专利名称：一种usb总线供电的掌上通用示波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种示波器，特别地，涉及一种USB总线供电的掌上通用示波器。
背景技术：
近几十年来，突飞猛进的电子电气技术，逐渐渗透到科技和社会生活的各个领域，所有这些相关部门和行业的发展都大量需要作为信息测量与控制的手段和设备的电子测量仪器；“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进”，竞争的空前剧烈，也使得各种电子测量器械越来越成为科研和生产发展的必备物质基础。示波器作为技术密集、知识密集型产品，是电子测量仪器中最为通用的仪器之一，是所有电子电气产品科研、生产、试验、维修的基本条件和手段。尤其在需要观察电路电压、电流的波形，和调试、分析、判断电路故障的场所，示波器一般是必备的；示波器和一些适当的传感器等配合，还可以观察一些非电量的变化。由此可见，用途的多样性、适宜性和必要性，使得示波器广泛地应用于广阔的电子和电气测量领域，比如电力、电子、生产制造、材料和结构、建筑、航天航空、生物医学、国防工业等，成为许多重大工程配套和经济建设不可缺少的重要组成部分，在科学研究、国民经济和社会生活等方面发挥着日益巨大作用。
目前市场上存在的示波器，一般把目标定位在产品的高性能和强大功能的竞争优势上，造成市场上的模拟及数字示波器一般价格高昂、体积较大且很多专业功能并不太实用。还有一些数字存储示波器，虽然在一定程度上降低了价格和便于使用，但是还很难达到类似万用表一样随手携带的、更便宜、更好、更快、更方便的使用目标；另外，国外已经有个别体积较小的高端手持仪器，但价格高昂，不利于推广。
通用示波器是以高输入阻抗来显示和测量波形的仪器，顾名思义，它不只是适合于观察某一特定类别的电子信号的，而是按照同样的方式可以观察和测量从直流到交流、具有一定大电压幅度的数字和模拟信号的一种装置。为了实现这些目标，目前市场上存在的示波器设计复杂、面面俱到，而且从结构上来说，一般要采用一些机械电子类控制和调节部件，往往需要工频变压器和开关电源的方式供电，体积相对庞大、功耗和干扰等问题导致低成本、便利实用、小巧随手的测试工具很难面世推广。

发明内容
本发明的目的就是要克服现有示波器存在的上述缺点和不足，提供一种性能价格比十分高的重量不足200克的USB总线供电的掌上通用示波器，由于它通过USB总线在PC上显示测试信号的波形，也是一种高性能的虚拟示波器。
本发明的目的是这样实现的本发明突破了传统仪器设计思路的局限，采用USB总线供电的方式构建本身不带有电源模块的虚拟通用示波器，也不同于那些类似的基于并行接口或者其他高速总线的、配备电源的低压采样卡或者示波装置；它采用现代的集成电路构成仪器的各个主要组成部分，针对通用示波器测量信号的广泛性，灵巧设计各级信号变换和调理装置，配合必要的电路保护和安全处理技术，在保证性能指标的前提下，研制出超低成本、体积小和重量轻的通用的有限功耗数字存储虚拟示波器。
具体而言，它包括一输入端，包括两个BNC接头，用来接收被测量的电信号；一用于对上述输入电信号进行调理变换的多级信号调理装置；一触发信号发生装置，用来形成不同信号波形显示处理过程需要的触发信号；一数模转换ADC装置，带有能良好克服共模干扰的差动放大驱动电路；一基于FPGA的高频控制器；一用作USB通信从动端和仪器工作状态配置器的USB通信控制单片机；一电源变换和控制装置；多级信号调理装置，包括衰减电路、过压保护电路开关、三极管高频稳压器、电路开关隔离控制器、多路选择器、交/直流切换开关、阻抗变换缓冲器U18、二次衰减电路和高速四路选择器，它们依次电连接；触发信号发生装置，包括±5伏特参考源、数字电位器、四路比较器、触发信号调理选通装置、外触发信号调理装置，以及和比较器输出端相连的控制器，它们依次电连接；电源变换和控制装置，包括USB端口、3.3伏电源变换装置、电源开关、1.5伏LDO装置、±5伏电源发生装置、±12伏电源发生装置以及它们到各个功耗单元的配电网络；它们在单片机的控制下，在示波器所述的各个装置和元器件之间分配2.5瓦的USB电源。
