CN201535795U - 具有垂直灵敏度调节功能的数字示波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有垂直灵敏度调节功能的数字示波器，包括与信号输入端依次串接的垂直灵敏度粗调模块3、A/D转换模块4、控制处理模块6，所述的垂直灵敏度粗调模块3为一受所述的控制处理模块6控制放大增益的增益控制放大器。本实用新型相对于现有技术的粗调模块电路结构简单、成本较低。

Description

具有垂直灵敏度调节功能的数字示波器

技术领域

本实用新型涉及一种数字示波器，特别是涉及一种具有垂直灵敏度调节功能的数字示波器。

背景技术

垂直灵敏度是示波器的一个重要参数。垂直灵敏度指示垂直放大器对弱信号的放大程度，通常用每刻度多少毫伏表示。数字示波器能检测出的最小伏特数的典型值约1mV每垂直显示屏刻度。

在示波器中一般在面板上有一个调节垂直灵敏度的旋钮，用于调节电压波形在示波器面板的显示窗中的幅度，用户可以从显示窗中读出信号波形的幅度和当前垂直灵敏度刻度。信号幅度等于垂直灵敏度当前刻度乘以显示窗中的格数，如图1所示。

为了可以让人们更加精确的调节垂直灵敏度，现在许多的示波器，调节垂直灵敏度的档位有粗调和细调之分。粗调档位的垂直灵敏度以1-2-5为步进，调节垂直灵敏度。比如，100mV/div、200mV/div、500mV/div、1mV/div、2mV/div、5mV/div等。而细调档位的步进则小得多，比如在100mV/div的档位上细调，则步进为1mV/div。

垂直灵敏度调节装置在示波器中的作用就是对输入的模拟信号进行不同放大倍数的放大，以满足不同的垂直灵敏度设置。垂直灵敏度步进越小，要求垂直灵敏度调节装置对信号放大的精度越高，垂直灵敏度范围越大，要求垂直灵敏度调节装置对信号放大的动态范围越大。

参考图1，当垂直灵敏度为1.00V，示波器的显示界面的垂直方向上，每大格的刻度对应幅度为1V，幅度为3V的正弦波所显示的是3大格。

参考图2，当垂直灵敏度为500mV，示波器的显示界面的垂直方向上，每大格对应的幅度为500mV，幅度为3V的正弦波所显示的是6大格。

现有技术中的示波器是采用利用开关切换放大器矩阵的模式来调节垂直灵敏度。如图3所示，垂直灵敏度粗调模块中开关切换模块S1、开关切换模块S2构成开关切换模块，放大器A1、A2、B1、B2和B3构成放大器矩阵模块。放大器A1的倍率为x2，A2的倍率为x5，B1的倍率为x10，B2的倍率为x100，B3的倍率为x1000。垂直灵敏度细调模块与控制处理模块同在一个DSP处理器中。

被测信号由信号的输入端输入到垂直灵敏度粗调模块，实现信号的垂直灵敏度粗调，信号经A/D转换模块采样后送入垂直灵敏度细调模块，在垂直灵敏度细调模块信号乘以一个小倍率值，然后，信号被送入到控制处理模块进行波形的处理、显示和存储。

控制处理模块通过输入模块接收用户的有关垂直灵敏度粗调档位信息，然后，通过控制开关切换模块S1、开关切换模块S2，控制选通放大器矩阵模块中的放大器A1、A2、B1、B2、B3，实现垂直灵敏度的粗调功能。例如，用户当前需要200mV/div的垂直灵敏度，控制处理模块控制开关切换模块S1选通放大倍数为2的放大器A1，控制开关切换模块S2选通放大倍数为100的放大器B2，并使放大器A1和放大器B2串联连接在垂直灵敏度粗调模块的输入和输出端之间，由此实现了粗调200mV/div的垂直灵敏度的设置。

在现有技术中，为了对垂直灵敏度粗调模块的增益进行校准，控制处理模块还会使一个D/A转换模块连接放大器B1、B2、B3，D/A转换模块用于对放大器B1、B2、B3的放大倍数进行微调。

