具有萬(wàn)用表功能的示波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有萬(wàn)用表功能的示波器，包括信號(hào)輸入端、輸入級(jí)緩沖和加法電路模塊、可編程放大器模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊，控制處理模塊；還包括分路線性電路模塊，所述分路線性電路模塊包括一個(gè)高頻減法放大電路模塊、一個(gè)耦合單元模塊、一個(gè)高速ADC轉(zhuǎn)換模塊、一個(gè)低頻放大電路模塊和高精度低速ADC轉(zhuǎn)換模塊。在示波器通道上利用硬件電路的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了高精度的萬(wàn)用表，電路簡(jiǎn)單不占用示波器儀器體積。本發(fā)明還能在示波器上實(shí)現(xiàn)萬(wàn)用表的高精度電壓測(cè)量功能、電阻測(cè)量功能及通斷路測(cè)量功能，同時(shí)還能使示波器具有隔離功能。
【專利說(shuō)明】具有萬(wàn)用表功能的示波器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電變量測(cè)試領(lǐng)域，尤其涉及一種具有萬(wàn)用表功能的示波器。
【背景技術(shù)】
[0002]在電子測(cè)量基礎(chǔ)儀器中，萬(wàn)用表是使用范圍最廣的測(cè)量?jī)x器之一，而萬(wàn)用表上的電壓測(cè)量、電阻測(cè)量、通斷路測(cè)試是使用最多的功能。如果能夠在示波器上，增加一個(gè)真正的高精度萬(wàn)用表功能，可以精確測(cè)量電壓值、電阻值，測(cè)試是否短路，這樣可以在使用示波器的同時(shí)，方便用戶使用萬(wàn)用表的常用功能，具有很大的市場(chǎng)前景。
[0003]目前市場(chǎng)上有兩類帶有萬(wàn)用表功能的示波器。一類是手持示波表，手持示波表一般會(huì)增加兩個(gè)獨(dú)立萬(wàn)用表的接口和表筆，用于萬(wàn)用表測(cè)量。內(nèi)部使用一個(gè)集成萬(wàn)用表芯片，來(lái)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)用表功能，一般為4位半或更低精度的示波器。
[0004]另一類是在數(shù)字示波器的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)萬(wàn)用表電壓測(cè)試功能。參照?qǐng)D1，由于現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)字示波器一般采用高速ADC，絕大部分是8位ADC，由于ADC只有8位精度，所以能夠?qū)崿F(xiàn)的最高測(cè)量精度也只有28=256，即最大可以實(shí)現(xiàn)3位半的電壓表測(cè)量。目前軟件實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種:一種是使用示波器屏幕顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行電壓計(jì)算(這是示波器上電壓測(cè)量的常用的實(shí)現(xiàn)方法)，由于屏幕顯示數(shù)據(jù)一般為ADC采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、抽取后的數(shù)據(jù)，不能夠真正反應(yīng)原始數(shù)據(jù)，導(dǎo)致測(cè)量精度下降，所以能夠?qū)崿F(xiàn)的測(cè)量精度較低?’另一種是使用ADC采樣的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行電壓測(cè)量計(jì)算，能夠最大的保留原始數(shù)據(jù)信息，能夠盡可能的提高測(cè)量精度，最大也只能夠?qū)崿F(xiàn)3位半的精度。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中，手持示波表需要增加一個(gè)獨(dú)立的萬(wàn)用表電路模塊，電路比較復(fù)雜，儀器體積大，精度也不高。而使用軟件實(shí)現(xiàn)，受示波器高速采樣ADC的位數(shù)限制(一般高速ADC為8位)，只能實(shí)現(xiàn)最大精度為3位半的電壓表功能。目前還未出現(xiàn)真正的在示波器測(cè)試通道上實(shí)現(xiàn)高精度萬(wàn)用表的示波器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，現(xiàn)有技術(shù)示波器中無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度萬(wàn)用表的問(wèn)題，以及現(xiàn)有技術(shù)用硬件實(shí)現(xiàn)萬(wàn)用表時(shí)，需增加獨(dú)立的萬(wàn)用表電路模塊，電路復(fù)雜，儀器體積大的問(wèn)題。
[0007]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種具有萬(wàn)用表功能的示波器，包括一個(gè)信號(hào)輸入端、一個(gè)輸入級(jí)緩沖和加法電路模塊、一個(gè)可編程放大器模塊、一個(gè)D/Α轉(zhuǎn)換模塊,一個(gè)控制處理模塊；
[0008]所述信號(hào)輸入端用于接收一個(gè)外部輸入信號(hào)；
[0009]所述控制處理模塊，用于控制所述D/Α轉(zhuǎn)換模塊輸出一個(gè)偏置直流信號(hào)至所述輸入級(jí)緩沖和加法電路模塊；
[0010]所述輸入級(jí)緩沖和加法電路模塊，用于將所述輸入信號(hào)與所述偏置直流信號(hào)進(jìn)行加法運(yùn)算后，輸出一個(gè)緩沖信號(hào)；[0011]所述控制處理模塊，還用于控制所述可編程放大器模塊對(duì)所述緩沖信號(hào)進(jìn)行增益放大，輸出一個(gè)增益放大信號(hào)；