标志本示波器的主要技术指标为(1)最大实时采样率100MS/s和200MS/s(两个通道合并为单通道时)，输入带宽为DC-20MHz；(2)最大输入电压500伏(BNC连接，采用1∶1探头时)；(3)垂直灵敏度为10毫伏/格，一直到50伏/格；(4)两个通道，输入阻抗1Mohm/20pF±2％；(5)USB1.1或2.0端口连接到PC，USB总线供电；(6)等效采样率可达5GS/s；(7)多种先进的触发方式；(8)采样数据的多种运算处理和自动测量功能；(9)采样数据和波形的多种存储方式和软、硬拷贝功能；(10)体积仅仅120mm×85mm×25mm，重量不足200克。
本发明在性能和应用上的特点和优点有只需要USB总线供电、轻巧便携，在PC上进行复杂和详尽的采样数据和数字信号处理工作，特别适合于现场电气信号的测试和设备调试。
本示波器在功能电路设计上全部电子化，不采用分离的机械器件，大大缩小了体积，可以方便地挂接在USB或者其他接口上，也可以制成嵌入式结构，配置或者安装在各种测量仪器上，就可以以较低的成本、较小的体积实现配置灵活的智能仪器组合。
由于本示波器是可以经常随手操作使用的，在结构和物理布局设计上力求紧凑，对各组成模块分别进行了电气测量和分析以避免各种电气干扰和损害，安全设计也有优先考虑，并实施了可靠的散热分析和布局设计，测量性能得到了可靠的验证和保障。
众所周知，示波器是现场测试的重要工具，没有哪个工程师愿意抬着一台示波器和一堆电源到现场，本示波器只需要USB电缆供电，体积小、重量轻、便于随手携带，凡需要测量、调试和检修的场合，都可以方便使用。
本发明类似实现了典型示波器的结构和功能，并且具有很高的性能价格比，适应更高、更新、更快的测量课题和测量需求，因此在教育、科研、工业制造、家庭和个人应用等等方面，都具有良好的市场前景。


图1是示波器的基本结构原理图；图2是示波器的电路设计方框图；图3是多级信号调理装置的设计框图和局部细节电路示意图；图4是触发信号发生装置的设计框图；图5是模数转换ADC装置的设计框图；图6是基于FPGA的高频控制器的模块组成和功能电路原理图；图7是示波器电源变换和控制装置在电源分配上的示意图；图8是示波器电源变换和控制装置中产生正负12伏电源的回扫电路原理图；图9是示波器PC软件的基本操作流程图。
具体实施例方式
从图1可以看出，与其他通用数字存储示波器一样，在示波器的信号输入接头和波形显示之间的电路是模拟电路和数字电路的混合体，首先要完成操作状态参数控制下的信号调理、变换和输入，然后用一个模/数变换器(ADC)对这些瞬时信号数字化。由于采样数据随后要存贮到存储器中去，我们在示波器屏幕上看到的波形总是由所采集到数据重建的波形，而不是输入连接端上所加信号的立即的、连续的波形显示。因此，增加一个高速的USB通信模块并没有改变数字存储示波器的原理、基本特征和功能；反而，在信号数据的处理、表达及其换算功能移植到了上层软件后，利用PC的强大资源，能够实时地将各种信息有效地提取出来，更加广泛地建立数据处理的高级分析库和工具库(例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、回归分析、数值运算、时域和频域分析等)，使示波器同时又有可能发展成为组建极为复杂自动测试系统某一部分的装置，可以更好地拓展其在大系统测试和数据管理上的应用。
