合测量仪的结构框图；
图2为本发明的一种手持式多功能综合测量仪的外观示意图；
图3为示波器信号预处理模块的结构框图；
图4为万用表信号预处理模块的结构框图；
图5为信号源信号预处理模块的结构框图；
图中，1.旋转编码器开关 2.换挡开关 3.通用测量端子 4.测电流端子 5.液晶屏6.示波器信号输入端 7.信号源输出端 8.电源适配器接口 9.幅度调节旋钮。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
如图1所示，一种手持式多功能综合测量仪，包括电源模块、示波器信号输入端、示波器信号预处理模块、万用表信号输入端、万用表信号预处理模块、显示模块、ARM主控模块、信号源信号处理模块、信号源输出端、输入模块、ARM主控模块；
所述的电源模块分别为示波器信号输入端、示波器信号预处理模块、万用表信号输入端、万用表信号预处理模块、显示模块、ARM主控模块、信号源信号处理模块、信号源输出端、输入模块、ARM主控模块供电；
所述的ARM主控模块分别与示波器信号预处理模块、万用表信号预处理模块、信号源信号处理模块、显示模块、输入模块连接；其中示波器信号预处理模块还与示波器信号输入端连接，万用表信号预处理模块还与万用表信号输入端连接，信号源信号处理模块还与信号源输出端连接；通过输入模块修改手持式多功能综合测量仪的功能、ARM主控模块根据不同功能切换不同模块工作，并修改显示模块显示的内容。
如图2所示，为一种手持式多功能综合测量仪的外观示意图，示波器信号输入端通过信号输入端输入，信号源输出端通过信号输出端输出，ARM主控模块、示波器信号预处理模块、万用表信号预处理模块和信号源信号处理模块设在该测量仪的内部，显示模块通过液晶显示屏进行显示。
所述的电源模块，包括电源管理芯片、锂电池和如图2所示的电源适配器接口，所述的电源管理芯片分别与锂电池和电源适配器接口连接，电源管理芯片采用TP4056，该芯片可提供高达1000mA的可编程充电电流。
所述的示波器信号输入端、信号源输出端，采用SMA接头。
所述的万用表信号输入端，包括如图2所示的测电流端子和通用测量端子；所述的测电流端子只用于测量电流使用，采用香蕉头插座；所述的通用测量端子用于测量电压、测量电阻和测量导通时使用，同样采用香蕉头插座。
所述的显示模块，采用AT070TN92液晶屏。
所述的输入模块，由图2所示的旋转编码器开关1组成；所述的编码器开关可旋转也可按下，实现不同功能。
所述的ARM主控模块，采用STM32F429芯片，该芯片片内集成ADC、DAC、定时器和LTDC液晶屏控制器。
如图3所示，所述的示波器信号预处理模块，包括依次连接的电阻分压电路、换挡电路、放大整形电路，还包括电平抬升电路和第一限幅电路；电平抬升电路的信号输入端与换挡电路连接，电平抬升电路的信号输出端与第一限幅电路的信号输入连接；放大整形电路的输出端与ARM主控模块连接，第一限幅电路的输出端与ARM主控模块连接；放大整形电路将产生与示波器信号输入端输入信号同频率的矩形波至ARM主控模块；第一限幅电路将产生与示波器信号输入端输入信号波形相同但幅度不同的信号，同时给信号提供了直流偏置，供ARM主控模块内的ADC采集。
所述的电阻分压电路是由多个电阻组成的分压电路；
所述的换挡电路，包括继电器阵列和运放芯片OPA2727，继电器阵列与OPA2727构成同向比例放大器，通过继电器阵列切换不同反馈电阻修改放大倍数；
所述的放大整形电路包括，依次连接的放大器芯片OPA2277、比较器芯片AD8561，OPA2277构建的放大器对信号进行放大，再由AD8561构建的迟滞比较器将信号转换为矩形波；
所述的电平抬升电路采用OPA842芯片构建的加法器，将输入的双边信号抬升1.5V；
所述的第一限幅电路，采用两个1N4148二极管构建。
如图4所示，所述的万用表信号预处理模块，包括换挡开关、电压测量电路、电阻测量电路、电流测量电路和第二限幅电路；换挡开关分别与电压测量电路、电阻测量电路、电流测量电路的信号输入端连接；电压测量电路、电阻测量电路、电流测量电路的信号输出端分别与第二限幅电路的信号输入端连接；第二限幅电路的信号输出端与ARM主控模块连接；通过旋转换挡开关，切换硬件电路的连接状态，同时ARM主控模块扫描换挡开关，获取当前硬件连接状态，并做相应处理。
