CN203275483U

CN203275483U - 自动调幅示波器

Info

Publication number: CN203275483U
Application number: CN 201320186102
Authority: CN
Inventors: 马立新; 陶鹏举
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2023-04-15

Abstract

本实用新型提供了一种自动调幅示波器，其特征在于，包括：运放电路；触头；电阻分压装置，包含串联的缓冲电阻和复数个档位电路；低通滤波器包含隔直电容和滤波电阻；过压保护装置；存储部；采样控制部，用于根据采集信号进行采样并且基于采集信号和动作电压阈值来控制继电器的开或关；输入显示部；以及电源部，与采样控制部、输入显示部以及运放电路相连接，其中，采样控制部和输入显示部之间设有通信串口连接。

Description

自动调幅示波器

技术领域

本实用新型涉及一种示波器，特别是涉及一种通过电阻分压电路来检测幅值不定的高电压信号的自动调幅示波器。

背景技术

目前，传统技术中的示波器构造是设有测试触头、信号放大调理电路、触发电路、ADC采样装置、存储器以及显示器等部分。在电气领域，需要采集测试的对象信号具有幅值大、频率低的特性，对电气系统做故障分析时信号检测的要求不严格。普通的万用表一般被用于测量工频交流信号，而低带宽示波器所能测量的电压信号最高幅值也仅仅为200-300V，所以当需要测量高压信号时，必须配置高衰减的探头，但是此做法成本极高而且设备容易遭到损坏。缺乏一种适合检测的高低压信号变化幅度大、具有高灵活度且不易损坏的自动调幅示波器。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种适合检测的高低压信号变化幅值大、具有高灵活度且不易损坏的自动调幅示波器。

本实用新型提供的一种通过复数个由电阻和继电器并联形成的档位电路串联来检测幅值可变的电压信号的自动调幅示波器,具有这样的特征：包括，运放电路，设有具有第一输入信号的反相输入端、具有第二输入信号的同相输入端以及具有运放输出信号的运放输出端；触头，用于连接采集电压信号；电阻分压装置，用于调节第二输入信号，包含串联的缓冲电阻和复数个档位电路，设有与同相输入端连接的分压输出端；低通滤波器，用于滤去运放输出信号中的高频谐波信号以形成采集信号，包含隔直电容和滤波电阻；过压保护装置，用于限制采集信号的采集电压幅值；存储部，用于存储采集信号和可进行调档的动作电压阈值，与采样控制部连接；采样控制部，用于根据采集信号进行采样并且基于采集信号和动作电压阈值来控制继电器的开或关；输入显示部，用于输入设定档位、采样周期并且显示检测到的采样信号、档位以及幅值阈值；以及电源部，与采样控制部、输入显示部以及运放电路相连接，其中，采样控制部和输入显示部之间设有通信串口连接，反相输入端、电阻分压装置、低通滤波器以及过压保护装置都设有接地端。

在本实用新型中的自动调幅示波器中,还可以具有这样的特征：其中，档位电路的串联数量为五个，为与缓冲电阻的一端串联连接的具有第一电阻和第一继电器并联的第一档位电路，顺次至为具有第五电阻和第五继电器并联的第五档位电路，第五电阻的阻值范围大于10兆欧姆，第一电阻的阻值范围为7千欧姆至8千欧姆。

在本实用新型中的自动调幅示波器中,还可以具有这样的特征：其中，运放电路还设有运放输入端、运放接地端，运放输入端、分压输出端和同相输入端之间分别设有第一运放电阻、第二运放电阻，运放接地端、运放输出端和反相输入端之间分别设有第三运放电阻、第四运放电阻，第一运放电阻、第二运放电阻、第三运放电阻以及第四运放电阻的电阻值都相同。

在本实用新型中的自动调幅示波器中,还可以具有这样的特征：其中，过压保护装置中设有具有阴极和阳极的限压二极管，阴极与采集信号端连接，阳极与接地端连接。

本实用新型的效果在于：

本实用新型提供的自动调幅示波器不需要配置高衰减的探头也可用于检测传统万用表无法检测的高压信号，成本低并且相关的电阻分压元件采用可购买直接替换的元器件，价格便宜结构简单且不易损坏易修理。采集控制部可以根据实时的采集信号V5来自动调节档位电路中的继电器，从而能自动适应地根据所测电压信号的幅值来达到匹配的等级档位要求，就省去了利用传统的示波器时需调节幅度按钮这一过程，方便快捷节约人力。利用本实用新型提供的自动调幅示波器进行检测电压信号时，利用采样控制部来自动控制档位电路，利用采集控制部通过比较动作电压阈值和采集来的采集信号通过IO通用接口控制各个档位电路中的继电器，即、从采集到的采集信号进行判别后依次切换到符合测量电压量程，全过程为自动化控制，整体装置会根据实时的采集信号控制档位中继电器的开启或者闭合，自适应的切换到符合要求最优的测量电压量程。