如图2中所示，示波器的功能模块100表示待测信号的导入和多级调理变换部分；200部分是从不同信号源产生触发脉冲的触发信号发生装置；300就是所述的由输入信号差分驱动单元和模/数转化量化输出单元构成的模数转换ADC装置，其中深黑色粗箭头表示模拟信号从输入端连接到100中调理变换，再分别连接到200中产生触发信号和连接到300中采样量化的流程；400是所述USB通信控制单片机和相关的I/O控制电路部分；500是本示波器的一个有着中心协调枢纽功能的高频信号控制器，采用Altera的高性能FPGA芯片编程设计完成，主要用来控制采样数据到单片机的通信和系统状态，图中的空心箭头就表示采样数据的通信流，其他单实线箭头表示各模块间互联的控制信号；由于本示波器是通过USB接口的500毫安5伏有限功率电源来供电的，在整个电路设计中，考虑到示波器通用电信号测量功能和性能方面的各种严格要求，结合信号调理变换装置的具体功能设计(突破性实现了相对高功耗的高压输入信号变换和有源驱动电路的低功耗设计)，还有FPGA和单片机等电路的用电规范，所采用和设计的各级直流DC-DC变换电路都在功能划分、性能、转换效率和控制、经济合理性上严密设计，保证了2.5瓦功耗的通用示波器的基本功能和良好性能，图2中的600部分即所述的电源变换和控制装置构成的配电系统，空心虚箭头大体表征了电源的分配方向。700是待测信号输入端。
如图3所示，是图2中多级信号调理变换部分100的基本设计原理图。这一部分电路从BNC连接器700的信号接入端开始，由衰减电路110、过压保护电路开关120、高频稳压器130、电路开关隔离控制器140、多路选择器150、交/直流切换开关160、阻抗变换缓冲器U18、二次衰减电路170和高速四路选择器180等单元电路和一些其他器件组成，并依次电连接。
输入信号经探头、700接入示波器，选用一个频率特性适当的压敏电阻VR1作为第一级电路保护。后面依次连接MOS管电路开关120、三极管高频稳压器130和由高频开关构造的多路选择器150，因为示波器可能接入的高压信号会对后面全部电子集成化的工作器件产生过压危害，所以在通道信号线上连接了一套专门设计的三极管高频稳压器130，保证多路选择器150上的信号连接点电压不超过设计中的工作电压；但是，一旦发生了过压现象，由于电路阻抗的非线性变化必然导致从700到各信号接入器件和150之间的电势变化非线性，损害被测信号的真实性；因此，电路设计中采用了如图3中所示的分离并行的衰减电路110，第一层电路中仅仅连接电阻R30等作为稳压限流和电路补偿器用，第二层通过电阻R1、R2实现十分之一分压衰减，第三层通过电阻R3、R4实现百分之一分压衰减，在某层有过压现象发生时，就断开该层MOS管开关的输入信号连接，实现信号在下一层上的衰减后输入，避免了阻抗不可预期变化导致的接入信号非线性失真和对内部低压电路的损害；由于示波器的输入阻抗要标准化设计在1M欧姆上下的范围内，所以本电路采用两个大约2M欧姆的衰减电路实现两级分压，否则，如果并联的衰减级数太多、单级电路输入阻抗就太大，虽然电路中设计了C1、C2、C3和C4等补偿电容，也不利于可靠保证信号中高频成分的不失真通过；这样，后面多路选择器150的门限电压就可以设计在10伏特以上、直到15伏特，满足了通用示波器能直接输入、测量高压电特别是带有不少不可预测的高频成分高压电的测量需求。140中由脉冲信号发生器和变压器组成了MOS管开关隔离控制器，根据过压与否的判断由程序来控制MOS管的动作，如图所示，它与基于FPGA的高频控制器500有相应的电连接。