[0012]其特征在于，還包括一個(gè)分路線性電路模塊，所述分路線性電路模塊包括一個(gè)高頻減法放大電路模塊、一個(gè)耦合單元模塊、一個(gè)高速ADC轉(zhuǎn)換模塊、一個(gè)低頻放大電路模塊和高精度低速ADC轉(zhuǎn)換模塊；
[0013]所述低頻放大電路模塊，用于對(duì)所述增益放大信號(hào)進(jìn)行濾波，輸出一個(gè)低頻增益放大信號(hào)；
[0014]所述高頻減法放大電路模塊，用于將所述增益放大信號(hào)減去所述低頻增益放大信號(hào)輸出一個(gè)高頻增益放大信號(hào)；
[0015]所述耦合單元模塊，用于對(duì)所述高頻增益放大信號(hào)進(jìn)行高通濾波，輸出一個(gè)高通增益放大信號(hào)；
[0016]所述高速ADC轉(zhuǎn)換模塊，用于對(duì)所述高通增益放大信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣后的高速采樣數(shù)據(jù)輸入控制處理模塊；
[0017]所述低速ADC轉(zhuǎn)換模塊，用于對(duì)所述低頻增益放大信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣后的低速采樣數(shù)據(jù)輸入控制處理模塊；
[0018]所述控制處理模塊，還用于將所述高速采樣數(shù)據(jù)和所述低速采樣數(shù)據(jù)相加成η位數(shù)據(jù)，η大于8小于等于24，并將η位數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算或有效值計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行顯示。
[0019]作為一種舉例，所述控制處理模塊包括一個(gè)延時(shí)調(diào)節(jié)模塊、一個(gè)插值模塊、一個(gè)逐點(diǎn)相加模塊、一個(gè)采樣控制模塊，一個(gè)電壓表功能模塊，所述延時(shí)調(diào)節(jié)模塊，用于對(duì)所述高速采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)，輸出延時(shí)后的高速采樣數(shù)據(jù)；所述插值模塊，用于對(duì)所述低速采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運(yùn)算，得到插值后的低速采樣數(shù)據(jù)，所述逐點(diǎn)相加模塊，用于將所述延時(shí)后的高速采樣數(shù)據(jù)和所述插值后的低速采樣數(shù)據(jù)相加，生成24位數(shù)據(jù)，所述采樣控制模塊用于控制示波器的采樣、將采樣后數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示，所述電壓表功能模塊，用于將24位數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算或有效值計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行顯示。
[0020]作為一種舉例，所述耦合單元模塊采用RC高通濾波電路構(gòu)成。
[0021]作為一種舉例，在所述信號(hào)輸入端與所述控制處理模塊之間還順序連接一個(gè)可控開(kāi)關(guān)和一個(gè)可編程電流源模塊，所述控制處理模塊還用于分別控制所述可控開(kāi)關(guān)的通斷及可編程電流源模塊的電流檔位選擇。
[0022]作為一種舉例，所述耦合單元模塊采用變壓器構(gòu)成，且當(dāng)所述耦合單元模塊采用變壓器時(shí)，在所述低速ADC模塊與所述控制處理模塊之間連接一個(gè)第一數(shù)字隔離器，在所述可編程放大器模塊與所述控制處理模塊之間連接一個(gè)第二數(shù)字隔離器，在所述D/A轉(zhuǎn)換模塊與所述控制處理模塊之間連接一個(gè)第三數(shù)字隔離器。
[0023]作為一種舉例，在所述信號(hào)輸入端與所述控制處理模塊之間還順序連接一個(gè)可控開(kāi)關(guān)和一個(gè)可編程電流源模塊和一個(gè)第四數(shù)字隔離器，所述控制處理模塊還用于通過(guò)所述第四數(shù)字隔離器分別控制所述可控開(kāi)關(guān)的通斷及可編程電流源模塊的電流檔位選擇。
[0024]作為一種舉例，所述分路線性電路模塊還包括一個(gè)緩沖電路模塊，所述緩沖電路模塊連接在所述耦合單元模塊與所述高速ADC轉(zhuǎn)換模塊之間，用于增強(qiáng)所述高通增益放大信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)所述高速ADC轉(zhuǎn)換模塊。[0025]本發(fā)明的有益效果在于:在示波器通道上利用硬件電路的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了高精度的萬(wàn)用表，電路簡(jiǎn)單不占用示波器儀器體積。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是現(xiàn)有技術(shù)示波器的結(jié)構(gòu)示意圖
[0027]圖2是本發(fā)明一種具有萬(wàn)用表功能的示波器優(yōu)選實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖
[0028]圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例1中分路線性電路模塊204的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
[0029]圖4是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例1中控制處理模塊205的又一種變形結(jié)構(gòu)示意圖
