CN212159912U - 一种示波器及其控制、采样电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种示波器及其控制、采样电路，包括：阻抗变换电路，具有一双刀双掷开关，该双刀双掷开关具有两路输入端和两路输出，所述双刀双掷开关的一路输入端电连接BNC接口，且另一路输入端电连接由分压电阻R202、R204、R205、R206和R207组成的分压网络，所述双刀双掷开关的一路输出端电连接低频衰减电路，且另一路输出端电连接滤波保护电路，低频衰减电路，由低频转换电路和衰减电路组成；本实用新型通过八选一多路开关能够最多同时控制8个AD进行采样，根据适时需要选择使用AD的个数，避免使用过多的AD导致功耗高且浪费资源的情况，同时也有效改善使用AD过少导致采样的波形不精确的情况，使得采样点均匀分布，使得采集的波形更加准确。

Description

一种示波器及其控制、采样电路

技术领域

本实用新型涉及一种测量技术领域，具体为一种示波器及其控制、采样电路。

背景技术

示波器用于测量交流电或脉冲电流波的形状的仪器,由电子管放大器、扫描振荡器、阴极射线管等组成，除观测电流的波形外,还可以测定频率、电压强度等，凡可以变为电效应的周期性物理过程都可以用示波器进行观测，示波器必须采集数据来满足触发需求，当示波器检测到触发条件后示波器必须采集足够的点才能得出完整的波形，AD按照固定周期的采集点进行采集。

目前的示波器不能够很好适时调节周期采集触发点的个数，采集到的触发点过少会使得得到的波形图不精确，采集到的触发点过多，虽然能够得到比较准确的波形图，但是会造成AD资源浪费，现有技术已经不能满足现阶段人们的需求，基于现状，急需对现有技术进行改革。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种示波器及其控制、采样电路，以解决上述背景技术中提出的问题。

本实用新型提供如下技术方案一种示波器及其控制、采样电路，包括，前接口面板，设置有电源接口、USB接口和外部触发通道；

所述外部触发通道包括：第一信号输入通道和第二信号输入通道；且所述第一信号输入通道或第二信号输入通道外接有探头，该探头具有X1档位、X10档位、X100档位、X1000 档位和X10000档位；

所述后接口面板包括：信号输出接口、接地端口、逻辑信号输入接口、探头补偿输出接口和BNC接口；

优选的，所述外部触发通道加载有四类触发方式，分别为：边沿触发、脉宽触发、视频触发和交替触发；且，

该四种触发方式均具有自动触发、普通触发和单次触发；其中，所述自动触发在没有触发条件下获取波形数据，所述单次触发在有触发条件下触发一次获取波形数据并且停止采集；

当选择边沿触发时，触发电路获取触发点的上升沿或下降沿，从而开始采集波形点，获取波形数据；

当选择脉宽触发时，脉宽触发根据脉冲宽来产生触发，通过设置脉宽触发条件不正常的信号可以被检测到，脉冲宽度可调范围为10ns-10s.当触发条件满足时示波器将进行触发并且获取波形数据；

优选的，所述第一信号输入通道和第二信号输入通道同时加载边沿触发、脉宽触发、视频触发和交替触发其中的任意两种不同的触发方式，当交替触发被选择时,触发源来自所述第一信号输入通道和第二信号输入通道，可以得到两个不相关的波形信号；

所述前接口面板和后接口面板上的接口均集成安装于ARM(辅助控制电路板)，且前接口面板和后接口面板上的接口通过ARM(辅助控制电路板)电连接FPGA(主控制电路板)，将信号传送给FPGA处理。

