一种多功能教学示波器的制作方法

本发明涉及电子仪器技术领域，尤其是一种用于实验教学或工程测量的多功能教学示波器。

背景技术：

在电子信息类专业的实验中，越来越离不开示波器、频谱仪等电子仪器，但实验室使用的电子仪器通常具有价格昂贵、功能重叠、仪器笨重、不便于携带的缺点。昂贵的进口仪器给高校带来很大的开支，另一方面一旦学生们实验时需要使用多种仪器，会占用实验桌较大的面积，导致实验桌杂乱而拥挤。因此设计一款适合大学生电子实验使用的综合频谱仪，让同学们在实验中测量信号更加方便快捷和准确。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种多功能教学示波器，采用模拟与数字结合的架构，前级模拟架构进行量程转换与变频，而中频处理部分采用数字架构，中频信号由a/d量化，fpga实现fft与信号处理，使用arm与fpga进行数据通信，并控制本地触摸屏的显示与用户输入，具有频谱测量、波形显示、信号发生和逻辑分析的功能，携带方便、功能简化、测量准确、适合大学生电子实验使用的综合信号分析仪，让电子类专业学生在实验中测量信号更加方便快捷。

本发明的目的是这样实现的：一种多功能教学示波器，其特点是该教学示波器由自动增益控制模块与信号放大模块、频率切换模块、fpga信号分析模块和arm单片机模块依次串接而成，所述fpga信号分析模块与自动增益控制模块连接；所述自动增益控制模块、信号放大模块、频率切换模块、fpga信号分析模块和arm单片机模块由与其连接的电源模块供电。

所述自动增益控制模块由阻抗选择/隔直电路、直流检测电路、第一继电器切换电路、十倍增益电路、一倍增益电路、0.1倍衰减电路和第二继电器切换电路构成，所述阻抗选择/隔直电路分别与直流检测电路和第一继电器切换电路连接；所述第一继电器切换电路与第二继电器切换电路之间并接十倍增益放大电路、一倍增益放大电路和0.1倍衰减电路。

所述信号放大模块由可调增益放大电路分别连接的测量电路、第一比较电路、dac接口电路、跟随电路和第二比较电路组成，所述dac接口电路与第一比较电路互连；所述第一比较电路、跟随电路和第二比较电路并接输出电路；所述可调增益放大电路与自动增益控制模块中的第二继电器切换电路连接。

所述频率切换模块由依次串接的第三继电器切换电路与混频电路、低通滤波电路和第四切换电路组成，所述第四继电器切换电路与第三继电器切换电路互连；所述第三继电器切换电路与信号放大模块中的输出接口电路连接。

所述fpga信号分析模块由依次串接的时钟模块、adc模块、采样改变模块、波形测量模块、数据缓存模块、封装/解封模块、波形触发模块和波形缓存模块组成，所述波形测量模块串接档位切换模块后与数据缓存模块连接；所述波形触发模块与波形测量模块互连；所述采样改变模块与封装/解封模块互连；所述adc模块与频率切换模块中的第四继电器切换电路，以及自动增益控制模块中的第一继电器切换电路和第二继电器切换电路连接。

所述arm单片机模块由arm核心电路分别连接的spi通信接口模块、低频adc模块、高速dac模块、高速dds模块和触摸屏组成；所述spi通信接口模块与fpga信号分析模块中的封装/解封模块连接；所述低频adc模块与信号放大模块中的dac接口电路连接；所述高速dac模块与频率切换模块中的第三继电器切换电路连接；所述高速dds模块与频率切换模块中的混频电路连接。

所述阻抗/隔直电路为信号输入端。

所述低频adc模块为信号输出端。

本发明与现有技术相比具有结构简单、携带方便、功能综合和测量准确的优点，适合大学生电子实验使用的综合信号分析仪，让电子类专业学生在实验中测量信号更加方便快捷。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为自动增益控制模块结构示意图；

