CN201654096U - 基于外部延时技术的等效采样示波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及示波器设计技术领域，尤其涉及一种基于外部延时技术的等效采样示波器。本实用新型包括微控制系统、测量电路、外部延时模块，所述微控制系统与测量电路直接电连接，所述微控制系统同时连接外部延时模块；所述微控制系统包括单片机、FPGA芯片、LCD液晶显示器，单片机与FPGA芯片双向电相连，FPGA芯片同时连接LCD液晶显示器；所述测量电路包括信号调理电路、A/D采样器和整形电路。本实用新型结构简单实用，使用方便，而且可以根据外部延时器的不同，进一步减短延时时间提高等效采样频率，实现了快速，高效，高精度测量，提高了等效采样的采样速率，增强了示波器的性能。

Description

基于外部延时技术的等效采样示波器

技术领域

本实用新型涉及示波器设计技术领域，尤其涉及一种基于外部延时技术的等效采样示波器。

背景技术

示波器是一种将不可见的电信号转化成可见图像的电子测量仪器。示波器在工作过程中需要对测量电信号进行A/D采样，而在对高频信号进行采样的过程中，由于A/D转化芯片的采样速度有限，往往通过等效采样的方式实现低速采样率采集高频信号的功能，这就是等效采样示波器。等效采样的实质就是把待测量信号依次延时nΔt(n＝0、1、2、3…)后，对每一次延时进行一次采样，然后根据采样后的点回复出原波形，并显示出来。

目前的示波器往往使用FPGA芯片作为控制核心，并在FPGA内部实现该Δt的延时。但由于FPGA本身工作频率的限制(目前FPGA的工作频率一般在200M左右)，该延时最小只能达到5ns，对应的等效采样频率也只能达到200M，而现在对于高速采样率的示波器要求越来越高，200M的采样率已经不能满足要求。

针对上述存在的技术问题，本实用新型设计了一套基于外部延时技术的等效采样示波器，延时时间短达1ns，等效采样频率高达1G，并且可以通过提高外部延时器的性能更大程度的间断延时时间，提高采样频率。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于外部延时技术的等效采样示波器，利用等效采样原理，结合嵌入式系统控制技术，针对高频待测电信号进行采样、测量和显示，适用于人们对电信号进行高速有效的测量分析。

为达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：

微控制系统、测量电路、外部延时模块，所述微控制系统与测量电路直接电连接，所述微控制系统同时连接外部延时模块；

所述微控制系统包括单片机、FPGA芯片、LCD液晶显示器，单片机与FPGA芯片双向电相连，FPGA芯片同时连接LCD液晶显示器；

所述测量电路包括信号调理电路、A/D采样器和整形电路；所述信号调理电路的输入端连接信号入口，信号调理电路的输出端分两路，一路连接A/D采样器，一路连接整形电路；A/D采样器和整形电路分别与FPGA芯片电连接。

所述外部延时模块采用可编程定时芯片DS1023构成。

所述整形电路由放大电路和比较器电路组成，其中放大电路采用自动增益方式，使用芯片AD603，比较器电路采用滞回比较方式，使用芯片TL3116。

所述A/D采样器采用高速采样芯片MAX1425构成，包括输入隔离电路、滤波电路和数据总线。

本实用新型具有以下优点和积极效果：

1)结构简单实用，使用方便，而且可以根据外部延时器的不同，进一步减短延时时间提高等效采样频率；

2)实现了快速，高效，高精度测量，提高了等效采样的采样速率，增强了示波器的性能。

附图说明

图1是本实用新型提供的基于外部延时技术的等效采样示波器的结构框图。

图2是本实用新型基于外部延时技术的等效采样示波器中信号调理电路的电路图。

图3是本实用新型基于外部延时技术的等效采样示波器中整形电路的电路图。

图4是本实用新型基于外部延时技术的等效采样示波器中A/D采样器的电路图。

图5是本实用新型基于外部延时技术的等效采样示波器中外部延时模块的电路图。

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图对本实用新型作进一步说明：

本实用新型提供的基于外部延时技术的等效采样示波器，具体采用如下技术方案，参见图1，包括：

微控制系统(101、102、103)、测量电路(104、105、106)、外部延时模块(107)，微控制系统(101、102、103)控制整个示波器的工作，并且该微控制系统(101、102、103)与测量电路(104、105、106)直接相连，微控制系统(101、102、103)同时连接外部延时模块(107)；

微控制系统(101、102、103)包括单片机(101)、FPGA芯片(102)、LCD液晶显示器(103)，单片机(101)与FPGA芯片(102)双向电相连，FPGA芯片(102)同时连接LCD液晶显示器(103)；单片机(101)初始化整个系统，并且控制FPGA(102)中各个模块的进程，通过FPGA(102)控制LCD液晶显示器(103)显示探测波形；

测量电路(104、105、106)包括信号调理电路(104)、A/D采样器(105)和整形电路(106)；信号调理电路(104)输入端连接信号入口，信号调理电路(104)输出端分两路，一路连接A/D采样器(105)，一路连接整形电路(106)；A/D采样器(105)和整形电路(106)分别与FPGA芯片(102)电连接；

在上述的基于外部延时技术的等效采样示波器中，外部延时模块(107)采用可编程定时芯片DS1023构成；整形电路(106)由放大电路和比较器电路组成，其中放大电路采用自动增益方式，使用芯片AD603，比较器电路采用滞回比较方式，使用芯片TL3116；A/D采样器(105)采用高速采样芯片MAX1425构成，包括输入隔离电路、滤波电路和数据总线。