所述的电压测量电路，采用放大器芯片OPA2727和电阻分压构成，通过换挡开关切换不同的硬件连接，对输入信号幅度进行不同程度的缩放；
所述的电阻测量电路，通过换挡开关切换不同的分压电阻，分压电阻一端接5V电源，外接测量电阻后可得到不同的分压；
所述的电流测量电路，采用ACS712线性电流传感器芯片，该芯片可测量交流电流和直流电流，输出一个与输入电流大小有关的模拟电压值，拥有80kHz的带宽，在25°C时，测量电流总误差小于1.5%；
所述的第二限幅采用两个1N4148二极管构建。
如图5所示，所述的信号源信号处理模块，包括依次连接的电平移位电路、低通滤波器、如图2所示的幅度调节旋钮和反向放大器；所述的电平移位电路采用放大器芯片LMH6643构成的加法器实现；所述的低通滤波器采用LC无源滤波电路实现；所述的幅度调节旋钮采用电位器，通过电阻分压的方式改变信号源最终输出信号幅度大小；所述的反向放大器采用放大器芯片LMH6643实现。
手持式多功能综合测量仪同时拥有示波器、万用表和信号源三大功能。手持式多功能综合测量仪切换到示波器功能时，被测信号从如图2所示的信号输入端6接入，经过如图3所示的示波器信号预处理模块处理，图3中的电阻分压电路对输入信号进行分压，根据当前示波器测量挡位的设置，换挡电路切换挡位对分压后的输入信号进行幅度缩放，放大整形电路对幅度缩放后的信号整形，产生与示波器信号输入端输入信号同频率的矩形波至ARM主控模块用于测量信号频率，同时电平抬升电路给幅度缩放后的信号提供直流偏置，第一限幅电路限制信号幅度范围，保护ARM主控内的ADC不被损坏，第一限幅电路将产生与示波器信号输入端输入信号波形相同但幅度不同的信号，供ARM主控内的ADC采集；ARM主控对数据进行处理，在如图2的在液晶显示屏5上显示其波形、幅度、峰峰值和频率信息，调节旋转编码器开关1可更改示波器垂直灵敏度、水平灵敏度和触发电平。
手持式多功能综合测量仪切换到万用表功能时，测量电流信号时从如图2所示的测电流端子4接入，测量非电流信号时从通用测量端子3接入，用户通过换挡开关切换硬件电路的连接方式，如图4所示，使被测信号接入电压测量电路、电阻测量电路或电流测量电路，电压测量电路采用放大器芯片OPA2727和电阻分压构成，通过如图2的换挡开关切换不同的硬件连接，对输入信号幅度进行不同程度的缩放；电阻测量电路通过如图2的换挡开关切换不同的分压电阻，分压电阻一端接5V电源，外接测量电阻后可得到不同的分压；电流测量电路，采用ACS712线性电流传感器芯片，该芯片可测量交流电流和直流电流，输出一个与输入电流大小有关的模拟电压值，拥有80kHz的带宽，在25°C时，测量电流总误差小于1.5%；电压测量电路、电阻测量电路和电流测量电路最后输出都是电压信号，第二限幅采用两个1N4148二极管构建，限制该电压信号幅度，保护ARM主控内的ADC不被损坏，供ARM主控内的ADC采集。如图2的换挡开关2可以切换测量类型为直流电流、交流电流、直流电压、交流电压、电阻、导通检测中的任一类，调节换挡开关2还可以更改测量的量程；
使用手持式多功能综合测量仪的信号源功能时，如图5所示ARM主控通过内置的DAC输出相应波形信号，接着由电平移位电路消除信号中的直流成分，低通滤波器滤除信号中的高频成分，幅度调节旋钮调节电位器的调节旋钮来调节幅度，最后反向放大器将信号放大输出，信号源输出信号从如图2所示的信号源输出端7输出，调节旋转编码器开关1可以改变输出信号波形为正弦波、三角波、方波中的任一类，调节旋转编码器开关1还可以改变输出信号频率，调节幅度调节开关1的旋钮可改变输出信号幅度大小。

Claims (10)

1.一种手持式多功能综合测量仪，其特征在于，包括电源模块、示波器信号输入端、示波器信号预处理模块、万用表信号输入端、万用表信号预处理模块、显示模块、ARM主控模块、信号源信号处理模块、信号源输出端、输入模块、ARM主控模块；
所述的电源模块分别为示波器信号输入端、示波器信号预处理模块、万用表信号输入端、万用表信号预处理模块、显示模块、ARM主控模块、信号源信号处理模块、信号源输出端、输入模块、ARM主控模块供电；
所述的ARM主控模块分别与示波器信号预处理模块、万用表信号预处理模块、信号源信号处理模块、显示模块、输入模块连接；其中示波器信号预处理模块还与示波器信号输入端连接，万用表信号预处理模块还与万用表信号输入端连接，信号源信号处理模块还与信号源输出端连接；通过输入模块修改手持式多功能综合测量仪的功能、ARM主控模块根据不同功能切换不同模块工作，并修改显示模块显示的内容。