附图说明

图1是本实用新型的具体实施例中的电路原理图；

图2是本实用新型的具体实施例中的调节档位的控制表图；

图3是本实用新型的具体实施例中的控制原理图；

图4是本实用新型的具体实施例中分压输出信号和运放输出信号对应图。

具体实施案例

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的具体实施例中的电路原理图。

如图1所示，本实用新型的实施例中提供的自动调幅示波器100包括运放电路1、触头2、电阻分压装置3、低通滤波器4、过压保护装置5、采样控制部6、存储部7、输入显示部8以及电源部9。

触头2用来采集电压信号10V₀，本实施例中使自动调幅示波器100可测量电压信号10V₀的幅值范围为-1000v至1000v。

运放电路1采用LM741运算放大器11，运放电路1设有反相输入端12、同相输入端13以及运放输出端14，第一输入信号15V3由反相输入端12输入进LM741运算放大器11，第二输入信号16V2由同相输入端13输入进LM741运算放大器11，第一输入信号15V3和第二输入信号16V2经由LM741运算放大器11的运放输出端运算输出形成了运放输出信号17V4。运放电路1还设有运放输入端18、运放接地端19，运放输入端18用于向LM741运算放大器11输入1.5v电压，运放接地端19用于将LM741运算放大器11接地。运放输入端18、分压输出端20和同相输入端13之间分别第一运放电阻21R11、第二运放电阻22R12，运放接地端19、运放输出端14和反相输入端12之间分别第三运放电阻23R13、第四运放电阻24R14，第一运放电阻21R11、第二运放电阻22R12、第三运放电阻23R13以及第四运放电阻24R14的电阻值都为10kΩ。

电阻分压装置3被设置在触头2和运放电路1之间，用于调节输入LM741运算放大器11的第二输入信号16V2。电阻分压装置3设有分压输出端20，用于输出分压输出信号25V1，电阻分压装置3包含缓冲电阻26R0为5MΩ和五个档位电路，缓冲电阻26R0和五个档位电路之间串联连接并且五个档位电路之间也是串联连接。每个档位电路有电阻和可开启或者闭合的继电器并联形成，与缓冲电阻26R0的一端相连接的是具有第一电阻R1为7.5KΩ为和第一继电器k1并联的第一档位电路27，顺次下来，具有第二电阻R2为25kΩ和第二继电器k2并联的第二档位电路28，具有第三电阻R3为150kΩ和第三继电器k3并联的第三档位电路29，具有第四电阻R4为1MΩ和第四继电器k4并联的第四档位电路30以及具有第五电阻R5为10MΩ和第五继电器k5并联的第五档位电路31。分压输出端20被设置在第一档位电路27和缓冲电阻26R0之间。

低通滤波器4用于滤去运放输出信号17V4中的高频谐波信号，通过滤波形成了采集信号32V5，低通滤波器4中包含隔直电容33C6和滤波电阻34R6，滤波电阻34的一端连接在运算放大电路1中的运放输出端14上，滤波电阻34的另一端与隔直电容33C6相连并且形成采集信号端35。

过压保护装置5中采用限压二极管36，通过采集信号端35限压二极管36与隔直电容33并联连接，过压保护装置5将采集信号32V5的采集电压幅值限制在0v至3.3v之间，用于保护能接受最高电压为3.3v的采样控制部6而不被烧坏。限压二极管36具有阴极36a和阳极36b，阴极36a与采集信号端35连接，阳极36b连接接地。