图3为信号放大模块结构示意图；

图4为频率切换模块结构示意图；

图5为fpga信号分析模块结构示意图；

图6为arm单片机模块结构示意图；

图7为各功能模块连接示意图。

具体实施方式

参阅附图1，本发明由自动增益控制模块1与信号放大模块2、频率切换模块3、fpga信号分析模块4和arm单片机模块5依次串接而成，所述fpga信号分析模块4与自动增益控制模块1连接；所述自动增益控制模块1、信号放大模块2、频率切换模块3、fpga信号分析模块4和arm单片机模块5由与其连接的电源模块6供电。

参阅附图2，所述自动增益控制模块1由阻抗选择/隔直电路11、直流检测电路12、第一继电器切换电路13、十倍增益电路14、一倍增益电路15、0.1倍衰减电路16和第二继电器切换电路17构成，所述阻抗选择/隔直电路11分别与直流检测电路12和第一继电器切换电路13连接；所述十倍增益放大电路14、一倍增益放大电路15和0.1倍衰减电路16并接在第一继电器切换电路13与第二继电器切换电路17之间。

参阅附图3，所述信号放大模块2由可调增益放大电路21分别连接的测量电路22、第一比较电路23、dac接口电路24、跟随电路25和第二比较电路26组成，所述dac接口电路24与第一比较电路23互连；所述第一比较电路23、跟随电路25和第二比较电路26并接输出接口电路27。

参阅附图4，所述频率切换模块3由依次串接的第三继电器切换电路31与混频电路32、低通滤波电路33和第四继电器切换电路34组成，所述第四继电器切换电路34与第三继电器切换电路31互连。

参阅附图5，所述fpga信号分析模块4由依次串接的时钟模块41、高速adc模块42、采样改变模块43、波形测量模块44、数据缓存模块45、封装/解封模块46、波形触发模块47和波形缓存模块48组成，所述波形测量模块44串接档位切换模块49后与数据缓存模块45连接；所述波形触发模块47与波形测量模块44互连；所述采样改变模块43与封装/解封模块46互连。

参阅附图6，所述arm单片机模块5由arm核心电路51分别连接的spi通信接口模块52、低频adc模块53、高速dac模块54、高速dds模块55和触摸屏56组成。

参阅附图7，所述自动增益控制模块1中的阻抗选择/隔直电路11为信号输入端；所述第一继电器切换电路13和第二继电器切换电路17的输出作为fpga信号分析模块4的输入与高速adc模块42连接；所述第二继电器切换电路17的输出作为信号放大模块2的输入与可调增益放大电路21连接；所述信号放大模块2由输出接口电路27将输出信号作为频率切换模块3的输入与第三继电器切换电路31连接；所述频率切换模块3由第四继电器切换电路34将输出信号作为fpga信号分析模块4的输入与高速adc模块42连接；所述fpga信号分析模块4中的封装/解封模块46与arm单片机模块5中的spi通信接口模块52连接；所述arm单片机模块5中的低频adc模块53与频率切换模块3中的第三继电器切换电路31连接；所述低频adc模块53为本发明的信号输出端。

本发明是这样工作的：所述自动增益控制模块1主要用于对输入信号进行幅度的自适应调整，使输入信号的幅度限制在1vpp以内，用于满足高速adc模块42的输入幅度范围；所述第一继电器切换电路13设有三个继电器分别控制着十倍增益电路14、一倍增益电路15和0.1倍衰减电路16三个通道的通断，输入信号需从三个通道中选择其中一路：即通道一将信号衰减10倍，通道二将信号放大10倍，通道三不做处理。继电器通过单片机控制通断来选择信号传输的通道，从而实现幅度自适应。首先由fpga信号分析模块4中的高速adc模块42对信号幅度进行采样，若采样结果大于1vpp，则将衰减10倍的一路继电器电平置高，其余置低，此路为通路，其余两路为断路，则信号被衰减10倍；若采样结果小于100mvpp，则将放大10倍的一路继电器电平置高，信号被放大10倍；当输入幅度在100mvpp与1vpp之间时将继电器切换为直通的一路，自动增益控制模块1扩展了输入信号的动态范围，可支持5mvpp~9.5vpp信号输入范围，并允许信号带直流输入。

