CN205749621U - 一种频谱分析及波形显示的数字示波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种频谱分析及波形显示的数字示波器，它包括：信号调理模块、信号采集模块、数据处理电路、数据存储模块、按键、ARM9芯片及触摸屏，所述信号采集模块与信号调理模块连接，信号采集模块与数据处理电路连接，按键与数据处理电路连接，数据存储模块与数据处理电路连接，数据处理电路与ARM9芯片连接，ARM9芯片与触摸屏连接构成人机交互平台；其中，数据处理电路由FPGA控制信号采集模块对信号采样，将采样结果放入数据存储模块和FFT处理器，并将波形数据和FFT处理器计算得到的频谱数据通过数据发送模块发送给ARM9，通过ARM9控制波形数据和频谱数据的显示。本实用新型结构简单，体积小，生产成本低，可存储大量波形数据，并且具有频谱显示功能。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子技术领域，具体涉及FPGA在快速傅里叶变换方面的应用，尤其是一种具有频谱分析及波形显示功能的数字示波器。
背景技术
随着科技的迅速发展，示波器市场上出现了一些大的变化，数字存储示波器(Digital Storage Oscilloscope)以其强大的数据处理能力和采样范围逐渐取代模拟示波器，成为了主流。并且越来越多的电子设备采用数字和射频器件，测试设备将更高级的测量工具进行整合，用于高速信号的测试。人们最常用的工具，数字示波器也跟随发展的潮流，在设计中加入了内置波形发生器、逻辑分析仪和频谱分析功能。同时，由于数字存储示波器融入了数字处理技术，并且能够和计算机结构组成更大的监控测试系统，并广泛应用于各个领域。
泰克(Tektronix)公司于2014年推出的MD03000系列混合域示波器，整合有协议分析仪、逻辑分析仪、频谱分析仪、数字万用表和任意函数发生器等多种设备功能。这种新型示波器结合了各种专用并且昂贵的仪器设备所具备的功能，提供几乎所有嵌入式设计开发调试和测试时所需使用的工具。
这样功能完善、性能优异的多功能示波器通常都是国外的进口示波器，价格普遍较高，同时较为笨重，不便于携带，常常放在实验室中小心使用。而大部分的初学者在日常的学习、开发过程中，不需要这么高级的示波器，常使用的功能为波形测量和高速信号处理方面。因此，亟待开发出一种具有波形测量的功能，以及频谱分析功能，能够满足嵌入式开发等领域简单应用的便携式示波器。
数字信号处理(DSP)技术普遍应用于语音处理、通信、计算机等领域，离散傅里叶变换(DFT)是数字信号处理的理论基础，数字信号处理的两大核心分别为数字谱分析和数字滤波。通用或专用数字信号处理芯片能够通过可编程的方式为涉及复杂分析的需求提供最佳解决方案。而随着FPGA的广泛应用，使用FPGA进行某些数字信号处理的运算速度远高于DSP芯片，在某些应用场合更适合使用FPGA进行数字信号处理。
数据存储深度在国内的示波器领域常被忽视，但其作为示波器的一项重要参数指标起着非常关键的作用。当需要捕捉一个脉冲串，则要求示波器有足够的存储器以便捕捉整个事件。将所要捕捉的时间长度除以精确重现信号所须的取样速度，可以计算出所要求的存储深度，也称记录长度。可见存储深度在示波器中占有很重要的地位，是国内示波器市场需要重视的一个环节。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有技术的不足而提供的一种具有频谱分析功能和波形显示功能的示波器，它具有很大的数据存储深度，使得波形显示更加精确；其成本低的特点能够让工程类初学者能够轻松、方便的使用仪器，并具有方便携带、功能简化、测量准确等特点。
实现本实用新型目的的具体技术方案是：