本实用新型还提供了控制信号转换的电路和对触发点采样的电路应用于示波器测量信号，电路包括：

阻抗变换电路，具有一双刀双掷开关，该双刀双掷开关具有两路输入端和两路输出；

优选的，所述双刀双掷开关的一路输入端电连接BNC接口，且另一路输入端电连接由分压电阻R202、R204、R205、R206和R207组成的分压网络；

优选的，所述双刀双掷开关的一路输出端电连接低频衰减电路，且另一路输出端电连接滤波保护电路。

低频衰减电路，由低频转换电路和衰减电路组成；

优选的，所述低频转换电路具有一固态继电器，且该固态继电器的输出端通过分压电阻R208、R219、R221电连接放大器的正极输入端；

优选的，所述衰减电路的输出端电连接放大电路的负极输入端。

滤波保护电路，由电阻R219与电容210组成的RC滤波器并联连接保护器组成；

优选的，所述保护器由并联连接的正向二极管和反向二极管组成。

放大电路，输出端电连接Gfet(结场效应管)；

优选的，Gfet具有一漏极，且该漏极通过LC滤波电路加载供电电源；

优选的，Gfet还具有一源极，该源极电连接驱动偏置电路；

优选的，所述驱动偏置电路具有一驱动三极管，且该三极管与Gfet的漏极通过同一 LC滤波电路加载供电电源，

优选的，所述驱动偏置电路还具有一由偏置三极管级联组成的偏置电路，且偏置三极管均通过电连接电阻加载供电电源。

驱动偏置电路，输出端电连接增益运算放大器，该放大器输出端电连接缓冲器；

优选的，所述缓冲器具有2路输出端，且每一路输出端均通过排阻电连接八选一多路开关，且每个所述八选一多路开关均电连接并联连接的4个AD(模数转换器)；

优选的，所述八选一多路开关的其中2路输出引脚分别电连接并联连接的2个AD。

本实用新型还提供了一种触发电路用于示波器触发采集信号；

所述触发电路包括：

信号调理电路，具有四选一多路开关和六选一多路开关；

优选的，所述四选一多路开关具有2路输出，且四选一多路开关的其中一路直接电连接六选一多路开关的DC输入端；

优选的，所述四选一多路开关的另一路输出端通过AC耦合电连接放大器输出端；

优选的，所述六选一多路开关的DC输出端通过放大器将DC信号分量耦合通过三极管驱动输出，由于三极管带宽较高，所述三极管具有一发射极，该发射极电连接低通滤波器，该低通滤波器能够有效的抑制带有毛刺的高频信号，防止毛刺信号导致误触发；

优选的，所述四选一多路开关和六选一多路开关内均集成有缓冲器和放大器；

优选的，所述四选一多路开关具有触发输入引脚；各种触发信号通过相应的触发输入引脚流经四选一多路开关；

触发比较器，由触发芯片、第一比较器和第二比较器并联连接组成；

优选的，所述第一比较器加载有六选一多路开关输出的DC信号分量，且所述第二比较器加载有外部触发信号；

所述触发芯片将外部触发信号与DC信号分量相比较，用于调整波形的触发位置，触发后通过FPGA控制AD进行采样；

优选的，所述六选一多路开关由三个二选一开关并联连接组成；

所述六选一多路开关的输出端电连接视频解码芯片，且该视频解码芯片的触发引脚加载有视频触发信号，且视频解码芯片将视频触发信号送给第二比较器的外部触发引脚；

当测试视频信号，使用视频触发时，第二比较器数字化后送到视频解码芯片，视频解码芯片会输出视频解码时序，该时序通过FPGA进一步解码判断在第几帧的时刻进行视频触发。

迟滞电路，正弦波上存在向上或向下的毛刺小信号做上下抖动，当向上的毛刺信号向上抖动时，触发电路会误以为是上升沿触发，同理，当向下的毛刺信号向下抖动时，触发芯片会误以为是下降沿触发，此时通过迟滞电路减小触发灵敏度，防止毛刺信号上下抖动导致误触发。