150和160是在控制器500操作控制下的多路信号选择器和选通信号交流、直流耦合的开关电路。U18是对选通信号的阻抗变换和缓冲器件，具有良好的高频性能和低噪声等特点。缓冲器U18的输出信号一边经过170作进一步的分压衰减，另外还连接到200触发信号发生装置作为通道信号触发源。180是FPGA控制下的高速高阻缓冲输入四通道多路选择器，用来实现程控选通适合ADC采样输入标准的一路信号，变送到300所代表的采样量化单元。其中，150还连接了触发信号发生装置200中产生的校准用电平参考信号，以实现电路误差的程控校准功能。以上所述以及图3中的电路仅仅是一个通道设计的描述，另外一个通道具有相同的设计和功能，在物理上对称排布。
如图4所示，是本示波器触发信号发生装置200的设计原理框图，包括参考源和比较器、触发信号处理部分等，没有采用传统的依靠DAC芯片产生可调节的触发位准的方法，而是由ADR01和INA105组合电路210产生±5伏参考源直接提供给精度在1％以内的数字电位器220，根据控制器500的参数设置在其中间抽头产生一个精确的触发位准，如图中的黑色粗箭头所示，连接到四路比较器230产生触发逻辑。当然，触发信号源可以是来自U18的两个通道信号中任何一个经过触发信号调理选通装置240处理过的信号，无论是直流还是交流耦合，高频还是低频抑制等，都传送到230中的高速比较器中与触发位准相比较，生成的高速逻辑信号连接到控制器500，由其中的状态机统一处理复杂而精确度要求特别高的触发逻辑信号、响应触发要求，并发生采样、通信和数据算法处理等控制信号。这样一来，简化了电路设计、降低了功耗和成本，也减少了程序控制的难度，目标效果反而更好了。同样，触发信号源也可以选择或者是模拟信号或者是数字逻辑的外部信号，经过外触发源接口和外触发信号调理装置250连接到比较器230。
模数转化ADC装置300主要完成采样和量化工作，电路设计大多比较统一，如图5所示，主要的改变是在选通的两个通道信号(180输出端)后面连接一个单/双通道操作切换开关310，然后通过电路320再一次对于通道信号进行二极管电路限压保护和RC高频补偿，其驱动器输出信号经过330中的高频运放差分变换后，即可进入340中的ADC芯片，随即在FPGA控制器设定的时钟作用下完成采样和量化工作。采样数据暂时缓存在控制器FPGA内，在FPGA内部仅仅进行很少的硬件快速算法处理(如512点以下的FFT运算)就传送到USB通信控制单片机400中的内存里，以便PC程序的数据提取和处理用。
图2中500代表基于FPGA的高频信号控制器，是本示波器最为集中化的功能设计单元，也是系统协调和控制的核心；它的程序可以预先固化在FPGA配置芯片中，也可以在PC软件操作中通过USB电缆下载到单片机400，然后再程控烧录到配置芯片中作为每次上电启动时初始化系统和实施控制功能的程序代码。这样的设计，实现了硬件功能的软配置，扩展、升级性能好。该控制器500的基本功能电路设计框架如图6所示。
它主要包括，单片机400和FPGA之间各个模块控制参数译码和控制状态机570，用来接受单片机的通信数据并产生其他各个单元、模块需要的控制信号和参数，如图所示，有很多需要的控制和状态信号连接到100、200、300乃至600中的不同功能模块，概括而言就是完成自定义的I2C协议数据通信和根据协议字译码产生需要的控制、状态信号；时钟倍频用锁相环模块510，通过来自单片机的24M时钟信号CLK_OUT产生基于FPGA的高频控制器操作需要的100M时钟CLK100和200M时钟CLK200；采样和数据通信用时钟信号发生器520，它产生协调数据采样、信号整形、数据缓存和数据通信等功能需要的各个内部操作时钟以及单片机400需要的外部FIFO时钟F_CLK；两个2K×8的采样数据FIFO电路530，还有相应的数据通信控制状态机540，该控制模块和FIFO模块530以及单片机400的数据通信状态有严格的时序关系，图中所示的黑色粗箭头就代表了采样数据自模数转换ADC电路300到FIFO530以及单片机400的流向；其次就是按照单片机400设定的方式和参数产生触发逻辑、触发信号，生成必要的触发点位数据，并根据来自300的通信数据计算一定数量的采样数据FFT的模块550——触发逻辑、触发计数与FFT算法部分，设计有一触发信号处理状态机，专门用来负责接收四路比较器(230)产生的触发信号，并根据程控操作要求产生各种触发方式下被测信号的触发状态和相应的控制信号；以及将控制器内部数据和计算信息与400交互的模块560——计数与计算数据通信处理模块。