信号经过垂直灵敏度粗调模块后，送到A/D转换模块采样，然后送入到垂直灵敏度细调模块。

控制处理模块通过输入模块接收用户的有关垂直灵敏度细调档位信息，计算出当前的细调倍率，控制处理模块将细调倍率发送给垂直灵敏度细调模块，垂直灵敏度细调模块在DSP处理器中，垂直灵敏度细调模块将A/D转换模块送入的数据乘以控制处理模块发送过来的倍率值，实现了垂直灵敏度的细调功能。比如，当前用户通过输入模块，输入202mv/div的细调信息到控制处理模块，控制处理模块计算出细调倍率为202/200＝1.01，控制处理模块将这个倍率值发送给垂直灵敏度细调模块，垂直灵敏度细调模块将A/D转换模块送来的信号数值乘以该倍率，如此实现了垂直灵敏度的细调功能。

经过垂直灵敏度细调模块后，信号被送入控制处理模块处理、显示、存储。

在垂直灵敏度粗调模块中，通过选通放大器矩阵模块中的放大器A1、A2、B1、B2、B3实现垂直灵敏度的粗调功能，其结构复杂、成本较高，因此，使现有技术中的示波器也同样具有结构复杂、成本较高的缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有技术存在的结构复杂、成本较高的问题，提供一种不同于现有技术的具有垂直灵敏度调节功能的数字示波器。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

本实用新型的具有垂直灵敏度调节功能的数字示波器，包括与信号输入端依次串接的垂直灵敏度粗调模块、A/D转换模块、控制处理模块，垂直灵敏度粗调模块为一由所述的控制处理模块控制放大增益的增益控制放大器。

所述的信号输入端与垂直灵敏度粗调模块之间可以依次连接有一输入衰减模块和一输入缓冲模块，所述的输入衰减模块用于改变信号的衰减系数。

所述的输入衰减切换模块可以为一由电阻(R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8)，电容(C1、C2、C3、C4)以及开关(K1)连接组成的第一阻容分压网络，且所述的阻容分压网络的输入电阻为1MΩ。

增益控制放大器的芯片可以选用AD8370或LMH6514或MAX9939。

本实用新型的优点在于：

本实用新型相对于现有技术的数字示波器结构简单、成本较低。

附图说明

图1为垂直灵敏度为1.00V的示波器的显示界面；

图2为垂直灵敏度为500mV的示波器显示界面；

图3为现有技术的示波器的工作原理说明图；

图4为本实用新型所述的示波器的工作原理说明图；

图5为可变增益放大器芯片AD8370的引脚接线说明图；

图6为图7所述的输入衰减切换模块的等效原理说明图；

图7为本实用新型选用的一种输入衰减切换模块的电路结构说明图；

图8为本实用新型选用的又一种输入衰减切换模块的电路结构说明图；

图9为本实用新型选用的又一种输入衰减切换模块的电路结构说明图；

图10为本实用新型选用的又一种输入衰减切换模块的电路结构说明图；

图11为本实用新型实施例1所选用的示波器的电路原理说明图；

图12为本实用新型实施例2所选用的示波器的电路原理说明图。

具体实施方式

实施例1

结合参考图4、图11，本实施例1所例举的具有垂直灵敏度调节功能的数字示波器，包括与信号输入端依次串接的垂直灵敏度粗调模块1、输入缓冲模块2、垂直灵敏度粗调模块3、A/D转换模块4、控制处理模块6。控制处理模块6连接有输入模块7、存储模块8、显示模块9。控制处理模块6分别通过SPI总线与垂直灵敏度粗调模块3、A/D转换模块4连接，控制处理模块6还通过控制线与垂直灵敏度粗调节模块1相连。

实施例2

参考图12，本实施例2所例举的具有垂直灵敏度调节功能的数字示波器，包括与信号输入端依次串接的垂直灵敏度粗调模块1、输入缓冲模块2、垂直灵敏度粗调模块3、A/D转换模块4′、垂直灵敏度细调模块5、控制处理模块6。控制处理模块6连接有输入模块7、存储模块8、显示模块9。控制处理模块6分别通过SPI总线与垂直灵敏度粗调模块3连接，控制处理模块6还通过控制线与垂直灵敏度粗调模块1相连。