[0030]圖5是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例1中分路線性電路模塊204的內(nèi)部電路示意圖
[0031]圖6是本發(fā)明一種具有萬(wàn)用表功能的示波器優(yōu)選實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖
[0032]圖7是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例1分路線性電路模塊204第2種變形結(jié)構(gòu)示意圖
[0033]圖8 (A)低頻放大電路模塊2044形式I結(jié)構(gòu)圖；
[0034]圖8 (B)低頻放大電路模塊2044形式2結(jié)構(gòu)圖；
[0035]圖8 (C)低頻放大電路模塊2044形式3結(jié)構(gòu)圖；
[0036]圖8 (D)低頻放大電路模塊2044形式4結(jié)構(gòu)圖；
[0037]圖9是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例1分路線性電路模塊204第3種變形結(jié)構(gòu)示意圖
[0038]圖10是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例1分路線性電路模塊204第4種變形結(jié)構(gòu)示意圖
[0039]圖11是分路線性電路模塊204第4種變形結(jié)構(gòu)中低頻放大電路模塊2044的又一種變形結(jié)構(gòu)圖
[0040]圖12是圖6是本發(fā)明一種具有萬(wàn)用表功能的示波器優(yōu)選實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖【具體實(shí)施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖及優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明。
[0042]實(shí)施例1，結(jié)合參照?qǐng)D2和圖3，示波器200包括信號(hào)輸入端201、輸入級(jí)緩沖和加法電路模塊202、可編程放大器模塊203、D/A轉(zhuǎn)換模塊206，控制處理模塊205 ;信號(hào)輸入端201接收一個(gè)外部輸入信號(hào)；控制處理模塊205，控制D/A轉(zhuǎn)換模塊206輸出一個(gè)偏置直流信號(hào)至輸入級(jí)緩沖和加法電路模塊202 ;輸入級(jí)緩沖和加法電路模塊202，將所述輸入信號(hào)與所述偏置直流信號(hào)進(jìn)行加法運(yùn)算后，輸出一個(gè)緩沖信號(hào)；控制處理模塊205，還控制可編程放大器模塊203對(duì)所述緩沖信號(hào)進(jìn)行增益放大，輸出一個(gè)增益放大信號(hào)；示波器200還包括一個(gè)分路線性電路模塊204，分路線性電路模塊204包括高頻減法放大電路模塊2041、耦合單元模塊2042、高速ADC轉(zhuǎn)換模塊2043、低頻放大電路模塊2044和高精度低速ADC轉(zhuǎn)換模塊2045 ;低頻放大電路模塊2044，對(duì)所述增益放大信號(hào)進(jìn)行濾波，輸出一個(gè)低頻增益放大信號(hào)；高頻減法放大電路模塊2041，將所述增益放大信號(hào)減去所述低頻增益放大信號(hào)輸出一個(gè)高頻增益放大信號(hào)；耦合單元模塊2042，對(duì)所述高頻增益放大信號(hào)進(jìn)行高通濾波，輸出一個(gè)高通增益放大信號(hào)；該高通濾波，是指采用交流耦合方式，將交流耦合到高速ADC轉(zhuǎn)換模塊2043的輸入端；高速ADC轉(zhuǎn)換模塊2043，對(duì)所述高通增益放大信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣后的高速采樣數(shù)據(jù)輸入控制處理模塊205 ;低速ADC轉(zhuǎn)換模塊2045，對(duì)所述低頻增益放大信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣后的低速采樣數(shù)據(jù)輸入控制處理模塊205 ;控制處理模塊205，將所述高速采樣數(shù)據(jù)和所述低速采樣數(shù)據(jù)相加成24位數(shù)據(jù)，并將24位數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算或有效值計(jì)算，完成了萬(wàn)用表交直流電壓測(cè)量的功能。對(duì)24位數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算，此即為萬(wàn)用表直流電壓功能；對(duì)24位數(shù)據(jù)進(jìn)行有效值計(jì)算，此即為萬(wàn)用表交流電壓功能。具體應(yīng)用萬(wàn)用表功能時(shí)，會(huì)在示波器顯示界面中增加萬(wàn)用表測(cè)量的菜單，來(lái)調(diào)用萬(wàn)用表功能，并在顯示界面上進(jìn)行萬(wàn)用表測(cè)量結(jié)果的顯示。在進(jìn)行萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)，可以將示波器探頭連接到示波器輸入BNC上，然后連接被測(cè)電路，進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)用1:1探頭精度會(huì)更高。更好的方式是使用轉(zhuǎn)接器連接到示波器輸入BNC上，然后將萬(wàn)用表表筆連接到轉(zhuǎn)接器上，再進(jìn)行測(cè)量。
