具有波形发生及示波功能的便携式一体的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有波形发生及示波功能的便携式一体机，包括外壳，外壳上设有键盘模块、显示屏模块、波形采集接口和波形输出接口，外壳内分别设有微处理器、示波器单元、波形发生器单元和用于分别给微处理器、示波器单元、波形发生器单元供电的电源模块，键盘模块、显示屏模块、示波器单元、波形发生器单元分别与微处理器相连，示波器单元的输入端与波形采集接口相连，波形发生器单元的输出端与波形输出接口相连。本实用新型具有体积小、价格低廉、使用方便、应用范围广泛的优点。
【专利说明】具有波形发生及示波功能的便携式一体机
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及波形显示以及发生相关设备领域，具体涉及一种具有波形发生及示波功能的便携式一体机。
【背景技术】
[0002]目前，公知的示波器和信号发生器是各为一体的。随着科学技术的发展，出现了各类电子示波器和示波测量仪器，但其基本组成都包括垂直(Y轴)放大电路、水平(X轴)放大电路和波形显示、电源供给四部分。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等。凡是能产生测试信号的仪器统称为信号源，也称信号发生器。根据输出波形的不同，信号发生器可分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。但是，市场上的示波器和信号发生器大多体积较大，不易携带，且价格昂贵，但是示波器和任意波形信号发生器却是电子领域工程与实验必不可少的仪器设备。
实用新型内容
[0003]针对现有技术的上述技术问题，提供一种体积小、价格低廉、使用方便、应用范围广泛的具有波形发生及示波功能的便携式一体机。
[0004]一种具有波形发生及示波功能的便携式一体机，包括外壳，所述外壳上设有键盘模块、显示屏模块、波形采集接口和波形输出接口，所述外壳内分别设有微处理器、示波器单元、波形发生器单元和用于分别给微处理器、示波器单元、波形发生器单元供电的电源模块，所述键盘模块、显示屏模块、示波器单元、波形发生器单元分别与微处理器相连，所述示波器单元的输入端与波形采集接口相连，所述波形发生器单元的输出端与波形输出接口相连。
[0005]优选地，所述示波器单元包括前级信号调理模块、程控放大模块、AD采集模块和采样时钟模块，所述前级信号调理模块的输入端与波形采集接口相连，所述前级信号调理模块的输出端依次通过程控放大模块、AD采集模块和微处理器相连，且所述AD采集模块的时钟信号输入端与采样时钟模块相连，所述采样时钟模块的控制端与微处理器相连。
[0006]优选地，所述波形发生器单元包括直接数字频率合成器和继电选择开关，所述直接数字频率合成器的控制端与微处理器相连，所述直接数字频率合成器的输出端通过第一射随器与继电选择开关的第一个选通输入端相连，所述直接数字频率合成器的输出端依次通过低通滤波器、第一放大器、数字衰减器、第二射随器与继电选择开关的第二个选通输入端相连，所述直接数字频率合成器的输出端依次通过积分选择器、第二放大器与继电选择开关的第三个选通输入端相连，所述数字衰减器、积分选择器的控制端分别与微处理器相连，所述继电选择开关依次通过真有效值转换电路和A/D转换电路与微处理器相连，所述继电选择开关的控制端与微处理器相连。
[0007]优选地，所述微处理器为FPGA芯片。
