专利名称：高性能海量存储数字荧光示波器的制作方法
技术领域：
本发明是一种电子测量仪器，特别是一种用于波形显示的高性能海量存储示波器。
背景技术：
数字荧光示波器(Digital Phosphor Oscilloscope，DPO)是继模拟实时示波器(Analog Real-Time Oscilloscope，ART)、数字存储示波器(DigitalStorage Oscilloscope，DSO)之后的第三代示波器技术。数字荧光示波器不仅具有数字存储示波器的波形存储、波形分析能力，同时具有模拟示波器的亮度等级、准实时处理等优点，做到了结合ART和DSO的优点而摈弃其缺点。其高度的洞察力可以用来观察十分复杂的信号。
因为上述的这些优点，数字荧光示波器成为了一些实验室、科研院所的必备仪器，在高端应用场合中大显身手。近一、二十年来，在本发明名所处的高端电子测试测量仪器领域，国内市场一直被Tektronix、Agilent等外国厂商所垄断，高端产品几乎全部依赖进口。由于强势技术壁垒，目前数字荧光示波器技术被美国泰克公司所垄断，国内尚无相应产品或原型机问世。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种高性能、低价格的集波形采集、分析和处理于一体的高性能海量存储数字荧光示波器。
技术方案为了打破Tektronix公司的技术垄断，本发明提供了一个高性能并具有海量存储功能的数字荧光示波器。本发明是一种高性能、低价格的集波形采集、分析和处理于一体的国内第一台数字荧光示波器。在性能指标上，对于那些从事着高速、大数据量的复杂电子设计、验证的工程师来说，本发明是代替国外同类型仪器的最佳选择。
本发明的高性能海量存储数字荧光示波器包括模拟前端、可编程开关矩阵、模数转换器、可编程触发机、场可编程门阵列、波形存储器、个人计算机；第一模拟通道至第四模拟通道分别通过与之对应的模拟前端与可编程开关矩阵的输入端相接，可编程开关矩阵的输出端分别接模数转换器以及可编程触发机，模数转换器以及可编程触发机的输出端分别接场可编程门阵列，场可编程门阵列与波形存储器相接，场可编程门阵列和个人计算机相接。
场可编程门阵列中包含PCI总线桥、数字荧光波形图像处理器、内存管理器以及采样控制器；其中，模数转换器的输出端接场可编程门阵列中的数字荧光波形图像处理器，可编程触发机的输出端接采样控制器，数字荧光波形图像处理器通过内存管理器与波形存储器相接，数字荧光波形图像处理器通过PCI总线桥和个人计算机相接，采样控制器和数字荧光波形图像处理器以及内存管理器相接。
模拟前端包括输入耦合器、衰减器、阻抗匹配器、放大器以及控制器；待测模拟信号连接到输入耦合器的输入端，输入耦合器的输出端连接到衰减器的输入端，衰减器的输出端连接到阻抗匹配器的输入端，阻抗匹配器的输出端连接到放大器的输入端，放大器的输出端连接到系统的模数转换器的输入端，控制器的输入端连接到系统的场可编程门阵列，控制器的输出端连接到输入耦合器、衰减器和放大器。模拟前端为4个模块式的可以替换的模拟通道组件。波形存储器采用四条1GB的DDR-SDRAM内存模组构成4GB的存储深度。
本发明是一个基于个人计算机的电子测量仪器。按照硬件结构划分，本发明可分为模拟前端、模数转换器、可编程触发机、场可编程逻辑阵列、波形存储器、个人计算机、电源管理器等几个部件。
各部分的功能如下所述●模拟前端提供待测模拟信号的输入耦合和模拟调理，包括输入耦合器、衰减器、阻抗变换器以及两级模拟放大器组成。输入耦合器、衰减器和模拟放大器均为程序控制的。控制过程由场可编程门阵列通过IIC总线接口来完成。本发明的模拟通道是可以灵活配置的。用户可以根据自己的需要灵活的选择合适的通道数、模拟带宽、增益范围、输入阻抗等。具体做法是将示波器的模拟通道和主机分离为插卡式。本发明具有4个插槽，插卡采用标准接口设计，因此可在同一示波器内同时插入4个不同功能、不同性能的插卡。插卡采用即插即用(Plug and play)技术，只需插入通道插卡，软件会自动识别插卡的种类和性能并自动配置软件。
●提供4路模拟输入的交叉开关选择，以将4路模拟信号智能的分配给4路模数转换器以及1路可编程触发机。