[0043]本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例1由于采用了分路線性電路模塊204，將所述增益放大信號(hào)經(jīng)過(guò)的通路分成了低頻通路和高頻通路，低頻通路采用高精度低速ADC轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行采樣，使低頻通路的數(shù)據(jù)具有了高精度電壓表的精度要求。而如果沒(méi)有分路線性電路模塊204，只使用如現(xiàn)有技術(shù)圖1所示的一個(gè)高速ADC進(jìn)行采樣，由于采樣位數(shù)和采樣速率是矛盾的，為實(shí)現(xiàn)示波器帶寬、采樣率的主要指標(biāo)，就不能選用高采樣位數(shù)的ADC (如24位)，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的高精度采樣。分路線性電路模塊204的加入，有效的解決了現(xiàn)有技術(shù)中高速ADC的帶寬、采樣率和精度的矛盾，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高帶寬、采樣率和高精度(只針對(duì)直流和低頻信號(hào))的采樣。針對(duì)示波器和萬(wàn)用表的不同需求(示波器是觀測(cè)儀器，主要需求是高采樣率、高帶寬；萬(wàn)用表是測(cè)量?jī)x器，要求的是高精度)，將輸入信號(hào)分成兩部分，分別實(shí)現(xiàn)示波器和萬(wàn)用表的需求。
[0044]本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例1實(shí)現(xiàn)的高精度萬(wàn)用表，利用示波器模擬輸入端子，不需要增加額外的萬(wàn)用表表筆輸入端，使用進(jìn)一步方便。本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例1實(shí)現(xiàn)的高精度電壓表，不影響示波器的采樣率，示波器采樣率由高速ADC轉(zhuǎn)換模塊決定。
[0045]為了更好地達(dá)到在示波器中實(shí)現(xiàn)高精度萬(wàn)用表的功能，參照?qǐng)D4，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例I的一種變形是:控制處理模塊205包括一個(gè)延時(shí)調(diào)節(jié)模塊2051、一個(gè)插值模塊2052、一個(gè)逐點(diǎn)相加模塊2053、一個(gè)采樣控制模塊2055，一個(gè)電壓表功能模塊2054，延時(shí)調(diào)節(jié)模塊2051，用于對(duì)所述高速采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)，補(bǔ)償?shù)皖l低速通路的延時(shí)，輸出延時(shí)后的高速采樣數(shù)據(jù)；插值模塊2052，對(duì)所述低速采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運(yùn)算，使低速數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)與高速數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)相等，得到插值后的低速采樣數(shù)據(jù)，逐點(diǎn)相加模塊2053，將所述延時(shí)后的高速采樣數(shù)據(jù)和所述插值后的低速采樣數(shù)據(jù)逐點(diǎn)相加，生成24位數(shù)據(jù)，相加后的24位數(shù)據(jù)送入采樣控制模塊2055，完成示波器的采樣、存儲(chǔ)、顯示等功能，電壓表功能模塊2054，將24位數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算或有效值計(jì)算。對(duì)24位數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算，此即為萬(wàn)用表直流電壓功能；對(duì)24位數(shù)據(jù)進(jìn)行有效值計(jì)算，此即為萬(wàn)用表交流電壓功能?？刂铺幚砟K205由于進(jìn)一步采用了延時(shí)調(diào)節(jié)模塊2051、插值模塊2052、逐點(diǎn)相加模塊2053，因此能夠保證逐點(diǎn)相加模塊2053輸出的數(shù)據(jù)是24位數(shù)據(jù)，因此確保了更高的萬(wàn)用表精度。
[0046]作為一種舉例，當(dāng)?shù)退俨蓸訑?shù)據(jù)和高速采樣數(shù)據(jù)之間沒(méi)有延時(shí)，控制處理模塊205可以沒(méi)有延時(shí)調(diào)節(jié)模塊2051，輸出也能保證24位數(shù)據(jù)。
[0047]參照?qǐng)D5，是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例1中分路線性電路模塊204的內(nèi)部電路示意圖，分路線性電路模塊204還包括一個(gè)緩沖電路模塊2046，緩沖電路模塊2046連接在耦合單元模塊2042與高速ADC轉(zhuǎn)換模塊2043之間，用于增強(qiáng)所述高通增益放大信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)高速ADC轉(zhuǎn)換模塊2043。耦合單元模塊2042采用RC高通濾波電路構(gòu)成，進(jìn)行高頻耦合，隔離低頻，高通的截止頻率由C2和R6決定，此截止頻率需要比高頻減法放大電路模塊2041的低截止頻率低，高頻減法放大電路模塊2041將所述增益放大信號(hào)減去所述低頻增益放大信號(hào)輸出一個(gè)高頻增益放大信號(hào)，所述高頻增益放大信號(hào)的頻響曲線是一個(gè)帶通頻響曲線，帶通頻響曲線在低頻段有一個(gè)截止頻率，將這個(gè)截止頻率定義為低截止頻率；能夠?qū)⒏哳l減法放大電路模塊2041輸出信號(hào)的所有頻率成分耦合到緩沖電路模塊2046。分路線性電路模塊204的其他電路模塊將在后面的實(shí)施例中再進(jìn)行詳細(xì)介紹。