下面进一步描述本实用新型提供的基于外部延时技术的等效采样示波器的工作原理：

示波器首先对输入信号进行信号调理，通过检测用户选择的测量档位，有FPGA中的控制程序控制信号调理电路进行相应档位的放大。如图2所示，通过继电器选择各档位增益，继电器由单片机控制。

Ths3001的带宽有420MHz，压摆为6500V/us，适合做宽带放大。第一片Ths3001和第二片Ths3001采用同相输入实现阻抗匹配，Ths3001同相输入阻抗为1.5MΩ，所以如图中所示分别接入3MΩ的电阻R1和R2实现两路的1MΩ输入阻抗。R3、R4、R5和R6构成一个衰减网络。Ths7002能够以6dB为步进实现-22dB～20dB衰减/增益控制，本系统只用到其中三个增益控制，2dB、8dB和14dB，即增益分别为1.25、2.5和5倍。Ths7002还能将电压箝位在AD采样的范围内，防止输入大信号时垂直灵敏度档位设置得不合适而将信号放大得很大，远远超过AD采样的范围，这样对ADC转换芯片不利。

本通道可以通过继电器S3来选择显示为交流档还是直流档。因为涉及到直流档，因此必须消除通道中运放引入的失调电压和偏置电压等，因此在每一个运放的信号输入引脚接入调零电路，如通过调节图中Rp调零。图中的电阻是经过精密测量后得到的数值，与实际标称值有点出入，这样是为了得到精确的增益。图中第四片ths3001实现一个加法器，引脚2接入“DAC输出”，是通过单片机控制DAC转换器使信号叠加一个直流电压，这样可以实现波形相对零电平上下移动，再通过ths7002放大与箝位，和第五片ths3001放大，这样可以截取波形每一部分使其被放大，能够清楚的观察每一部分波形，尤其是能方便的观察正弦波形的过零点处和波峰和波谷。

然后将调理过多电信号进行比较整形处理。这部分核心器件采用超高速比较器TL3116。输入信号经过可控增益放大器AD603构成的自动增益电路，这样保证信号进入TL3116时都能达到合适幅度。如图3，信号经过经过一个阻容网络后进入AD603的输入端，AD603的可控增益部分由三极管网络搭建，并以AD603的输出作为反馈，实现自动增益控制。之后信号进入TL3116实现滞回比较，将输入信号整形成方波信号。这个方波信号进入FPGA，有两个用途：一是作为测频模块的输入信号，以测试输入信号的频率；二是作为触发信号，供后面的等效采样使用。

同时将调理后的电信号直接进行A/D转换，此过程为实时采样，本系统A/D采样芯片采用MAX1425，一款高速采样芯片，自带有采样保持功能，为等效采样时提供了采样保持。如图4，MAX1425为10位AD，最高采样率为20MSa/s，但实际上控制它的最高采样率为1MSa/s，且只用高8位作为有效位，即垂直分辨率为8bits。MAX1425采样电路如图4。MAX1425具有内部电压基准，输入信号采用差分输入，差分输入电压范围为-2V到2V，峰峰值最大为4V，而且可以采用直流耦合也可以交流耦合。本系统采用直流耦合，而且采用内部基准，最后MAX1425的输入电压范围为0.25V到4.25V，峰峰值为4V。经过A/D转换后的数字信号就进入到FPGA中进行相应处理。

再然后FPGA结合外部延时模块控制和之前整形后的方波信号，控制A/D采样器进行等效采样。如图5，第一片延时芯片的输出与第二片延时芯片的输入相连，提供足够的延时以采集足够的点数进行波形显示。延时芯片采用DS1023。FPGA一旦检测到触发信号就控制DS1023产生一个延时(DS1023一个延时单元为1ns)，同时控制A/D采样器进行一次采样。下一次检测到触发信号就控制DS1023产生两个延时。如此进行下去，直到采集到足够的点数以供显示，就完成了等效采样的过程。

最后，在单片机的控制下，FPGA对采样数据进行处理，存储，将相应的数据通过LCD液晶显示器显示出来，方便测量人员实时分析判别。

Claims (4)

1.一种基于外部延时技术的等效采样示波器，其特征在于，包括：

微控制系统(101、102、103)、测量电路(104、105、106)、外部延时模块(107)，所述微控制系统(101、102、103)与测量电路(104、105、106)直接电连接，所述微控制系统(101、102、103)同时连接外部延时模块(107)；

所述微控制系统(101、102、103)包括单片机(101)、FPGA芯片(102)、LCD液晶显示器(103)，单片机(101)与FPGA芯片(102)双向电相连，FPGA芯片(102)同时连接LCD液晶显示器(103)；

所述测量电路(104、105、106)包括信号调理电路(104)、A/D采样器(105)和整形电路(106)；所述信号调理电路(104)的输入端连接信号入口，信号调理电路(104)的输出端分两路，一路连接A/D采样器(105)，一路连接整形电路(106)；A/D采样器(105)和整形电路(106)分别与FPGA芯片(102)电连接。

2.根据权利要求1所述的基于外部延时技术的等效采样示波器，其特征在于：

所述外部延时模块(107)采用可编程定时芯片DS1023构成。

3.根据权利要求1所述的基于外部延时技术的等效采样示波器，其特征在于：

所述整形电路(106)由放大电路和比较器电路组成，其中放大电路采用自动增益方式，使用芯片AD603，比较器电路采用滞回比较方式，使用芯片TL3116。

4.根据权利要求1、2、3中任一项所述的基于外部延时技术的等效采样示波器，其特征在于：

所述A/D采样器(105)采用高速采样芯片MAX1425构成，包括输入隔离电路、滤波电路和数据总线。

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