这些逻辑关系复杂、时序状态严格、数据高频通信的逻辑控制系统，就构成了完成整个示波器工作控制和协调需要的所述的基于FPGA的高频控制器。
从上面的模块设计的严格要求和错综复杂性上也可以看出，这么一个电路系统很需要合理有效的电源分配网络，详细的功耗和效能分析比较重要。本示波器各组成部分需要的电源变换、分配电路示意图如图7中所示。设计中，由于USB接口电源供应的有限性和开始插入时从PC获得的电流仅仅100毫安等原因，采用了高效的同步开关DC-DC芯片MIC2204构成3.3伏电源变换装置620作为单片机400、FPGA控制器500和300中采样芯片等的DC电源；同时还有一路在USB通信控制单片机400正常工作后才动作供电的FPGA核电用1.5伏LDO装置640，以及一个数字系统正常工作后才闭合的电源开关630——开通整个模拟信号调理变送部分的工作电源(±5伏电源发生装置650和±12伏电源发生装置660)。其中，±5伏电源发生装置650主要是供应模数转换ADC装置300、多级信号调理装置100和触发信号发生装置200中的电源需求，±12伏电源发生装置650主要是供应多级信号调理装置100和触发信号发生装置200中的电源需求。所有的电路设计都采用了最为微功耗的技术进行，如以上所有内容所述，100、200、300和600中的各模拟信号处理单元电路都进行了精确的测量、计算和调试，在满足功能、性能要求的整体协调设计下，将系统的电耗降低到了可能的最低点，其中，3.3电源耗电在200毫安以下，1.5电源耗电在40毫安以下，±5伏电源耗电在100毫安以下，±12伏电源耗电在120毫安以下，示波器完全可以在2.5瓦特的功耗下正常工作。
图8给出了±12伏电源发生装置660的回扫电路设计原理图，这样的拓扑结构电路简洁、便宜、效率高。RN5RY202是变换功能的PWM主控芯片，由它来控制场效应管Q3的导通和关闭，导通时，电感器L1两端就有输入电压，这时输入电流经过D103和D102，流入负载、C104和电容C101，+12伏电源作用发生。这时二极管D101是反向偏置的，电感器中的电流继续增大，一旦Q3被关闭，为了保持电流流动，电感器L1两端的电压极性相反，D103和D102被关闭，D101开通，电路在放电电容C101的驱动下产生-12伏的电源。调节电阻R101和R102的阻值改变RN5RY202的PWM工作特性，就可以控制场效应工作的合适占空时间，达到输出电源电压值灵活调节的效果。
软件部分要完成系统状态配置、调节和控制、USB数据通信、采样数据的存储和处理、波形显示和数学处理以及其他一些辅助功能。如图9，给出了PC软件的基本操作流程图，在软件安装完成的前提下，当USB示波器接入PC时，系统会根据检测到的设备ID加载驱动程序并运行软件，随即完成系列化的初始化工作；在硬件配置和状态稳定后，系统自动进入采样操作和数据通信状态，并根据用户的不同操作要求实施必要的数据信号处理工作，在PC软件界面上显示波形和计算数据。由于将这些操作移植到了具有强大资源和处理能力的电脑上，可以完成很多台式示波器所不具有的更多的数据处理、计算和分析功能；所有的设计功能包括显示数据占整个采样数据集的百分数、左右上下光标的时间电压值、触发电平、周期、占空比、上升时间、下降时间、频率、最大值、平均值、最小值、峰-峰值、正脉冲宽度、负脉冲宽度、均方根值、频率谱分中的幅-频特性、相-频特性、自功率谱函数、互功率谱函数和自相关函数、互相关函数等，而不是象传统的台式示波器一样只能显示其中的几种参数。