[0048]作為一種舉例，如果耦合單元模塊2042的輸出可以驅(qū)動(dòng)高速ADC轉(zhuǎn)換模塊2043，可以沒(méi)有緩沖電路模塊2046。
[0049]參照?qǐng)D6，示波器300還包括一個(gè)可控開(kāi)關(guān)301和一個(gè)可編程電流源模塊302，控制處理模塊205分別控制可控開(kāi)關(guān)301的通斷及可編程電流源模塊302的電流檔位選擇。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多檔位的電阻測(cè)量、通斷路測(cè)試。當(dāng)用戶選擇電阻測(cè)量功能時(shí)，控制處理模塊205控制可控開(kāi)關(guān)301閉合，將可編程電流源模塊302連接到示波器信號(hào)輸入端201，根據(jù)不同的電阻測(cè)量檔位設(shè)置，進(jìn)行可編程電流源的設(shè)置。當(dāng)被測(cè)電阻連接到示波器信號(hào)輸入端201時(shí)，電流I流過(guò)被測(cè)電阻，形成電壓。通過(guò)示波器高精度的電壓測(cè)量，然后除以電流I，即得到電阻值。
[0050]由于示波器的輸入電阻為1ΜΩ，測(cè)量時(shí)為被測(cè)電阻和1ΜΩ的并聯(lián)。因此，當(dāng)被測(cè)電阻<=10kQ時(shí)，其誤差很小，小于1%。當(dāng)被測(cè)電阻越大時(shí)，測(cè)量誤差越大。通斷路測(cè)量，實(shí)際是電阻測(cè)量的一種，當(dāng)測(cè)試到電阻值接近0Ω時(shí)，提示短路。二極管極性測(cè)量，也是電阻測(cè)量的一種，二極管反向時(shí)，電阻很大。二極管正向?qū)〞r(shí)，電阻很小，如硅管，正向壓降接近0.7V，利用電阻和電壓測(cè)量，就可以判斷二極管極性。
[0051]作為一種舉例，在示波器信號(hào)輸入端201與輸入級(jí)緩沖和加法電路模塊202之間還連接一個(gè)衰減切換模塊，衰減切換模塊由控制處理模塊控制衰減選擇，可以選擇直通或者衰減輸出，主要用于示波器在大垂直靈敏度檔位時(shí)，將信號(hào)先進(jìn)行衰減，然后輸入后面的電路中，否則輸入信號(hào)幅度過(guò)大，使后續(xù)電路飽和，無(wú)法進(jìn)行有效工作；而在示波器小垂直靈敏度檔位時(shí)，由于信號(hào)幅度不大，衰減網(wǎng)絡(luò)選擇直通，將信號(hào)直接連接到后續(xù)電路。衰減網(wǎng)絡(luò)一般由電阻、電容構(gòu)成，在示波器整個(gè)帶寬范圍內(nèi)，具有較平坦的幅頻響應(yīng)。
[0052]參照?qǐng)D7，是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例1分路線性電路模塊204第2種變形結(jié)構(gòu)示意圖，其中耦合單元模塊2042采用變壓器構(gòu)成，變壓器在此起到高頻隔離的作用，且當(dāng)耦合單元模塊2042采用變壓器時(shí)，在低速ADC模塊2045與所述控制處理模塊205之間連接一個(gè)第一數(shù)字隔離器2047，第一數(shù)字隔離器在此起到低頻隔離的作用。分路線性電路模塊204中耦合單元模塊2042采用變壓器構(gòu)成，同時(shí)增加了第一數(shù)字隔離器2047，可以實(shí)現(xiàn)具有電壓表功能的隔離示波器。
[0053]本變形結(jié)構(gòu)實(shí)施例中，低頻放大電路模塊2044的電路形式可以有下面4種形式:
[0054]如圖8 (A)，形式1，跟隨電路，電路帶寬由放大器本身決定。
[0055]如圖8 (B)，形式2，低通跟隨電路，電路帶寬由R1、C1和放大器帶寬決定。
[0056]如圖8 (C)，形式3，先RC低通，然后放大器跟隨，電路帶寬有R、C和放大器帶寬決定。
[0057]如圖8 (D)，形式4，一個(gè)有源二階低通放大器，電路帶寬有R1、Cl、R2、C2和放大
器帶寬決定。
[0058]當(dāng)然低頻放大電路模塊2044也可以采用諸如多級(jí)放大器或低通濾波器級(jí)聯(lián)的方式，也可以采用大家公知的其他有源低通濾波器電路形式，并不影響本發(fā)明的創(chuàng)造性。
[0059]低頻放大電路模塊2044中的放大器Ul優(yōu)選低帶寬高精度放大器，放大器Ul可以選用任何高精度放大器，以滿足對(duì)低頻采樣精度的要求，當(dāng)然也可以選用精密、低噪聲、低失真、低偏置電流、低溫漂這些更優(yōu)的放大器，能夠有利于對(duì)低頻高精度技術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)。例如選用ADI公司的AD823、AD8639等。
[0060]高頻減法放大電路模塊2041的電路形式為比例運(yùn)算電路，因?yàn)榈皖l路徑增益為1，所以R2=R3=R4=R5，高頻路徑的增益也為I。假設(shè)信號(hào)輸入為Vin，低頻放大電路模塊輸出為 Vlf，則 U2 輸出 Uhf=Vin-Vlf0
[0061]高頻減法放大電路模塊2041中的放大器U2可以選用任何高速放大器，只要能夠滿足設(shè)計(jì)需要的最大帶寬和最大電壓幅度。當(dāng)然選用更大帶寬、低噪聲、低失真放大器，能夠有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)帶寬需求。例如ADI公司的AD8038、AD8012等。
[0062]本變形結(jié)構(gòu)實(shí)施例中的低速ADC模塊2045采用了 Σ-AADC (又稱Delta-Sigma調(diào)制模數(shù)轉(zhuǎn)換器)，最優(yōu)方案是使用24bit的ADC，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的測(cè)量精度，如ADI公司的AD7763，為 24bit、625kHz 采樣率、109dB 動(dòng)態(tài)范圍的 Σ-AADC。AD7763 輸出為 SPI 接口，需要3路數(shù)字隔離實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣數(shù)字信號(hào)的隔離。