在上述两个实施例中，结合参考图11、图12，垂直灵敏度粗调模块1为一个输入衰减切换模块，如图7所示，输入衰减切换模块通过控制继电器开关选择不同的衰减倍率，如果输入衰减切换模块中的双刀双置继电器切到上面的两个触点，由于这两个触点用导线短路，则信号1∶1的通过；如果切换下面的两个触点，则信号经过下面的电阻电容网络，从网络的中间抽头出来，进入输入缓冲电路，该电阻电容网络可以等效看成是两个阻抗元件Z2、Z3的分压结构，参考图6，如果Z2/Z3＝N/1，则信号幅度衰减为1/N，电阻Z1为输入in端口对地的阻抗，阻抗Z2、Z3进行分压，通过电阻Z4连接到out端口。

在上述两个实施例中，应保证阻容分压网络的输入电阻为1MΩ。图7至10出示了几种不同的输入衰减切换模块的电路结构说明图。

参考图7，在上述的两个实施例中，垂直灵敏度粗调模块1可以是由电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，电容C1、C2、C3、C4，以及开关K1连接组成的第一阻容分压网络；

参考图8，在上述的两个实施例中，垂直灵敏度粗调模块1也可以是由电阻R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15，电容C5、C6、C7、C8，以及开关K2连接组成的第二阻容分压网络；

参考图9，在上述的两个实施例中，垂直灵敏度粗调模块1也可以是由电阻R16、R17、R18、R19、R20、R21、R22，电容C9、C10、C11、C12，以及开关K3连接组成的第三阻容分压网络；

参考图10，在上述的两个实施例中，垂直灵敏度粗调模块1也可以是由电阻R23、R24、R25、R26、R27、R28、R29，电容C13、C14、C15、C16，以及开关K4连接组成的第四阻容分压网络。

在上述两个实施例中，结合参考图11、图12，输入缓冲模块2用来提供一个高的输入阻抗，以减小示波器对被测信号的影响，同时将被测信号进行缓冲，输出给后面的调理电路进行调理，缓冲模块2的电路需要具有高直流精度和高的带宽。

在上述两个实施例中，垂直灵敏度粗调模块3由一个集成电路可变增益放大器芯片构成，具体地讲，可变增益放大器芯片可以采用ADI公司的AD8370、National公司的LMH6514或Maxim公司的MAX9939可变增益放大器芯片来构成。当垂直灵敏度粗调模块3采用可变增益放大器芯片AD8370时，结合参考图5，其引脚INPUT用于输入单端信号，引脚VICOM用于输入共模信号，AD8370可以对两个输入端的差进行放大，控制增益的接口为SPI串行接口，通过接口SPI，控制单元可以改变可变增益放大器芯片AD8370的放大器增益，AD8370的输出端OUT N和输出端OUT P可以输出差分信号，引脚VGA_PWR为可变增益放大器芯片AD8370的使能端。

在上述两个实施例中，结合参考图11、图12，被测信号由信号的输入端输入到垂直灵敏度粗调模块1，选择不同的衰减系数，实现第一级的垂直灵敏度粗调。垂直灵敏度粗调模块1的输出连接到输入缓冲模块2，缓冲模块2的输出连接到垂直灵敏度粗调模块3，可以通过设置改变可变增益放大器芯片AD8370的放大器增益，实现对输入信号的进一步的灵敏度粗调。通过数字总线，控制处理模块6对垂直灵敏度粗调模块3中的增益控制放大器的放大增益进行控制，如通过SPI、SPORT等总线进行，如采用8位数字控制可变增益放大器芯片AD8370，则可以实现256级的放大倍数的变化。需要说明的是，可变增益放大器的放大倍数也可以是缩小。