[0008]本实用新型具有波形发生及示波功能的便携式一体机具有下述优点:本实用新型的便携式一体机外壳上设有键盘模块、显示屏模块、波形采集接口和波形输出接口，外壳内分别设有微处理器、示波器单元、波形发生器单元和用于分别给微处理器、示波器单元、波形发生器单元供电的电源模块，键盘模块、显示屏模块、示波器单元、波形发生器单元分别与微处理器相连，示波器单元的输入端与波形采集接口相连，波形发生器单元的输出端与波形输出接口相连，基于上述结构，既可以基于示波器单元实现示波器的功能，又可以基于波形发生器单元实现波形发生器的功能，集波形发生及示波功能于一体，能够广泛应用于产生电测试信号并观察其波形曲线、测量各种不同电信号等，波形发生和波形显示，具有体积小、价格低廉、使用方便、应用范围广泛的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本实用新型实施例的立体结构示意图。
[0010]图2为本实用新型实施例的电路原理框架结构示意图。
[0011]图3为本实用新型实施例中程控放大模块的电路原理示意图。
[0012]图4为本实用新型实施例中AD采集模块的电路原理示意图。
[0013]图5为本实用新型实施例中采样时钟模块的电路原理示意图。
[0014]图6为本实用新型实施例中直接数字频率合成器的接口电路原理示意图。
[0015]图7为本实用新型实施例中低通滤波器和第一放大器的电路原理示意图。
[0016]图8为本实用新型实施例中继电选择开关的电路原理示意图。
[0017]图9为本实用新型实施例中有效值转换电路何A/D转换电路的电路原理示意图。
[0018]图例说明:1、外壳；11、键盘模块；12、显示屏模块；13、波形采集接口 ；14、波形输出接口 ；2、微处理器；3、示波器单元；31、前级信号调理模块；32、程控放大模块；33、AD采集模块；34、采样时钟模块；4、波形发生器单元；41、直接数字频率合成器；42、继电选择开关；43、第一射随器；44、低通滤波器；441、第一放大器；442、数字衰减器；443、第二射随器；45、积分选择器；451、第二放大器；46、真有效值转换电路；47、A/D转换电路。
【具体实施方式】
[0019]如图1和图2所示，本实施例具有波形发生及示波功能的便携式一体机包括外壳1，外壳I上设有键盘模块11、显示屏模块12、波形采集接口 13和波形输出接口 14，外壳I内分别设有微处理器2、示波器单元3、波形发生器单元4和用于分别给微处理器2、示波器单元3、波形发生器单元4供电的电源模块，键盘模块11、显示屏模块12、示波器单元3、波形发生器单元4分别与微处理器2相连，示波器单元3的输入端与波形采集接口 13相连，波形发生器单元4的输出端与波形输出接口 14相连。本实施例既可以基于示波器单元3实现示波器的功能，又可以基于波形发生器单元4实现波形发生器的功能，集波形发生及示波功能于一体，能够广泛应用于产生电测试信号并观察其波形曲线、测量各种不同电信号等，波形发生和波形显示，具有体积小、价格低廉、使用方便、应用范围广泛的优点。
[0020]本实施例中，外壳I采用绝缘材料制成,外壳I的尺寸型号为200mm*100mm*100mm ；此外，键盘模块11具体采用PS2键盘，显示屏模块12具体采用EVTVF43彩屏，键盘模块11和显示屏模块12是本实施例的人机交互接口，在波形发生及示波功能中都起到人机交互的作用，在发生波形时，键盘模块11和显示屏模块12结合可用于波形发生器单元4的信号源频率、波形、幅度、偏置的设定，在波形显示时，显示屏模块12用于示波器单元3的波形、幅度、频率显示。需要说明的是，本实施例具有波形发生及示波功能的便携式一体机的实现并不依赖于信号源的频率、波形、幅度、偏置的设定，本实施例也完全可以将信号源的频率、波形、幅度、偏置的设定根据其具体的应用领域的参数配置预先设置在电路中。
[0021]本实施例中，微处理器2为FPGA芯片，具体基于一块Cyclone IV的核心板来实现。需要说明的是，FPGA芯片仅仅是微处理器2的一种具体实现方式，此外也可以根据需要采用其它微处理器实现，例如单片机、ARM芯片、DSP芯片等，在此不再赘述。