●模数转换器将输入的模拟信号转换为数字信号。本发明设置了4路250MSa/s采样率的模数转换器，每个模数转换器可以独立使用，也可以通过交替采样的方式转化为2路500MSa/s采样率的通道或者1路1GSa/s采样率的通道。
●可编程触发机提供示波器的各种触发模式和触发功能。本部分主要由两个高速比较器和一个两路数模转换器组成。本部分所能提供的触发功能包括边沿触发、电视触发、脉宽触发、毛刺触发、超时触发、延迟触发、事件触发、欠幅触发、条件触发以及跳变触发。
●场可编程逻辑阵列(FPGA)为本发明的核心部分，实现本发明中最为关键的功能模块数字荧光波形图像处理器，其主要功能是实现对模拟示波器示波管的模拟。除此以外，场可编程逻辑阵列中还实现了内存管理器、PCI桥、采样控制器等功能。
●波形存储器存储本发明的海量的波形数据。本发明的波形存储器采用了容量达4GB的双速率同步动态随机存储器(DDR-SDRAM)成品。配合场可编程逻辑器件中的内存管理器，波形存储器可对输入信号进行不间断的速度达1GB/s的连续采集。
●个人计算机为通用的个人计算机体系，包括主板、中央处理器、内存、硬盘驱动器、光盘驱动器、显示适配器、键盘、鼠标等设备。个人计算机通过PCI局部总线和场可编程逻辑器件建立数据链路。
●液晶显示器提供最终波形和信息的显示。本发明采用了一块800×600点阵的真彩色液晶显示器。液晶显示器通过液晶显示器控制器连接到个人计算机的显示适配器上。液晶显示器上的触摸屏则通过触摸屏控制器直接连接在个人计算机上。
●电源管理器包括个人计算机的标准开关电源以及低压开关电源变换器。前者提供个人计算机系统所需要的+5V、-5V、+12V、-12V的电源供应，后者由前者的+12V信号转化为其它部件所需要的+1.2V、+1.8V、+2.5V、+3.3V等电压。
信号流程如下输入信号经过可替换的模拟前端插卡后被调理为适合模数转换器和可编程触发机的模拟信号。经过可编程开关矩阵的智能分配，送入模数转换器并转化为数字信号送入场可编程逻辑阵列。场可编程逻辑阵列内部包含了数字荧光波形图像处理器、内存管理器、PCI桥等部分。信号通过数字荧光波形图像处理器激发在其数字荧光体上，并同时送入内存管理器。内存管理器将数据整形后存入外部波形存储器。每10毫秒数字荧光波形图像处理器会在不中断采集和荧光激发的前提下将数字荧光体的快照送入PCI桥通过PCI总线传入个人计算机。由个人计算机的软件进行进一步的处理和显示。
本发明的PC端软件采用Windows XP作为操作系统，控制软件由美国国家仪器公司的Labview软件编制而成。
有益效果本发明的特点和技术指标如下●超乎想象的实时采样深度，高达4GB，●非实时波形记录长度可达100GB，●实时取样率高达1GSa/s，●波形捕获率高达800,000波形/秒，●300MHz模拟带宽，●独创的革命性的基于有限状态机和边沿比较的条件触发模式，●边沿，视频，脉宽，毛刺，状态，延迟，事件，欠幅、条件、跳变等10种触发模式，每种模式包含多种触发条件，●模拟通道模块式设计，可灵活配置1~4个不同带宽的模拟通道，●信号时间/幅度/概率的三维显示方式，●17种自动波形测量功能，
●16种波形运算功能，●包含峰值谱、有效值谱、功率谱等多种功能FFT频谱分析功能，●包含信噪比、THD、谐波分析等功能的失真分析功能，●包含平均、中值、概率、RMS、标准差、峰度等功能的统计分析功能，●可编程直方图分析功能，●SVGA液晶显示器，支持外接VGA显示器，●基于IntelPentiumTM4处理器和MicrosoftWindowsTMXP操作系统，●内置100Base-T以太网接口、USB2.0接口、串口、并口、PS/2键盘/鼠标接口、IEEE-1394接口、802.11b无线局域网接口、CAN接口和GPIB接口。
本发明是国内第一台数字荧光示波器。数字荧光技术使得本发明结合了模拟实时示波器和数字存储示波器的优点而摈弃了其缺点，使得本发明能够在各种复杂的测试测量如毛刺捕获、边沿错误识别、欠幅脉冲捕获中做到游刃有余。