一种具有频谱分析功能和波形显示功能的数字示波器，它包括：信号调理模块、信号采集模块、数据处理电路、数据存储模块、按键、ARM9芯片及触摸屏，所述信号采集模块的输入与信号调理模块连接，信号采集模块的输出与数据处理电路连接，按键与数据处理电路连接，数据存储模块与数据处理电路连接，数据处理电路与ARM9芯片连接，ARM9芯片与触摸屏连接构成人机交互平台；其中，所述数据处理电路包括FFT处理器、采样控制模块、数据缓存模块、第一数据缓冲模块、第二数据缓冲模块、第三数据缓冲模块及数据发送模块，所述采样控制模块分别与第一数据缓冲模块及FFT处理器连接，FFT处理器与数据缓存模块连接，数据缓存模块与第二数据缓冲模块连接，第二数据缓冲模块与数据发送模块连接，第一数据缓冲模块、第三数据缓冲模块分别连接数据存储模块，第三数据缓冲模块连接数据发送模块。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1)具有频谱分析功能：现有简易示波器一般只有波形显示一个功能，本实用新型具有频谱显示功能，在满足便于携带等优点下，具有更多的功能。
2)具有很深的存储深度：能够满足测量脉冲串的条件，并且能够提高波形的测量精度，为数据进行进一步处理提供操作空间。
3)成本低、体积小：现有的具有频谱分析功能的示波器多为进口示波器，不仅体积大，而且价格高昂，常放在实验室中小心使用。本装置不仅体积小、便于携带，而且成本低，可供初学者和兴趣爱好者们使用。
附图说明
图1为本实用新型结构框图；
图2为数据处理电路结构框图。
具体实施方式
参阅图1，本实用新型包括：信号调理模块1、信号采集模块2、数据处理电路3、数据存储模块4、按键5、ARM9芯片6及触摸屏7，所述信号采集模块2的输入与信号调理模块1连接，信号采集模块2的输出与数据处理电路3连接，按键5与数据处理电路3连接，数据存储模块4与数据处理电路3连接，数据处理电路3与ARM9芯片6连接，ARM9芯片6与触摸屏7连接构成人机交互平台。
参阅图2，本实用新型数据处理电路3包括FFT处理器8、采样控制模块9、数据缓存模块10、第一数据缓冲模块11、第二数据缓冲模块13、第三数据缓冲模块14及数据发送模块12，所述采样控制模块9分别与第一数据缓冲模块11及FFT处理器8连接，FFT处理器8与数据缓存模块10连接，数据缓存模块10与第二数据缓冲模块13连接，第二数据缓冲模块13与数据发送模块12连接，第一数据缓冲模块11、第三数据缓冲模块14分别连接数据存储模块4，第三数据缓冲模块14连接数据发送模块12。
实施例
触摸屏7设计为驱动触摸屏，用于模式输入的电路，由S3C2440芯片(ARM9)作为主控制器，配合触摸屏使用。触摸屏作为与用户交互的平台，用户在触摸屏上进行模式的选择，在触摸屏上观察信号波形和频谱。
FFT处理器8：是由altera公司的cycloneIII系列芯片实现的硬件电路，从硬件的角度完成频谱分析功能。
数据存储模块4：通过型号为K4T51163QC的DDR2实现波形数据的缓存，为示波器提供大存储深度。
信号采集模块2：A/D电路中使用AD9226芯片，对经过调理后的输入信号波形进行采样。
信号调理模块1：将电压范围为+5V至-5V的输入信号经过衰减电路和放大电路后电压范围调解为+1V至+3V，用于满足AD9226的信号输入要求。
经过信号调理模块1和信号采集模块2将模拟信号转换为数字信号，数字信号传送给数据处理电路3进行处理，数据处理电路3将数据发送给数据存储电路4进行存储，再将波形数据和频谱数据发送给ARM9芯片6控制数据的显示，并通过触摸屏7进行人机交互。
数据处理电路3中的FFT处理器8、采样控制模块9、数据缓存模块10、第一数据缓冲模块11、第二数据缓冲模块13、第三数据缓冲模块14及数据发送模块12都是由FPGA实现的硬件电路。信号采集模块2将数据发送给采样控制模块9后分别发送给数据缓冲模块11和FFT处理器8，数据缓冲模块11将数据发送给数据存储模块4，数据存储模块4再将数据发送给数据缓冲模块14，最后发送给数据发送模块12；FFT处理器8处理完数据后将数据发送给数据缓存模块10，数据缓存模块10将数据发送给数据缓冲模块13，最后发送给数据发送模块12，再通过数据发送模块12将数据发送出去。