存储部7与采样控制部连6接，用于存储采样控制部6采样来的采集信号32V5和图中未显示的可进行自动调档的动作电压阈值。

采样控制部6与采集信号端35、输入显示部8以及存储部7连接，采样控制部6采用DSP2812开发板，用于对采集信号32V5进行采样，DSP2812开发板基于采集来的采集信号32V5和动作电压阈值通过相匹配的第一IO通用接口37至第五IO通用接口38来分别顺次控制档位电路中第一继电器27a至第五继电器31a的开或关，从而能够控制电阻分压装置3中接入电阻的阻值大小，例如当只有第一继电器27a闭合时第一电阻27b被短路，即此时接入电阻的阻值为16.175MΩ。采样控制部6和显示输入部8之间采用RS232通讯串口39连接，用于输入设定档位、采样周期并且显示检测到的采样信号、档位以及幅值阈值等，显示输入部8采用迪文上位机触摸屏。采样控制部6将采集信号V5进行数据处理后发送到显示输入部8上，以波形实时移动的方式显示出来。采样控制部6可以控制波形显示的幅值和周期，也可以通过输入显示部8改变数字信号的采样周期来进行交互式设定操作。

电源9与采样控制部6、输入显示部8以及运放电路1相连接，为采样控制部6、输入显示部8分别输送+5v电源，电源通过图1中显示的接线与运放电路1连接为其输送+15v电源。

反相输入端12、电阻分压装置3、低通滤波器4以及过压保护装置5都通过接地端40连接接地。

图2是本实用新型的具体实施例中的调节档位的控制表图。

如图1和图2所示，幅值范围在-1000V～1000V的电压信号10V0经过电阻分压装置3中的五级分压后得到分压输出信号25V1范围为-1.5V～1.5V。

运算放大器11LM741在实施例中作为加法器

，而R₁₁=R₁₂=R₁₃=R₁₄，即V₄=V₁+V₂，V₂=1.5V，所以运放输出信号17V4的电压范围为0V～3V，把分压输出端20的分压输出信号25V1范围转化为采样控制部6能承受的采样信号32范围为0V～3V。

采样信号32V5经过采样控制部6得出实际采样的电压，采样形式为定时中断采样，采样周期可以通过输入显示部调节，采样得到采样信号数据可储存在与采样控制部6外扩连接的储存部7中，存储部7采用RAM，采样控制部6通过RS232通信串口39在输入显示部8上实时显示，数据发送完后重新采集再来刷新存储部7中的数据。

如图2所示，电阻分压有5个档位，第一、二、三、四以及五继电器分别为0时电阻开路则相对应的电阻接入，为1时电阻短路。当K1 K2 K3 K4 K5=01111时，即档位选择K1档41，档位电路中只有R1=7.5K接入其他的电阻都短路，

，V_max=1001.5，即、K1档能测到的最大电压42为1001.5V，相对应的，第一电阻R1的最大总功率43Pmax仅仅为0.2w，由图2中可知，本实施例中分压电阻的功耗最大也仅仅为0.2W,热耗非常小效率高。同理，当K1 K2 K3 K4 K5=10111时，即档位选择K2档44，档位电路中只有R2=25K接入其他的电阻都短路，

，V_max=301.5，即、K2档能测到的最大电压45为301.5V，当所检测的电压信号V0为301.5v时，就可以从K1档（K1=0）切换到K2档（K2=0）了，即K1档的电压信号的测量范围为1001.5V～301.5V，而在K1档还没有切换到K2档时，

，则可知K2档对应的动作电压46V_b=0.45，即、当在K1档检测到分压输出信号25V1为0.45V时就可以切换到K2档，如图2所示，其他正电压档位，K3档的最大可测量电压47为51.5V、动作电压48Vc=0.25，K4档的最大可测量电压49为9V、动作电压50Vd=0.26，K5档的最大可测量电压51为2.25V、动作电压52Ve=0.375。负电压与正电压同理，反相即可。

图3是本实用新型的具体实施例中的控制原理图。

如图1和图3所示，利用本实用新型提供的自动调幅示波器100进行检测电压信号10时，利用采样控制部6来控制从K1档开始53，即从采集到的采集信号32进行判别后依次切换较小K2档54、K3档55、K4档56、K5档57位直到符合测量电压量程要求，再利用采集控制部6通过比较动作电压阈值和采集来的采集信号通过IO通用接口控制各个档位电路中的继电器。

图4是本实用新型的具体实施例中分压输出信号V1和运放输出信号V4对应图。

如图4所示，分压输出信号25V1（-1000～0V）对应的运放输出信号17V4（0～1.5V），分压输出信号25V1轴间断点为对应各个档为的最大可测电压V_max，运放输出信号17V4轴间断点为对应各个档的动作电压V_x 再加上1.5V。