本发明的各项性能指标不仅全面超越了国内同类产品，而且部分性能达到甚至超过了世界先进水平。本发明所实现的事实波形存储深度达到了4GB，为Tektronix TDS7054数字荧光示波器(基本配置)的2048倍，实施波形处理速率达到了800,000波形/秒，为Tektronix TDS7054数字荧光示波器的4倍。
近一、二十年来，在本发明所处的高端电子测试测量仪器领域，国内市场一直被Tektronix、Agilent等外国厂商所垄断。对于荧光示波器，其售价多在￥40000~￥500000。而本发明的成本不到￥10000。低成本和高性能使本发明成为替代国外同类型仪器如Agilent 54800系列或TDS3000、TDS5000、TDS7000系列的最好选择。
图1是本发明的总功能结构框图。
图2是本发明模拟前端的原理和信号流示意图。
图3是本发明可编程开关矩阵的原理和信号流示意图。
图4是本发明可编程触发机的原理和信号流示意图。
图5是本发明场可编程门阵列(FPGA)的原理和信号流示意图。
图6是本发明的PC端软件流程图。
以上的图中有模拟前端1.1～1.4，可编程开关矩阵2，模数转换器3.1～3.4，可编程触发机4，场可编程门阵列5，PCI总线桥5.1，数字荧光波形图像处理器5.2，内存管理器5.3，波形存储器6，个人计算机7；具体实施方式
本发明的高性能海量存储数字荧光示波器包括模拟前端1.1～1.4、可编程开关矩阵2、模数转换器3.1～3.4、可编程触发机4、场可编程门阵列5、波形存储器6、个人计算机7；第一模拟通道至第四模拟通道分别通过与之对应的模拟前端1.1～1.4与可编程开关矩阵2的输入端相接，可编程开关矩阵2的输出端分别接模数转换器3.1～3.4以及可编程触发机4，模数转换器3.1～3.4以及可编程触发机4的输出端分别接场可编程门阵列5，场可编程门阵列5与波形存储器相接，场可编程门阵列5和个人计算机7相接。
场可编程门阵列5中包含PCI总线桥5.1、数字荧光波形图像处理器5.2、内存管理器5.3以及采样控制器5.4；其中，模数转换器3.1～3.4的输出端接场可编程门阵列5中的数字荧光波形图像处理器5.2，可编程触发机4的输出端接采样控制器5.4，数字荧光波形图像处理器5.2通过内存管理器5.3与波形存储器6相接，数字荧光波形图像处理器5.2通过PCI总线桥5.1和个人计算机7相接，采样控制器5.4和数字荧光波形图像处理器5.2以及内存管理器5.3相接。
模拟前端1.1～1.4包括输入耦合器、衰减器、阻抗匹配器、放大器以及控制器；待测模拟信号连接到输入耦合器的输入端，输入耦合器的输出端连接到衰减器的输入端，衰减器的输出端连接到阻抗匹配器的输入端，阻抗匹配器的输出端连接到放大器的输入端，放大器的输出端连接到系统的模数转换器3.1～3.4的输入端，控制器的输入端连接到系统的场可编程门阵列5，控制器的输出端连接到输入耦合器、衰减器和放大器。模拟前端1.1～1.4为4个模块式的可以替换的模拟通道组件。波形存储器6采用四条1GB的DDR-SDRAM内存模组构成4GB的存储深度。
下面为本发明的一个实施例本发明的核心组件场可编程逻辑阵列(FPGA)采用Xilinx公司Virtex-4系列的XC4VLX25。Virtex-4系列FPGA是Xilinx公司的最新一代FPGA，具有极其优越的性能表现。LX系列强调高性能逻辑应用，这一点正合适本发明的可编程数字荧光体和数字扫描光栅的实现。内部的1296Kb双端口RAM块可被组织为本作品的可编程数字荧光体。同时，此FPGA中还包含多项先进I/O技术如多I/O标准支持、源同步技术、数控阻抗技术等，可以方便的连接本发明的多个物理层标准外围芯片，如PCI、LVDS、SSTL-2等。
本发明的存储器单元选用4个威刚(V-DATA)生产的1GB DDR-333个人计算机用内存模组。该模组具有成本低、速度快、容量大的优点。其166MHz的主频可以提供2.66GB/s的吞吐量，完全满足本发明的需求。
本发明的模数转换器采用MAXIM公司生产的MAX1121模数转换器。其主要特点是最高转换速率为250MSa/s，满足本发明的高速应用。其接口为LVDS，减化了PCB设计。