[0063]作為一種舉例，當(dāng)耦合單元模塊2042采用RC高通濾波電路時(shí)，AD77763的輸出同時(shí)也不需要數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離了。
[0064]本變形結(jié)構(gòu)實(shí)施例中的低速ADC模塊2045和數(shù)字隔離器次優(yōu)方案，是采用ADI公司的帶隔離的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7401A。它是一個(gè)隔離的16位Σ-Λ調(diào)制器，能夠?qū)崿F(xiàn)5000Vrms,持續(xù)時(shí)間I分鐘的隔離能力。它將輸入轉(zhuǎn)換為高速的Ibit數(shù)據(jù)流，然后經(jīng)過(guò)內(nèi)部的變壓器隔離，輸入一個(gè)20MHz頻率的時(shí)鐘MCLKIN，作為調(diào)制器的采樣時(shí)鐘，輸出Ibit數(shù)據(jù)MDAT。這樣，只需要一個(gè)器件，就實(shí)現(xiàn)了 Σ-AADC和數(shù)字隔離器的功能，電路結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單。
[0065]當(dāng)然，使用AD7401A，需要將低頻路徑信號(hào)連接到其輸入端VIN+，將測(cè)量通道的地連接到VIN-上。
[0066]本變形結(jié)構(gòu)實(shí)施例中的耦合單元模塊2042采用變壓器，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需求的帶寬，變壓器的最高工作頻率需要大于設(shè)計(jì)需求的帶寬，而且變壓器的最低工作頻率需要延伸到小于10kHz，將最低工作頻率延伸到小于10 k H z，為的是和低頻路徑的工作頻率有一定的重疊，這樣低頻和高頻路徑輸出相加才能反映輸入信號(hào)。。而且初次級(jí)間的耐壓要滿足設(shè)計(jì)期望。本實(shí)施例中變壓器繞制方式采用了傳輸線變壓器方式，可以實(shí)現(xiàn)較好的頻率響應(yīng)。其他形式的變壓器也可以，但是頻響響應(yīng)稍差。
[0067]變壓器磁芯最優(yōu)選用高導(dǎo)磁率軟磁鐵氧體磁環(huán)，如北京七星飛行電子有限公司的RlOK系列，如R10K-H13x7x5。如越峰電子材料股份有限公司的AlO系列，如A10_T12x6x4。
[0068]線材采用三層絕緣線，可以實(shí)現(xiàn)非常高的耐壓，如日本古河電子工業(yè)株式會(huì)社的TEX-E三層絕緣線，線徑Φ0.20mm。如順正電子有限公司的TIW-B直焊型三層絕緣線，線徑Φ0.20mm。
[0069]本變形結(jié)構(gòu)實(shí)施例的傳輸線變壓器可以實(shí)現(xiàn)最低1kHz，最高200MHz的工作頻率，頻帶范圍內(nèi)幅頻響應(yīng)波動(dòng)很小。
[0070]本變形結(jié)構(gòu)實(shí)施例中的緩沖電路模塊2046中R6為變壓器次邊的負(fù)載電阻，用于調(diào)節(jié)變壓器的幅頻響應(yīng)。選取值為1.2kQ。放大器U3選用全差分運(yùn)放，以適應(yīng)第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器的差分輸入要求，選用TI公司的111冊(cè)554，輸入、反饋電阻1?7=1?8=1?9=1?10=300 0。
[0071]作為一種舉例，本變形結(jié)構(gòu)實(shí)施例中也可以不采用緩沖電路模塊2046。
[0072]本變形結(jié)構(gòu)實(shí)施例中的ADC轉(zhuǎn)換模塊2043，可以選用任何滿足設(shè)計(jì)采樣率要求的ADC0如選用TI公司的8位IGsa/s的ADC,型號(hào)ADC08D1000。如選用E2V公司的8位IGsa/s 的 ADC，型號(hào) AT84AD001B。
[0073]參照?qǐng)D9，是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例1分路線性電路模塊204第3種變形結(jié)構(gòu)示意圖，圖9所示的第3種變形結(jié)構(gòu)與圖7所示的第2種變形結(jié)構(gòu)的區(qū)別是，變壓器Tl的驅(qū)動(dòng)和接收都采用差分方式。則高頻減法放大電路模塊2041的放大器選用全差分放大器，放大器輸出為差分信號(hào)，連接到變壓器Tl原邊的兩端，用于驅(qū)動(dòng)變壓器。所述增益放大信號(hào)和所述低頻增益放大信號(hào)連接到差分放大電路的兩個(gè)輸入端，構(gòu)成減法電路。電阻值R2=R3=R4=R5=300Ω。
[0074]參照?qǐng)D10，是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例1分路線性電路模塊204第4種變形結(jié)構(gòu)示意圖，本變形結(jié)構(gòu)實(shí)施例提供了一種對(duì)于差分信號(hào)輸入的分路線性電路。信號(hào)輸入為差分信號(hào)，低頻放大電路模塊2044也采用全差分放大電路，其帶寬可以按照低頻路徑的要求選擇，也可以增加額外的低通濾波電路，來(lái)保證低頻路徑的帶寬滿足低速ADC轉(zhuǎn)換模塊2045的信號(hào)輸入要求。如ADI公司的全差分放大器AD8476。參照?qǐng)D11，低頻放大電路模塊2044也可以使用兩個(gè)單端放大器，分別對(duì)差分輸入信號(hào)的P、N端進(jìn)行低頻放大，放大器選型同上。高頻減法放大電路模塊2041與圖9所示的第3種變形結(jié)構(gòu)的不同點(diǎn)在于，全差分放大器構(gòu)成了比例運(yùn)算電路，電阻選取町、1?2、1?3、1?4、1?5、1?6相等，均為30(^。這樣Ul的輸出就是輸入信號(hào)和低頻放大電路輸出的相減。