[0022]本实施例中，示波器单元3包括前级信号调理模块31、程控放大模块32、AD采集模块33和采样时钟模块34，前级信号调理模块31的输入端与波形采集接口 13相连，前级信号调理模块31的输出端依次通过程控放大模块32、AD采集模块33和微处理器2相连，且AD采集模块33的时钟信号输入端与采样时钟模块34相连，采样时钟模块34的控制端与微处理器2相连。前级信号调理模块31将来自波形采集接口 13的信号进行信号调理后输入至程控放大模块32，通过程控放大模块32对输入信号做可控放大，使其达到最适合AD采集模块33采集的信号的电平范围要求；同时，在采样时钟模块34为AD采集模块33提供采样时钟，使得AD采集模块33在该采样时钟控制下，对程控放大模块32输出的以经过前级信号调理和放大后的信号做采样输出给微处理器2，通过微处理器2从显示屏模块12输出。
[0023]如图3所示，本实施例的程控放大模块32主要有两片程控放大芯片AD603级联组成，前级信号调理模块31调理后输出的信号经过两片程控放大芯片AD603，可以将输入信号放大、缩小、不变三种方式，使输入信号达到AD采集的最佳采样幅度。程控放大模块32的增益控制由DA2信号通过程控放大芯片AD603的GPOS引脚来控制，输入信号与程控放大芯片AD603的VINP引脚连接，经第一级程控放大芯片AD603运算放大后通过VOUT脚输出到第二级程控放大芯片AD603的VINP引脚，程控放大芯片AD603的VOUT输出被程控放大模块32程控放大后的信号。由于来自波形采集接口 13的输入信号经过前级信号调理模块31调理后，其电压仍可能不在AD采集模块33的最佳采集幅度内，本实施例通过程控放大模块32对输入信号进行放大，从而确保输入AD采集模块33的电压信号都位于AD采集模块33的最佳采集幅度内。
[0024]如图4所示，本实施例的AD采集模块33基于ADS802AD芯片和AD8138芯片实现，ADS802AD芯片通过BI?B12数据引脚、MSBI控制引脚、OE控制引脚和微处理器2相连，ADS802AD芯片的采样时钟输入引脚CLK则与采样时钟模块34的时钟输出引脚相连，通过采样时钟模块34为AD采集提供采样时钟，ADS802AD芯片的两个IN_、IN+两个采样输出引脚通过IN-、IN+两个引脚转换为差分信号后输出给差分驱动芯片AD8138，再通过差分驱动芯片AD8138调理后通过0UT4输出引脚输出给微处理器2。
[0025]如图5所示，本实施例的采样时钟模块34主要基于AD9850时钟芯片、0PA2690运算放大器芯片和TLV3501比较器实现。AD9850时钟芯片通过D0-D7、WCLK、FQUD引脚作为控制引脚与微处理器2连接，微处理器2控制AD9850时钟芯片产生输入信号的采样时钟，时钟信号经AD9850时钟芯片的1UT引脚输出，通过简单LC滤波后输入到0PA2690运算放大器芯片的+INA引脚，经0PA2690运算放大器芯片将时钟信号放大后输入到TLV3501比较器的-1N引脚，通过TLV3501比较器产生方波并经OUT脚输出AD_CLK时钟给AD采集模块33，从而给AD采集模块33的AD采集提供采样时钟。
[0026]如图2所示，本实施例的波形发生器单元4包括直接数字频率合成器41和继电选择开关42，直接数字频率合成器41的控制端与微处理器2相连，直接数字频率合成器41的输出端通过第一射随器43与继电选择开关42的第一个选通输入端相连，直接数字频率合成器41的输出端依次通过低通滤波器(LPF)44、第一放大器441、数字衰减器442、第二射随器443与继电选择开关42的第二个选通输入端相连，直接数字频率合成器41的输出端依次通过积分选择器45、第二放大器451与继电选择开关42的第三个选通输入端相连，数字衰减器442、积分选择器45的控制端分别与微处理器2相连，继电选择开关42的输出端依次通过真有效值转换电路46和A/D转换电路47与微处理器2相连，继电选择开关42的控制端与微处理器2相连。