所述信号放大模块2主要用于信号整形、增益调整和交直流隔离，信号整形通过第一比较电路23实现；可调增益放大电路21实现增益调整，对放大倍数进行微调；测量电路22实现交直流隔离，交直流隔离后对信号分别进行直流电压与交流信号的测量，直流电压通过arm单片机模块5测量，交流信号则通过fpga信号分析模块4测量。

所述频率切档模块3主要用于对测量频率的选择，高速dds模块55、混频电路32、第三继电器切换电路31、低通滤波电路33和第四继电器切换电路34通过触摸屏56按键或网页端选择键实现继电器的切换，进而实现档位选择。首先手动选择档位，0~20mhz为第一档，20~40mhz是第二档，40~60mhz是第三档，60~80mhz是第四档，80~100mhz是第五档。在第一档情况下，信号直接送到高速adc模块42进行采样，之后由fpga核心电路进一步处理；如果信号大于20mhz，例如在第三档下，由fpga信号分析模块4控制高速adc模块42产生40mhz的正弦波与混频电路32信号混频后，相当于将信号下变频到0~20mhz频率范围，然后经低通滤波电路33整形之后送到后级，高速adc模块42与fpga信号分析模块4的工作方式和第一档相同。频率切换模块3通过高速dds模块55、混频电路32和低通滤波电路33将输入信号的频率范围由0~20mhz扩展为0~100mhz。

所述的fpga信号分析模块4主要用于对高速信号进行信号采样、频率幅度相位等时域测量、频域测量和波形数据存储。fpga信号分析模块4的高速adc模块42与自动增益控制模块1和频率切换模块3相连，对输入信号或混频后的信号进行采样，实现示波器、频谱分析、频率特性测量等功能的信号采集；fpga信号分析模块4上的波形缓存模块48对信号数据进行存储，实现示波器的波形数据存储部分功能；fpga信号分析模块4与高速dac模块54相连，实现信号发生器功能；fpga信号分析模块4与arm单片机模块5相连，实现fpga与arm的数据传输和并行通信。

所述的arm单片机模块5主要用于对触摸屏56、自动增益控制模块1和频率切换模块3的控制，以及与fpga的并行通信和数据传输。arm单片机模块5对自动增益控制模块1中三个通道的继电器进行切换控制，并对自动增益控制模块1的直流信号与低频信号进行测量；arm单片机模块5与fpga信号分析模块4相连，实现与其进行的通信，获取fpga信号分析模块4存储的波形信号、频谱信号、信号的频率幅度相位等数据，并在触摸屏56上进行显示；arm单片机模块5中的高速dds模块55实现频率切换模块3所需的混频信号；触摸屏56主要用于用户的交互操作，用户通过触摸屏56可选择测量频率的档位，以及频谱测量、波形显示、信号发生和逻辑分析的功能，并调整不同功能的工作参数，用户在触摸屏56上输入信息并显示不同的仪器界面，实现多种功能之间进行切换；高速dds模块55产生特定频率的正弦波，用于频率切换模块3的下变频。