有益效果：本实用新型通过八选一多路开关能够最多同时控制8个AD进行采样，根据适时需要选择使用AD的个数，避免使用过多的AD导致功耗高且浪费资源的情况，同时也有效改善使用AD过少导致采样的波形不精确的情况，使得采样点均匀分布，使得采集的波形更加准确；且衰减电路通过控制信号衰减的幅度，避免信号溢出后不便于观察，且偏置电路能够便于调整信号上下偏移的位置，便于观察。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图；

图2为本实用新型信号控制和采样结构框图；

图3为本实用新型外部触发通道同时加载正弦波和方波的波形示意图；

图4为本实用新型触发方式为上升边沿触发采集的TTL脉冲信号示意图；

图5为本实用新型采用交替触发方式应用椭圆示波图形法观测并计算出相位差示意图；

图6(a)为本实用新型偏差补偿正确示意图；

图6(b)为本实用新型偏差过度补偿示意图；

图6(c)为本实用新型偏差补偿不足示意图；

图7为本实用新型AD采样示意图；

图8为本实用新型阻抗变换电路图；

图9为本实用新型低频衰减电路和放大电路图；

图10为本实用新型驱动偏置电路图；

图11为本实用新型缓冲器连接排阻电路图；

图12为本实用新型八选一多路开关电路图；

图13为本实用新型触发电路的信号调理电路图；

图14为本实用新型触发电路的触发比较器电路图；

图15为本实用新型触发电路的迟滞电路图；

图16前接口面板结构示意图；

图17后接口面板结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供如下技术方案一种示波器及其控制、采样电路，包括，参考图1，本实用新型提供如下技术方案一种偏差补偿示波器，包括前接口面板和后接口面板，所述前接口面板和后接口面板上的接口均集成安装于ARM(辅助控制电路板)，且前接口面板和后接口面板上的接口通过ARM(辅助控制电路板)电连接FPGA(主控制电路板)，将信号传送给FPGA；

参考图16，所述前接口面板设置有电源接口、USB接口和外部触发通道,，所述外部触发通道包括：第一信号输入通道1和第二信号输入通道2，所述第一信号输入通道1或第二信号输入通道2外接有探头，该探头具有X1档位、X10档位、X100档位、X1000档位和X10000档位；

参考图17，所述后接口面板包括：BNC接口3、逻辑信号输入接口4、探头补偿输出接口5和信号输出接口6、接地端口7；

参考图6(a)、图6(b)和图6(c)，将探头与第一信号输入通道1或第二信号输入通道2连接，确保探头与第一信号输入通道1或第二信号输入通道2紧密接触，将探头设置X10档位，探头的正极端部与探头补偿输出接口5相连，探头的负极通过基准导线夹与接地端口7相连，使探头与第一信号输入通道1或第二信号输入通道2相匹配，对探头进行补偿，根据显示波形的形状，确定探头补偿是否正确：当显示的波形为平整的无毛刺、无凹陷的矩形方波，则表明探头补偿正确，若显示的波形中出现凸起毛刺，则探头补偿过度；若显示的波形中出现凹陷或者矩形方波出现凹角，则探头补偿不足；当探头补偿不足或者过度补偿时，用非金属质地的改锥调整探头上的可变电容，直到屏幕显示的波形成矩形方波即为补偿正确；

所述外部触发通道加载有四类触发方式，分别为：边沿触发、脉宽触发、视频触发和交替触发；且上述四种触发方式均具有自动触发、普通触发和单次触发；其中，所述自动触发在没有触发条件下获取波形数据，所述单次触发在有触发条件下触发一次获取波形数据并且停止采集；

当选择边沿触发时，触发电路获取触发点的上升沿或下降沿，从而开始采集波形点，获取波形数据；

当选择脉宽触发时，脉宽触发根据脉冲宽来产生触发，通过设置脉宽触发条件不正常的信号可以被检测到，脉冲宽度可调范围为10ns-10s.当触发条件满足时示波器将进行触发并且获取波形数据；