[0075]參照?qǐng)D12，示波器400中，由于分路線性電路模塊204中采用了變壓器及數(shù)字隔離器(具體電路可結(jié)合參照?qǐng)D7、圖9和圖10)，因此在可編程放大器模塊203與控制處理模塊205之間連接一個(gè)第二數(shù)字隔離器，在D/`A轉(zhuǎn)換模塊206與控制處理模塊205之間連接一個(gè)第三數(shù)字隔離器402。在信號(hào)輸入端201與控制處理模塊205之間還順序連接一個(gè)可控開(kāi)關(guān)301和一個(gè)可編程電流源模塊302和一個(gè)第四數(shù)字隔離器403，控制處理模塊205通過(guò)第四數(shù)字隔離器403分別控制可控開(kāi)關(guān)301的通斷及可編程電流源模塊302的電流檔位選擇。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多檔位的電阻測(cè)量、通斷路測(cè)試。當(dāng)用戶選擇電阻測(cè)量功能時(shí)，控制處理模塊205控制可控開(kāi)關(guān)301閉合，將可編程電流源模塊302連接到示波器信號(hào)輸入端201，根據(jù)不同的電阻測(cè)量檔位設(shè)置，進(jìn)行可編程電流源的設(shè)置。當(dāng)被測(cè)電阻連接到示波器信號(hào)輸入端201時(shí)，電路I流過(guò)被測(cè)電阻，形成電壓。通過(guò)示波器高精度的電壓測(cè)量，然后除以電流I，即得到電阻值。由于示波器的輸入電阻為1ΜΩ，測(cè)量時(shí)為被測(cè)電阻和1ΜΩ的并聯(lián)。因此，當(dāng)被測(cè)電阻<=10kQ時(shí)，其誤差很小，小于1%。當(dāng)被測(cè)電阻越大時(shí)，測(cè)量誤差越大。
[0076]通斷路測(cè)量，實(shí)際是電阻測(cè)量的一種，當(dāng)測(cè)試到電阻值接近O Ω時(shí)，提示短路。二極管極性測(cè)量，也是電阻測(cè)量的一種，二極管反向時(shí)，電阻很大。二極管正向?qū)〞r(shí)，電阻很小，如硅管，正向壓降接近0.7V，利用電阻和電壓測(cè)量，就可以判斷二極管極性。
[0077]在示波器信號(hào)輸入端201與輸入級(jí)緩沖和加法電路模塊202之間還連接一個(gè)衰減切換模塊，衰減切換模塊由控制處理模塊控制衰減選擇，可以選擇直通或者衰減輸出，主要用于示波器在大垂直靈敏度檔位時(shí)，將信號(hào)先進(jìn)行衰減，然后輸入后面的電路中，否則輸入信號(hào)幅度過(guò)大，使后續(xù)電路飽和，無(wú)法進(jìn)行有效工作；而在示波器小垂直靈敏度檔位時(shí)，由于信號(hào)幅度不大，衰減網(wǎng)絡(luò)選擇直通，將信號(hào)直接連接到后續(xù)電路。衰減網(wǎng)絡(luò)一般由電阻、電容構(gòu)成，在示波器整個(gè)帶寬范圍內(nèi)，具有較平坦的幅頻響應(yīng)。
[0078]作為一種舉例，本實(shí)施例中可以不連接衰減切換模塊404，仍然可以在示波器上實(shí)現(xiàn)萬(wàn)用表的高精度電壓測(cè)量功能、電阻測(cè)量功能及通斷路測(cè)量功能，同時(shí)示波器還具有隔離功能。隔離功能就是將示波器輸入側(cè)的電信號(hào)傳遞到輸出側(cè)，但輸入側(cè)和輸出側(cè)之間在電氣上是隔離的，增加了示波器的使用安全性。
[0079]作為一種舉例，本實(shí)施例中可以不連接可控開(kāi)關(guān)301、可編程電流源模塊302和第四數(shù)字隔離器403，仍然可以在示波器上實(shí)現(xiàn)萬(wàn)用表的高精度電壓測(cè)量功能，同時(shí)示波器還具有隔離功能。
[0080]作為一種舉例，本實(shí)施例中控制處理模塊采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0081]以上所述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所應(yīng)理解的是，以上優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的思想和原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換等等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種具有萬(wàn)用表功能的示波器，包括一個(gè)信號(hào)輸入端、一個(gè)輸入級(jí)緩沖和加法電路模塊、一個(gè)可編程放大器模塊、一個(gè)D/Α轉(zhuǎn)換模塊，一個(gè)控制處理模塊；所述信號(hào)輸入端用于接收一個(gè)外部輸入信號(hào)； 所述控制處理模塊，用于控制所述D/Α轉(zhuǎn)換模塊輸出一個(gè)偏置直流信號(hào)至所述輸入級(jí)緩沖和加法電路模塊； 所述輸入級(jí)緩沖和加法電路模塊，用于將所述輸入信號(hào)與所述偏置直流信號(hào)進(jìn)行加法運(yùn)算后，輸出一個(gè)緩沖信號(hào)； 所述控制處理模塊，還用于控制所述可編程放大器模塊對(duì)所述緩沖信號(hào)進(jìn)行增益放大，輸出一個(gè)增益放大信號(hào)； 其特征在于，還包括一個(gè)分路線性電路模塊，所述分路線性電路模塊包括一個(gè)高頻減法放大電路模塊、一個(gè)耦合單元模塊、一個(gè)高速ADC轉(zhuǎn)換模塊、一個(gè)低頻放大電路模塊和高精度低速ADC轉(zhuǎn)換模塊； 所述低頻放大電路模塊，用于對(duì)所述增益放大信號(hào)進(jìn)行濾波，輸出一個(gè)低頻增益放大信號(hào); 所述高頻減法放大電路模塊，用于將所述增益放大信號(hào)減去所述低頻增益放大信號(hào)輸出一個(gè)高頻增益放大信號(hào)； 所述耦合單元模塊，用于對(duì)所述高頻增益放大信號(hào)進(jìn)行高通濾波，輸出一個(gè)高通增益放大信號(hào)； 