以下通过示波器、频谱、逻辑分析和信号发生功能的具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

参阅图7，本发明在示波器功能下，用户通过触摸屏56的示波器功能界面下选择显示的水平垂直灵敏度、输入阻抗、触发模式和耦合模式等。点击确认后，测量波形显示在屏幕左侧，添加测量如频率、周期、幅度、峰峰值和直流等显示在屏幕右侧。示波器可同时测量两路信号，信号由自动增益控制模块1的sma1或sma2接口输入阻抗选择/隔直电路11，并由直流检测电路12进行直流信号的测量，且由触摸屏56显示测量结果。输入信号经阻抗匹配并滤除直流后通过第一继电器切换电路13、十倍增益电路14、一倍增益电路15、0.1倍衰减电路16和第二继电器切换电路17对信号进行幅度的自适应调节，使输入信号的幅度限制在1vpp以内后接入信号放大模块2，经可调增益放大电路21进一步精准放大至需要的信号幅度后分为四路信号输出，一路输出信号由测量电路22进行有效值检测并由触摸屏56显示测量结果；又一路输出信号由第一比较电路23进行信号整形，并在dac接口电路24的控制下实现触发控制；另两路输出信号分别接入跟随电路25和第二比较电路26，实现阻抗隔离和信号整形后的信号由输出接口电路27接入频率切档模块3，用于arm单片机模块5对信号频率的测量。由于用户提前在触摸屏56选择了测量档位，单片机控制高速dds模块55产生特定频率的正弦波与信号在混频电路32中进行混频，将信号下变频到0~20mhz范围，然后经低通滤波电路33滤波后由第四继电器切换电路34输入fpga信号分析模块4的高速adc模块42。

fpga信号分析模块4将自动增益控制模块1和频率切换模块3输入的信号由时钟模块41产生一个基准时钟来驱动高速adc模块42，获得采样时钟和采样数据的信号经采样改变模块43的变换后分别输入波形测量模块44和波形触发模块47，波形测量模块44对变换后的采样率进行测量并统计波形数据的最大值、中值、最小值、幅度和频率等数据，波形触发模块47从触发点开始存储波形数据，并把已触发的波形输入arm单片机模块5，并由触摸屏56进行波形显示后由数据缓存模块45和波形缓存模块48进行缓存，缓存后的信号数据通过输出速率匹配输入封装/解封模块46进行数据打包处理，用于兼容底层的spi后将数据通过spi通信接口模块52接入arm核心电路51，输入arm单片机模块5的数据信号经arm核心电路51配置采样率系数、触发方式和触发电平等寄存，控制采样率改变和波形触发后由触摸屏56进行波形的显示和人机交互。

实施例2

参阅图7，本发明在频谱分析功能下，用户在触摸屏56的频谱分析功能界面下选择所显示频谱的频率点间隔。点击确认后，测量频谱显示在触摸屏56上，信号由自动增益控制模块1的sma口输入，其中自动增益控制模块1、信号放大模块2和频率切换模块3对信号的处理与示波器模式下基本一致，fpga信号分析模块4中的高速adc模块42的采样率固定为100msps后信号经采样率变换的波形数据进行1024点的fft运算，对fft的运算结果的实部和虚部平方求和后开根号，获得信号的频谱后将频谱数据送入数据缓存模块45进行缓存，通过spi通信接口模块52发送给arm单片机模块5并由触摸屏56进行显示。

实施例3

参阅图7，本发明在逻辑分析功能下，信号由信号放大模块2中的第一比较电路23的排针输入，可在频谱分析功能界面下选择水平灵敏度，点击确认后，若干通道的时序显示在触摸屏56上。在幅频特性测量功能下，待测网络的输入与高速dds模块55的扫频源输出相连，待测网络的输出与自动增益控制模块1的sma口输入相连，可在频率特性测量功能界面下选择扫频信号的频率步进与频率范围，点击确定后，待测网络的幅频响应图和相频响应图分别由触摸屏56进行显示。

实施例4

参阅图7，本发明在信号发生功能下，在触摸屏56的信号发生功能界面下选择所需输出波形的类型、幅度、直流偏置、频率，点击确认后，由arm核心电路51控制高速dac模块54产生不同波形的信号，如正弦波、方波或三角波，可由arm单片机模块5的输出sma口获得相应的波形。

以上只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。