实用新型的作用与效果

综上所述，本实用新型的作用和效果在于：

本实用新型提供的自动调幅示波器不需要配置高衰减的探头也可用于检测传统万用表无法检测的高压信号，成本低并且相关的电阻分压元件采用可购买直接替换的元器件，价格便宜结构简单且不易损坏易修理。采集控制部可以根据实时的采集信号V5V5来自动调节档位电路中的继电器，从而能自动适应地根据所测电压信号的幅值来达到匹配的等级档位要求，就省去了利用传统的示波器时需调节幅度按钮这一过程，方便快捷节约人力。

利用本实用新型提供的自动调幅示波器进行检测电压信号时，利用采样控制部来自动控制从K1档开始，利用采集控制部通过比较动作电压阈值和采集来的采集信号通过IO通用接口控制各个档位电路中的继电器，即、从采集到的采集信号进行判别后依次切换较小的档位直到符合测量电压量程，全过程为自动化控制，整体装置会根据实时的采集信号控制档位中继电器的开启或者闭合，自适应的切换到符合要求最优的测量电压量程。

本实用新型提供的自动调幅示波器中采用用于分压的电阻中最大电阻值的阻值范围应大于10兆欧姆，最小电阻值的阻值范围为7千欧姆至8千欧姆，当最小电阻例如实施例中R1的阻值过于小和当最大电阻例如实施例中R5的阻值过大时，则会影响分压效果进而至少自动调幅示波器中分辨率效果不佳，所以上述范围电阻值为最适宜。自动调幅示波器中采用的分压电阻方式所产生的热耗非常小，具有结构简单并且工作效率高的特性。本实用新型提供的自动调幅示波器中的过压保护装置不仅可为稳压二极管还可以采用稳压芯片例如稳压二极管1N4728A、ZMM3V3系列等可达到限制电压幅值的效果即可。本实用新型提供的自动调幅示波器中的采用低通滤波器起到滤波稳压的作用。

上述实施方式为本实用新型的优选案例，并不用来限制本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种通过复数个由电阻和继电器并联形成的档位电路串联来检测幅值可变的电压信号的自动调幅示波器，其特征在于，包括：

运放电路，设有具有第一输入信号的反相输入端、具有第二输入信号的同相输入端以及具有运放输出信号的运放输出端；

触头，用于连接采集所述电压信号；

电阻分压装置，用于调节所述第二输入信号，包含串联的缓冲电阻和复数个所述档位电路，设有与所述同相输入端连接的分压输出端；

低通滤波器，用于滤去所述运放输出信号中的高频谐波信号以形成采集信号，包含隔直电容和滤波电阻；

过压保护装置，用于限制所述采集信号的采集电压幅值；

存储部，用于存储所述采集信号和可进行调档的动作电压阈值；

采样控制部，用于根据所述采集信号进行采样并且基于所述采集信号和所述动作电压阈值来控制所述继电器的开或关，与所述存储部连接；

输入显示部，用于输入设定档位、采样周期并且显示检测到的所述采样信号、档位以及幅值阈值；以及

电源部，与所述采样控制部、所述输入显示部以及所述运放电路相连接，

其中，所述采样控制部和输入显示部之间设有通信串口连接，所述反相输入端、所述电阻分压装置、所述低通滤波器以及所述过压保护装置都设有接地端。

2.根据权利要求1中所述的自动调幅示波器，其特征在于：

其中，所述档位电路的串联数量为五个，为与所述缓冲电阻的一端串联连接的具有第一电阻和第一继电器并联的第一档位电路，顺次至为具有第五电阻和第五继电器并联的第五档位电路，所述第五电阻的阻值范围大于10兆欧姆，所述第一电阻的阻值范围为7千欧姆至8千欧姆。

3.根据权利要求1中所述的自动调幅示波器，其特征在于：

其中，运放电路还设有运放输入端、运放接地端，所述运放输入端、所述分压输出端和所述同相输入端之间分别设有第一运放电阻、第二运放电阻，所述运放接地端、所述运放输出端和所述反相输入端之间分别设有第三运放电阻、第四运放电阻，所述第一运放电阻、所述第二运放电阻、所述第三运放电阻以及所述第四运放电阻的电阻值都相同。

4.根据权利要求1中所述的自动调幅示波器，其特征在于：

其中，所述过压保护装置中设有具有阴极和阳极的限压二极管，所述阴极与所述采集信号端连接，所述阳极与所述接地端连接。