参考图3，所述第一信号输入通道和第二信号输入通道可以同时加载边沿触发、脉宽触发、视频触发和交替触发其中的任意两种不同的触发方式，当交替触发被选择时,触发源来自所述第一信号输入通道和第二信号输入通道，可以得到两个不相关的波形信号；

当触发条件满足，采用平均采样和峰值检测采样两种方式采集数据，所述平均采样在同一周期获取固定的次数波形点，并且将它们平均，根据采样点显示最终波形，使用这种获取方式可以减少随机噪声；所述峰值检测采样在每个采样间隔中找到输入信号的最大值和最小值，并用采样数据显示波形，该获取方式能够精准确定获取波形的峰值。

参考图4，以TTL脉冲信号为例，脉冲是一个TTL电平的逻辑信号，触发电平设置成2伏，触发沿设置为上升沿触发，将探头与该探头连接的第一信号输入通道或第二信号输入通道的衰减系数设置为X10，采用边沿触发的单次触发方式，将逻辑信号输入接口连接触发源，调整垂直档位和水平时基，将信号调整到合理的显示范围，且调整触发电平，如果有某一信号达到设定的触发电平，即采样一次，显示在屏幕上；

对于幅度较大的突发性毛刺信号，将触发电平设置到刚刚高于正常信号电平，点击开始按钮开始等待，则当毛刺发生时，机器自动触发并把触发前后一段时间的波形记录下来。通过改变触发位置的水平位置可以得到不同长度的负延迟触发，便于观察毛刺发生之前的波形。

以交替触发的方式为例，用于比较两个波形的频率、电压和时基，

将探头衰减系数设置为x10，将第一信号输入通道连接至网络的输入，将第二信号输入通道连接至网络的输出，且采用自动触发，调整垂直幅度使两路信号显示的幅值大约相等，在水平系统选择交替触发方式，再应用椭圆示波图形法观测并计算出相位差；

参考图5，椭圆示波图形法具体为：根据sinθ＝A/B或C/D，可以得出相差角，其中θ为第一信号输入通道与第二信号输入通道之间的相差角，且A表示：当第一信号输入通道幅度输出为0时，第二信号输入通道所对应的幅度值，或当第二信号输入通道幅度输出为0时，第一信号输入通道对应的幅度值；B表示：第一信号输入通道或第二信号输入通道在同一采样周期中所对应的的最大幅度值；C表示2倍的A，即当第一信号输入通道幅度输出为0时，第二信号输入通道所对应的正幅度值与负幅度值之和，或当第二信号输入通道幅度输出为0时，第一信号输入通道对应的正幅度值与负幅度值之和，D表示2倍的 B，即第一信号输入通道或第二信号输入通道在同一采样周期中所对应的的正最大幅度值与负最大幅度值之和：

相位差角也可以通过θ＝±arcsine(A/B)或者θ＝±arcsine(C/D)计算得出；其中，如果椭圆的主轴在第一、第三象限内，那么所求得的相位差角应在第一、第四象限内，即在(0～π/2)或(3π/2～2π)内。如果椭圆的主轴在第二、第四象限内，那么所求得的相位差角应在第二、第三象限内，即在(π/2～π)或(π～3π/2)内。

本实用新型还提供了一种触发电路用于示波器触发采集信号；包括：

参考图13，信号调理电路，包括：四选一多路开关和六选一多路开关，所述四选一多路开关和六选一多路开关内均集成有缓冲器和放大器；所述四选一多路开关具有触发输入引脚，各种触发信号都过相应的触发输入引脚流经四选一多路开关；所述四选一多路开关具有2路输出，且四选一多路开关的其中一路直接电连接六选一多路开关的DC输入端，且四选一多路开关的另一路输出端通过AC耦合电连接放大器输出端，且六选一多路开关的DC输出端通过放大器将DC信号分量耦合通过三极管驱动输出，由于三极管带宽较高，所述三极管具有一发射极，该发射极电连接低通滤波器，该低通滤波器能够有效的抑制带有毛刺的高频信号，防止毛刺信号导致误触发。