所述高速ADC轉(zhuǎn)換模塊，用于對(duì)所述高通增益放大信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣后的高速采樣數(shù)據(jù)輸入控制處理模塊； 所述低 速ADC轉(zhuǎn)換模塊，用于對(duì)所述低頻增益放大信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣后的低速采樣數(shù)據(jù)輸入控制處理模塊； 所述控制處理模塊，還用于將所述高速采樣數(shù)據(jù)和所述低速采樣數(shù)據(jù)相加成η位數(shù)據(jù)，η大于8小于等于24，并將η位數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算或有效值計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行顯不O
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的示波器，其特征在于，所述控制處理模塊包括一個(gè)延時(shí)調(diào)節(jié)模塊、一個(gè)插值模塊、一個(gè)逐點(diǎn)相加模塊、一個(gè)米樣控制模塊，一個(gè)電壓表功能模塊，所述延時(shí)調(diào)節(jié)模塊，用于對(duì)所述高速采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)，輸出延時(shí)后的高速采樣數(shù)據(jù)；所述插值模塊，用于對(duì)所述低速采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運(yùn)算，得到插值后的低速采樣數(shù)據(jù)，所述逐點(diǎn)相加模塊，用于將所述延時(shí)后的高速采樣數(shù)據(jù)和所述插值后的低速采樣數(shù)據(jù)相加，生成24位數(shù)據(jù)，所述采樣控制模塊用于控制示波器的采樣、將采樣后數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示，所述電壓表功能模塊，用于將24位數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算或有效值計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行顯示。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的示波器，其特征在于，所述耦合單元模塊采用RC高通濾波電路構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的示波器，其特征在于，在所述信號(hào)輸入端與所述控制處理模塊之間還順序連接一個(gè)可控開(kāi)關(guān)和一個(gè)可編程電流源模塊，所述控制處理模塊還用于分別控制所述可控開(kāi)關(guān)的通斷及可編程電流源模塊的電流檔位選擇。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的示波器，其特征在于，所述耦合單元模塊采用變壓器構(gòu)成，且當(dāng)所述耦合單元模塊采用變壓器時(shí)，在所述低速ADC模塊與所述控制處理模塊之間連接一個(gè)第一數(shù)字隔離器，在所述可編程放大器模塊與所述控制處理模塊之間連接一個(gè)第二數(shù)字隔離器，在所述D/Α轉(zhuǎn)換模塊與所述控制處理模塊之間連接一個(gè)第三數(shù)字隔離器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的示波器，其特征在于，在所述信號(hào)輸入端與所述控制處理模塊之間還順序連接一個(gè)可控開(kāi)關(guān)和一個(gè)可編程電流源模塊和一個(gè)第四數(shù)字隔離器，所述控制處理模塊還用于通過(guò)所述第四數(shù)字隔離器分別控制所述可控開(kāi)關(guān)的通斷及可編程電流源模塊的電流檔位選擇。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的示波器，其特征在于，所述分路線性電路模塊還包括一個(gè)緩沖電路模塊，所述緩沖電路模塊連接在所述耦合單元模塊與所述高速ADC轉(zhuǎn)換模塊之間，用于增強(qiáng)所述高通增益放大信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)所述高速ADC轉(zhuǎn)換模塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的示波器，其特征在于，所述分路線性電路模塊還包括一個(gè)緩沖電路模塊，所述緩沖電路模塊連接在所述耦合單元模塊與所述高速ADC轉(zhuǎn)換模塊之間，用于增強(qiáng)所述高通增益放大信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)所述高速ADC轉(zhuǎn)換模塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的示波器，其特征在于，所述分路線性電路模塊還包括一個(gè)緩沖電路模塊，所述緩沖電路模塊連接在所述耦合單元模塊與所述高速ADC轉(zhuǎn)換模塊之間，用于增強(qiáng) 所述高通增益放大信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)所述高速ADC轉(zhuǎn)換模塊。
【文檔編號(hào)】G01R13/02GK103884888SQ201210557314
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月20日
【發(fā)明者】史慧, 嚴(yán)波, 王悅, 王鐵軍, 李維森 申請(qǐng)人:北京普源精電科技有限公司