直接数字频率合成器41可以产生频率和相位可调的信号，也可以产生正弦波和方波。直接数字频率合成器41的输出端通过第一射随器43与继电选择开关42的第一个选通输入端相连,通过第一射随器43加大输出的电流以及加大信号的驱动能力，从而构成波形发生器单元4的正弦波发生电路。直接数字频率合成器41的输出端依次通过低通滤波器44、第一放大器441、数字衰减器442、第二射随器443与继电选择开关42的第二个选通输入端相连，低通滤波器44对得到的正弦波进行滤波得到质量更好的正弦波，然后通过第一放大器441进行放大，通过数字衰减器442进行功率电平调整，最后通过第二射随器443加大输出的电流以及加大信号的驱动能力，从而构成波形发生器单元4的方波发生电路。直接数字频率合成器41的输出端依次通过积分选择器45、第二放大器451与继电选择开关42的第三个选通输入端相连，积分选择器45将方波通过积分变为锯齿波，然后通过第二放大器451放大，从而构成波形发生器单元4的锯齿波发生电路。继电选择开关42的控制端与微处理器2相连，从而继电选择开关42受控在正弦波发生电路、方波发生电路、锯齿波发生电路三者中选通一路作为最终输出。
[0027]如图6所示，本实施例的直接数字频率合成器41基于AD9954直接数字频率合成芯片实现，AD9954直接数字频率合成芯片是一种成熟的直接数字频率合成(DDS)芯片，用于通过改变相位累加器的频率控制字来改变相位增量，相位增量不同将导致一个周期内取样点数不同，在取样频率不变的情况下，通过改变相位累加器频率控制字的方法将这种变化的相位/幅值量化为数字信号，然后通过D/A变换和低通滤波即可得到相位变化的合成模拟信号频率。参见图6，AD9954直接数字频率合成芯片通过UPDATA、PS1、PS0、SD10、SCLK、CS、SDO、RESET引脚与FPGA连接，通过FPGA指令控制，使AD9954直接数字频率合成芯片产生频率、相位、幅度可调的正弦波通过10UT、7^〒两个引脚作为输出端差分输出。
[0028]如图7所示，本实施例的低通滤波器44具体采用基于AD8130低通滤波芯片实现的十阶的巴特沃斯无源低通滤波器，对直接数字频率合成器41产生的信号滤波得到质量较好的信号；第一放大器441则基于高速运算放大器0PA695实现。AD9954直接数字频率合成芯片产生的差分信号输入到AD8130低通滤波芯片的+IN、-1N引脚，通过AD8130低通滤波芯片差分转单端经OUT引脚输出信号，信号经过AD8130低通滤波芯片实现的十阶的巴特沃斯无源低通滤波器后得到质量较好的波形信号，再输入到高速运算放大器0PA695的+IN引脚，通过高速运算放大器0PA695放大后从Output脚输出得到幅度合适、质量更好的信号。
[0029]如图8所示，本实施例中的继电选择开关42具体采用四双向模拟开关CD4066实现，四双向模拟开关CD4066的具有四个信号输入引脚SIG_A_IN、SIG_B_IN、SIG_B_IN、SIG_B_IN,四个信号输入引脚SIG_A_IN、SIG_B_IN、SIG_C_IN、SIG_D_IN分别对应四个控制信号引脚 C0NTR0L_A、C0NTR0L_B> C0NTR0L_C、C0NTR0L_D 和四个输出信号引脚 SIG_A_0UT、SIG_B_0UT、SIG_C_0UT、SIG_D_0UTo 本实施例中，输入引脚 SIG_A_IN、SIG_B_IN、SIG_B_IN 分别与第一射随器43、第二射随器443、第二放大器451相连，对应的三个控制引脚C0NTR0L_A、C0NTR0L_B、C0NTR0L_C则分别与微处理器2相连，三个输出引脚SIG_A_0UT、SIG_B_0UT、SIG_C_0UT相互连接并串接电阻Rl后作为共同的输出引脚输出Vf，同时共同的输出引脚Vf还依次通过真有效值转换电路46和A/D转换电路47与微处理器2相连。微处理器2根据需要选通直接数字频率合成器41和继电选择开关42之间的一个通路，例如选通SIG_A_IN、sig_b_in>sig_c_in三者之一使得共同的输出引脚输出正弦波、方波或者锯齿波，从而实现波形的发生功能。