本发明的个人计算机部分可以采用通用的个人计算机，使用Pentium 4处理器和Windows XP操作系统。
本发明的模拟前端采用由MAX4104、MAX4304、MAX4305、OPA637组成的高速运算放大器组，对被测信号进行阻抗匹配和放大。程控增益、程控衰减可由高频继电器完成选择。
本发明的可编程开关矩阵采用模拟器件公司生产的AD8108视频交叉点开关。AD8108具有8×8的开关配置和315MHz的模拟带宽，对于本发明所实现的300MHz模拟带宽已完全足够。
本发明的电源管理器采用两个分离的电源组件，包括个人计算机的标准开关电源以及低压开关电源变换器。前者提供个人计算机系统所需要的+5V、-5V、+12V、-12V的电源供应，后者通过通用的DC-DC由前者的+12V信号转化为其它部件所需要的+1.2V、+1.8V、+2.5V、+3.3V等电压。
本发明的液晶显示器采用800×600分辨率的8.4寸真彩色液晶显示器。
权利要求
1.一种高性能海量存储数字荧光示波器，其特征在于该示波器包括模拟前端(1.1～1.4)、可编程开关矩阵(2)、模数转换器(3.1～3.4)、可编程触发机(4)、场可编程门阵列(5)、波形存储器(6)、个人计算机(7)；第一模拟通道至第四模拟通道分别通过与之对应的模拟前端(1.1～1.4)与可编程开关矩阵(2)的输入端相接，可编程开关矩阵(2)的输出端分别接模数转换器(3.1～3.4)以及可编程触发机(4)，模数转换器(3.1～3.4)以及可编程触发机(4)的输出端分别接场可编程门阵列(5)，场可编程门阵列(5)与波形存储器相接，场可编程门阵列(5)和个人计算机(7)相接。
2.根据权利要求1所述的高性能海量存储数字荧光示波器，其特征在于场可编程门阵列(5)中包含PCI总线桥(5.1)、数字荧光波形图像处理器(5.2)、内存管理器(5.3)以及采样控制器(5.4)；其中，模数转换器(3.1～3.4)的输出端接场可编程门阵列(5)中的数字荧光波形图像处理器(5.2)，可编程触发机(4)的输出端接采样控制器(5.4)，数字荧光波形图像处理器(5.2)通过内存管理器(5.3)与波形存储器(6)相接，数字荧光波形图像处理器(5.2)通过PCI总线桥(5.1)和个人计算机(7)相接，采样控制器(5.4)和数字荧光波形图像处理器(5.2)以及内存管理器(5.3)相接。
3.根据权利要求1所述的高性能海量存储数字荧光示波器，其特征在于模拟前端(1.1～1.4)包括输入耦合器、衰减器、阻抗匹配器、放大器以及控制器；待测模拟信号连接到输入耦合器的输入端，输入耦合器的输出端连接到衰减器的输入端，衰减器的输出端连接到阻抗匹配器的输入端，阻抗匹配器的输出端连接到放大器的输入端，放大器的输出端连接到系统的模数转换器(3.1～3.4)的输入端，控制器的输入端连接到系统的场可编程门阵列(5)，控制器的输出端连接到输入耦合器、衰减器和放大器。
4.根据权利要求1所述的高性能海量存储数字荧光示波器，其特征在于模拟前端(1.1～1.4)为4个模块式的可以替换的模拟通道组件。
5.根据权利要求1所述的高性能海量存储数字荧光示波器，其特征在于波形存储器(6)采用四条1GB的DDR-SDRAM内存模组构成4GB的存储深度。
全文摘要
一种高性能海量存储数字荧光示波器包括模拟前端(1.1～1.4)、可编程开关矩阵(2)、模数转换器(3.1～3.4)、可编程触发机(4)、场可编程门阵列(5)、波形存储器(6)、个人计算机(7)；第一模拟通道至第四模拟通道分别通过与之对应的模拟前端(1.1～1.4)与可编程开关矩阵(2)的输入端相接，可编程开关矩阵(2)的输出端分别接模数转换器(3.1～3.4)以及可编程触发机(4)，模数转换器(3.1～3.4)以及可编程触发机(4)的输出端分别接场可编程门阵列(5)，场可编程门阵列(5)与波形存储器相接，场可编程门阵列(5)和个人计算机(7)相接。该示波器性能高、价格低，集波形采集、分析和处理于一体。
文档编号G01R13/02GK1696711SQ20051004073
公开日2005年11月16日 申请日期2005年6月24日 优先权日2005年6月24日
发明者戴戈 申请人:东南大学