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种USB总线供电的掌上通用示波器，包括一输入端，包括两个BNC接头，用来接收被测量的电信号；一多级信号调理装置，用于对上述输入电信号进行调理变换；一触发信号发生装置，用来形成不同信号波形显示处理过程需要的触发信号；一数模转换ADC装置，带有能良好克服共模干扰的差动放大驱动电路；一基于FPGA的高频控制器；一USB通信控制单片机，用作USB通信从动端和仪器工作状态配置器；一电源变换和控制装置。其特征在于多级信号调理装置，包括衰减电路(110)、过压保护电路开关(120)、三极管高频稳压器(130)、电路开关隔离控制器(140)、多路选择器(150)、交/直流切换开关(160)、阻抗变换缓冲器U18、二次衰减电路(170)和高速四路选择器(180)，它们之间依次电连接。触发信号发生装置，包括±5伏特参考源(210)、数字电位器(220)、四路比较器(230)、触发信号调理选通装置(240)、外触发信号调理装置(250)，以及和比较器(230)输出端相连的控制器(500)，它们之间依次电连接。电源变换和控制装置，包括USB端口(610)、3.3伏电源变换装置(620)、电源开关(630)、1.5伏LDO装置(640)、±5伏电源发生装置(650)、±12伏电源发生装置(660)和它们到各个功耗单元的配电网络，它们在单片机(400)的控制下，在示波器所述的各个装置和元器件之间分配2.5瓦的USB电源。
2.根据权利要求1所述的示波器，其特征在于，所述数模转换ADC装置具有单双通道切换操作装置、反向二极管保护装置和信号补偿器，并带有能基本克服共模干扰的差动放大驱动电路。
3.根据权利要求1所述的示波器，其特征在于，所述基于FPGA的高频控制器包括各个控制模块参数译码和控制状态机、PLL模块、时钟信号发生器、采样数据FIFO、数据读写时序控制和逻辑状态机、触发逻辑触发计数与FFT算法部分等模块；还带有一可通过USB通信的方式下载并在单片机(400)时序控制下烧录程序的配置芯片。
4.根据权利要求1所述的示波器，其特征在于，所述触发信号发生装置的四路比较器(230)的输出信号，传送到控制器(500)的触发逻辑触发计数与FFT算法部分(550)，由其内部的触发信号处理状态机根据操作程序的需要产生相应触发状态和控制信号。
5.根据权利要求1所述的示波器，其应用特点主要表现在整个系统都采用集成电路和高效率的电子器件，没有分立的机械结构电气元件，节省电能，缩小体积，降低成本，实现了USB电缆供电的、PC机完成复杂的信号处理和计算结果显示的可作为各种通用信号测量工具的一种掌上通用数字存储示波器。
全文摘要
本发明公开了一种USB总线供电的掌上通用示波器，涉及一种示波器，由全部集成电路化的多级信号调理装置、触发信号发生装置、模数转换ADC装置、基于FPGA的高频控制器、USB通信控制单片机以及一套电源变换和控制装置组成，仅仅通过USB总线供电就实现了测量诸如交流功率信号、整流波形、直流和规则的交流信号、数字逻辑、脉宽调制和斩波、调幅和调频、视频音频以及串行数据等的示波器功能，大大减小了仪器的体积、重量和制造成本，并且保证了该测量仪器的性能指标。
文档编号G01R13/20GK1584606SQ20041002489
公开日2005年2月23日 申请日期2004年5月31日 优先权日2004年5月31日
发明者朱江明, 徐红启, 傅利泉, 郭斌林 申请人:浙江大华信息技术股份有限公司