[0030]如图9所示，本实施例中，真有效值转换电路46基于功率检测芯片AD8361实现，继电选择开关42的输出端输出信号Vf从功率检测芯片AD8361的RFIN引脚输入，在功率检测芯片AD8361内依次完成真有效值转换后得到有效值DCl并通过功率检测芯片AD8361的VRMS引脚输出至A/D转换电路47，再通过A/D转换电路47进行模数转换后输出至微处理器2。通过真有效值转换电路46和A/D转换电路47，完成采集继电选择开关42的输出信号的幅值并作为反馈输出给微处理器2，微处理器2则根据反馈的继电选择开关42的输出信号的幅值控制数字衰减器442。
[0031]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种具有波形发生及示波功能的便携式一体机，其特征在于:包括外壳(1)，所述外壳⑴上设有键盘模块(11)、显示屏模块(12)、波形采集接口(13)和波形输出接口(14)，所述外壳(I)内分别设有微处理器(2)、示波器单元(3)、波形发生器单元(4)和用于分别给微处理器(2)、示波器单元(3)、波形发生器单元(4)供电的电源模块，所述键盘模块(11)、显示屏模块(12)、示波器单元(3)、波形发生器单元(4)分别与微处理器(2)相连，所述示波器单元(3)的输入端与波形采集接口(13)相连，所述波形发生器单元(4)的输出端与波形输出接口(14)相连。
2.根据权利要求1所述的具有波形发生及示波功能的便携式一体机，其特征在于:所述示波器单元(3)包括前级信号调理模块(31)、程控放大模块(32)、AD采集模块(33)和采样时钟模块(34)，所述前级信号调理模块(31)的输入端与波形采集接口(13)相连，所述前级信号调理模块(31)的输出端依次通过程控放大模块(32)、AD采集模块(33)和微处理器(2)相连，且所述AD采集模块(33)的时钟信号输入端与采样时钟模块(34)相连，所述采样时钟模块(34)的控制端与微处理器(2)相连。
3.根据权利要求2所述的具有波形发生及示波功能的便携式一体机，其特征在于:所述波形发生器单元(4)包括直接数字频率合成器(41)和继电选择开关(42)，所述直接数字频率合成器(41)的控制端与微处理器(2)相连，所述直接数字频率合成器(41)的输出端通过第一射随器(43)与继电选择开关(42)的第一个选通输入端相连，所述直接数字频率合成器(41)的输出端依次通过低通滤波器(44)、第一放大器(441)、数字衰减器(442)、第二射随器(443)与继电选择开关(42)的第二个选通输入端相连，所述直接数字频率合成器(41)的输出端依次通过积分选择器(45)、第二放大器(451)与继电选择开关(42)的第三个选通输入端相连，所述数字衰减器(442)、积分选择器(45)的控制端分别与微处理器(2)相连，所述继电选择开关(42)的输出端依次通过真有效值转换电路(46)和A/D转换电路(47)与微处理器(2)相连，所述继电选择开关(42)的控制端与微处理器(2)相连。
4.根据权利要求1或2或3所述的具有波形发生及示波功能的便携式一体机，其特征在于:所述微处理器(2)为FPGA芯片。
【文档编号】G01R1/28GK203965499SQ201420322641
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】谢海情, 陈建成, 单勇, 舒依依, 盖婷 申请人:长沙理工大学