参考图14，触发比较器，由触发芯片、第一比较器和第二比较器并联连接组成，所述第一比较器加载有六选一多路开关输出的DC信号分量，所述第二比较器加载有外部触发信号，所述触发芯片将外部触发信号与DC信号分量相比较，用于调整波形的触发位置，触发后通过FPGA控制AD进行采样；

所述六选一多路开关由三个二选一开关并联连接组成；所述六选一多路开关的输出端电连接视频解码芯片，且该视频解码芯片的触发引脚加载有视频触发信号，且视频解码芯片将视频触发信号送给第二比较器的外部触发引脚；

当测试视频信号，使用视频触发时，第二比较器数字化后送到视频解码芯片，视频解码芯片会输出视频解码时序，该时序通过FPGA进一步解码判断在第几帧的时刻进行视频触发。

参考图15，当正弦波上存在向上或向下的毛刺小信号做上下抖动，当向上的毛刺信号向上抖动时，触发芯片会误以为是上升沿触发，同理，当向下的毛刺信号向下抖动时，触发芯片会误以为是下降沿触发，迟滞电路会减小触发灵敏度，防止毛刺信号上下抖动导致误触发。

本实用新型还提供了控制信号转换的电路和对触发点采样的电路应用于示波器测量信号；

参考图8，所述阻抗变换电路具有一双刀双掷开关，该双刀双掷开关具有2路输入端和2路输出端，其中，所述双刀双掷开关的一路输入端电连接BNC接口，且另一路输入端电连接由分压电阻R202、R204、R205、R206和R207组成的分压网络；所述双刀双掷开关的一路输出端电连接低频衰减电路，且另一路输出端电连接滤波保护电路；

参考图9，所述低频衰减电路包括：低频转换电路和衰减电路，所述低频转换电路具有一固态继电器，且该固态继电器的输出端通过分压电阻R208、R219、R221电连接放大器的正极输入端；且所述衰减电路的输出端电连接放大电路的负极输入端；所述滤波保护电路由电阻R229与电容C210组成的RC滤波器并联连接保护器组成，且该保护器由并联连接的正向二极管和反向二极管组成；所述放大电路的输出端电连接Gfet(结场效应管)，该Gfet具有一漏极，且该漏极通过LC滤波电路加载供电电源，所述Gfet还具有一源极，该源极电连接驱动偏置电路，所述驱动偏置电路具有一驱动三极管，且该三极管与Gfet 的漏极通过同一LC滤波电路加载供电电源，所述驱动偏置电路还具有一由偏置三极管级联组成的偏置电路，且偏置三极管均通过电连接电阻加载供电电源；

参考图10，所述驱动偏置电路的输出端电连接增益运算放大器，该放大器输出端电连接缓冲器，所述缓冲器具有2路输出端，且每一路输出端均通过排阻电连接八选一多路开关，且每个所述八选一多路开关均电连接并联连接的4个AD(模数转换器)，其中，所述八选一多路开关的其中2路输出引脚分别电连接并联连接的2个AD；

参考图11和图12，当同时使用第一信号输入通道和第二信号输入通道时，缓冲器通过2个八选一多路开关能够最多同时控制8个AD进行采样，当使用第一信号输入通道或第二信号输入通道中的一个通道时，可以通过关闭其中之一的八选一多路开关选择性的控制其中的4个AD甚至是2个AD进行采样使用，合理的为每个通道匹配相应数量的AD，使得能够保证采样准确的同时，还能够有效的控制其他AD的工作，有效的避免无效采样情况；

参考图7，每个AD的控制引脚均电连接FPGA，受FPGA控制，在采样时，FPGA控制 AD在同一周期内进行不同时间点的采样，其中，每个AD在一个采样周期只能采取2个采样点，FPGA根据实际需求最多通过控制8个AD在同一周期内的不同时间点进行采样，可以使得采样点均匀分布，使得采集的波形更加准确；