2.根据权利要求1一种手持式多功能综合测量仪，其特征在于，所述的电源模块，包括电源管理芯片、锂电池和电源适配器接口，所述的电源管理芯片分别与锂电池和电源适配器接口连接，电源管理芯片采用TP4056，该芯片可提供高达1000mA的可编程充电电流。
3.根据权利要求1一种手持式多功能综合测量仪，其特征在于，所述的示波器信号输入端、信号源输出端，采用SMA接头。
4.根据权利要求1一种手持式多功能综合测量仪，其特征在于，所述的万用表信号输入端，包括测电流端子和通用测量端子；所述的测电流端子只用于测量电流使用，采用香蕉头插座；所述的通用测量端子用于测量电压、测量电阻和测量导通时使用，同样采用香蕉头插座。
5.根据权利要求1一种手持式多功能综合测量仪，其特征在于，所述的显示模块，采用AT070TN92液晶屏。
6.根据权利要求1一种手持式多功能综合测量仪，其特征在于，所述的输入模块，由编码器开关组成；所述的编码器开关可旋转也可按下，实现不同功能。
7.根据权利要求1一种手持式多功能综合测量仪，其特征在于，所述的ARM主控模块,采用STM32F429芯片,该芯片片内集成ADC、DAC、定时器和LTDC液晶屏控制器。
8.根据权利要求1一种手持式多功能综合测量仪，其特征在于，所述的示波器信号预处理模块，包括依次连接的电阻分压电路、换挡电路、放大整形电路，还包括电平抬升电路和第一限幅电路；电平抬升电路的信号输入端与换挡电路连接，电平抬升电路的信号输出端与第一限幅电路的信号输入连接；放大整形电路的输出端与ARM主控模块连接，第一限幅电路的输出端与ARM主控模块连接；放大整形电路将产生与示波器信号输入端输入信号同频率的矩形波至ARM主控模块；第一限幅电路将产生与示波器信号输入端输入信号波形相同但幅度不同的信号，同时给信号提供了直流偏置，供ARM主控模块内的ADC采集；
所述的电阻分压电路是由多个电阻组成的分压电路；
所述的换挡电路，包括继电器阵列和运放芯片OPA2727，继电器阵列与OPA2727构成同向比例放大器，通过继电器阵列切换不同反馈电阻修改放大倍数；
所述的放大整形电路包括，依次连接的放大器芯片OPA2277、比较器芯片AD8561，OPA2277构建的放大器对信号进行放大，再由AD8561构建的迟滞比较器将信号转换为矩形波；
所述的电平抬升电路采用OPA842芯片构建的加法器，将输入的双边信号抬升1.5V；
所述的第一限幅电路，采用两个1N4148二极管构建。
9.根据权利要求1一种手持式多功能综合测量仪，其特征在于，所述的万用表信号预处理模块，包括换挡开关、电压测量电路、电阻测量电路、电流测量电路和第二限幅电路；换挡开关分别与电压测量电路、电阻测量电路、电流测量电路的信号输入端连接；电压测量电路、电阻测量电路、电流测量电路的信号输出端分别与第二限幅电路的信号输入端连接；第二限幅电路的信号输出端与ARM主控模块连接；通过旋转换挡开关，切换硬件电路的连接状态，同时ARM主控模块扫描换挡开关，获取当前硬件连接状态，并做相应处理；
所述的电压测量电路，采用放大器芯片OPA2727和电阻分压构成，通过换挡开关切换不同的硬件连接，对输入信号幅度进行不同程度的缩放；
所述的电阻测量电路，通过换挡开关切换不同的分压电阻，分压电阻一端接5V电源，外接测量电阻后可得到不同的分压；
所述的电流测量电路，采用ACS712线性电流传感器芯片，该芯片可测量交流电流和直流电流，输出一个与输入电流大小有关的模拟电压值，拥有80kHz的带宽，在25°C时，测量电流总误差小于1.5%；
所述的第二限幅采用两个1N4148二极管构建。
10.根据权利要求1一种手持式多功能综合测量仪，其特征在于，所述的信号源信号处理模块，包括依次连接的电平移位电路、低通滤波器、幅度调节旋钮和反向放大器；所述的电平移位电路采用放大器芯片LMH6643构成的加法器实现；所述的低通滤波器采用LC无源滤波电路实现；所述的幅度调节旋钮采用电位器，通过电阻分压的方式改变信号源最终输出信号幅度大小；所述的反向放大器采用放大器芯片LMH6643实现。
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