工作流程： 模拟信号经过信号调理模块1，得到满足信号采样模块2输入电压范围的模拟信号；数据处理电路3中的采样控制模块9控制信号采样模块2进行模拟信号到数字信号的转换；采样控制模块9接收信号采样模块2转换得到的数字信号，即波形数据；采样控制模块9将波形数据发送给第一数据缓冲模块11，避免数据存储模块4和采样控制模块9工作频率不同导致的数据冲突问题；第一数据缓冲模块11将波形数据放入数据存储模块4中进行存储，需要读取数据的时候，从数据存储模块4中取出数据并发送给第三数据缓冲模块14；同时，采样控制模块9将波形数据发送给FFT处理器8，通过FFT处理器8进行快速傅里叶变换得到频谱数据；FFT处理器8将频谱数据发送给数据缓存模块10，进行频谱数据的缓存；需要发送频谱数据的时候，从数据缓存单元10中读出频谱数据，发送给第二数据缓冲模块13；第二数据缓冲模块13和第三数据缓冲模块14分别将频谱数据和波形数据发送给数据发送模块12；数据发送模块12通过判断按键5是否按下，将波形数据或频谱数据发送给ARM9芯片6；ARM9芯片6接收到数据后，在触摸屏7上显示被采样信号的波形或频谱。
Claims (1)
1.一种频谱分析及波形显示的数字示波器，其特征在于它包括：信号调理模块（1）、信号采集模块（2）、数据处理电路（3）、数据存储模块（4）、按键（5）、ARM9芯片（6）及触摸屏（7），所述信号采集模块（2）的输入与信号调理模块（1）连接，信号采集模块（2）的输出与数据处理电路（3）连接，按键（5）与数据处理电路（3）连接，数据存储模块（4）与数据处理电路（3）连接，数据处理电路（3）与ARM9芯片（6）连接，ARM9芯片（6）与触摸屏（7）连接构成人机交互平台；其中：
所述数据处理电路（3）包括FFT处理器（8）、采样控制模块（9）、数据缓存模块（10）、第一数据缓冲模块（11）、第二数据缓冲模块（13）、第三数据缓冲模块（14）及数据发送模块（12），所述采样控制模块（9）分别与第一数据缓冲模块（11）及FFT处理器（8）连接，FFT处理器（8）与数据缓存模块（10）连接，数据缓存模块（10）与第二数据缓冲模块（13）连接，第二数据缓冲模块（13）与数据发送模块（12）连接，第一数据缓冲模块（11）、第三数据缓冲模块（14）分别连接数据存储模块（4），第三数据缓冲模块（14）连接数据发送模块（12）。
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|---|---|---|---|---|
| CN109307791A (zh) * | 2017-07-27 | 2019-02-05 | 北京普源精电科技有限公司 | 具有fft功能的示波器 |
| WO2019134685A1 (zh) * | 2018-01-05 | 2019-07-11 | 深圳市道通科技股份有限公司 | 示波器数据处理方法、装置及示波器 |
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| CN109307791B (zh) * | 2017-07-27 | 2022-02-08 | 北京普源精电科技有限公司 | 具有fft功能的示波器 |
| WO2019134685A1 (zh) * | 2018-01-05 | 2019-07-11 | 深圳市道通科技股份有限公司 | 示波器数据处理方法、装置及示波器 |
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