参考图2，信号通过BNC接口输送给双刀双掷开关的一路输入，其中该双刀双掷开关的第三引脚和第四引脚可以闭合或断开，当第三引脚与第四引脚断开合时，BNC信号直接通过双刀双掷开关的第六输出引脚输出至低频转换电路；当第三引脚与第四引脚闭合时，信号经过分压网络进行分压后输出给低频转换电路；

当信号是交流信号时，双刀双掷开关的其中一路输出直接将信号通过滤波保护电路输出至放大器的输出端，该路信号没有经过衰减，与双刀双掷开关输出端的信号1：1；

当信号是直流信号时，BNC信号经过双刀双掷开关输出后的是低阻抗信号，且固态继电器只允许低频信号通过，需要经过低频转换电路中的的放大器对信号进行放大，使得经过放大器放大后的信号与双刀双掷开关输出端的信号保持1:1；

由于增益运算放大器所需的阻抗较低，且采用Gfet的阻抗也比较高，所以通过驱动三极管输出低阻抗后，满足增益运算放大器和缓冲器的低阻抗需求，其中，衰减电路用于控制信号衰减的幅度，避免信号溢出后不便于观察，且偏置电路能够便于调整信号上下偏移的位置，便于观察。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种控制、采样电路，其特征在于，包括：

阻抗变换电路，具有一双刀双掷开关，该双刀双掷开关具有两路输入端和两路输出；

低频衰减电路，由低频转换电路和衰减电路组成；其中，

所述低频转换电路具有一固态继电器，且该固态继电器的输出端通过分压电阻R208、R219、R221电连接放大器的正极输入端；

所述衰减电路的输出端电连接放大电路的负极输入端；

滤波保护电路，由电阻R219与电容210组成的RC滤波器并联连接保护器组成；

放大电路，输出端电连接Gfet；

驱动偏置电路，输出端电连接增益运算放大器，该放大器输出端电连接缓冲器；

所述驱动偏置电路具有一驱动三极管，且该三极管与Gfet的漏极通过共用同一LC滤波电路加载供电电源；

所述缓冲器具有2路输出端，且每一路输出端均通过排阻电连接八选一多路开关，且每个所述八选一多路开关均电连接并联连接的四个AD；其中，

所述八选一多路开关的其中2路输出引脚分别电连接并联连接的两个AD。

2.根据权利要求1所述的一种控制、采样电路，其特征在于：所述保护器由并联连接的正向二极管和反向二极管组成。

3.根据权利要求1所述的一种控制、采样电路，其特征在于：所述驱动偏置电路还具有一由偏置三极管级联组成的偏置电路；且，

每个级联的所述偏置三极管均通过电连接电阻加载供电电源。

4.根据权利要求1所述的一种控制、采样电路，其特征在于：所述双刀双掷开关的一路输入端电连接BNC接口，且另一路输入端电连接由分压电阻R202、R204、R205、R206和R207组成的分压网络。

5.根据权利要求1所述的一种控制、采样电路，其特征在于：所述双刀双掷开关的一路输出端电连接低频衰减电路，且另一路输出端电连接滤波保护电路。

6.根据权利要求1所述的一种控制、采样电路，其特征在于：Gfet具有一漏极，且该漏极通过LC滤波电路加载供电电源；且，

Gfet还具有一源极，该源极电连接驱动偏置电路。

7.一种示波器，其特征在于：包括外部触发通道及权利要求书1-6任一项所述的控制、采样电路；

所述外部触发通道由第一信号输入通道和第二信号输入通道组成。

8.根据权利要求7所述的一种示波器，其特征在于：所述第一信号输入通道或第二信号输入通道外接有探头，该探头具有X1档位、X10档位、X100档位、X1000档位和X10000档位。

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