垂直灵敏度粗调模块1和粗调模块3可用于档位粗调，能实现扩大档位范围，扩大输入信号的动态范围。比如，数字控制可变增益放大器的动态范围为-25dB～+34dB的放大倍数，相当于电压放大倍数的0.06～52倍，如果最小垂直档位为2mV/div，对应52倍的放大倍数，则0.06倍放大对应的垂直档位约为1.8V/div。如果加上垂直灵敏度粗调模块1，可以实现一定倍数的衰减，就可以实现更大的垂直档位，扩大输入的动态范围。例如，垂直灵敏度粗调模块1可以切换40∶1的衰减，那么切换到衰减时，加上垂直灵敏度粗调模块3，可以实现80mV/div～70V/div的衰减，这个范围是不考虑其它条件时的理想范围，比如放大器输入范围限制、安全的限制等。这样就实现了扩大垂直灵敏度范围，扩大输入信号动态范围的目的。

由于垂直灵敏度粗调模块1和粗调模块3是由数字量控制的，各个增益之间存在一定的步进。当用户设置一个垂直档位时，对应的增益可能和垂直灵敏度粗调模块1加粗调模块3能够实现的增益不相等，这两个增益的差，就需要用细调模块进行调节，使最终的粗调模块加细调模块实现的增益和需要的增益相等。如果是模拟电压控制的可编程增益放大器，也会存在最小分辨率的问题，此时不可能仅靠垂直灵敏度粗调模块来使得所有档位需要的增益都能实现，仍需要细调模块来进行调节。

其中，细调模块可选用垂直灵敏度细调模块4，也可以选用垂直灵敏度细调模块5，或者两者同时使用。

如果选用垂直灵敏度细调模块4，该细调模块4为包含在A/D转换模块内部的输入模拟增益调节电路，例如为ADC芯片内部模拟输入端的增益微调装置，设计时需要选择此类的ADC芯片。ADC芯片可选：Maxim公司MAX104，MAX106；National公司ADC08D1010。此增益微调装置设置在ADC输入级，数模转换的前面。一般通过数字总线进行设置ADC内部映射的一个寄存器实现，可以实现若干级的增益微调。例如，控制该寄存器需要8位的数字量，则可以实现256级的增益微调。

信号输入端输入的信号经过输入粗调模块1进行衰减，然后经过输入缓冲模块2，再经过粗调模块3的增益控制，送到A/D转换模块内部细调模4内的增益调节单元进行增益微调，再经过细调模块4内部的模数转换单元进行模数转换，送到控制处理模块6处理，进行显示、存储。

此时控制处理模块6接收用户的垂直灵敏度档位信息，计算出需要设置总增益，然后计算出需要设置什么衰减状态，最接近的粗调模块3的增益，以及细调模块4需要设置的微调增益大小。然后将衰减状态通过控制线控制粗调模块1的继电器，将粗调模块3的增益通过SPI总线发送给数字可变增益放大器，再将细调模4的增益值通过SPI总线发送给A/D转换模块内部的输入增益调节寄存器。实现了整个增益和用户设置的垂直灵敏度档位对应的增益基本相等，此时可能还会有误差，该误差为***增益的最小分辨率，由细调模块4决定。

如果选用垂直灵敏度细调模块5，则A/D转换模块芯片可以选用一般的ADC芯片，内部不包含输入端增益微调装置。垂直灵敏度细调模块5由可编程控制器件通过编程实现，该可编程控制器件一般为FPGA、DSP处理器等。细调模块5接受A/D转换模块输出的数字量，乘以一个设置的小倍率值，能对数字量进行放大或缩小，实现对输入信号幅度的一个增益微调。

信号经过输入粗调模块1进行衰减，然后经过输入缓冲模块2，再经过粗调模块3的增益控制，然后进行A/D转换送到可编程器件内部的细调模块5进行增益微调，再送到控制处理模块6处理，进行显示、存储。

此时控制处理模块6接受用户的垂直灵敏度档位信息，计算出需要设置总增益，然后计算出需要设置什么衰减状态，最接近的粗调模块3的增益，以及细调模块5需要设置的微调增益大小。然后将衰减状态通过控制线控制粗调模块1的继电器，将粗调模块3的增益通过SPI总线发送给数字可变增益放大器，再将细调模块5的增益值通过数据总线发送给可编程器件，细调模块5将A/D转换模块送来的数字量乘以该细调增益值。实现了整个增益和用户设置的垂直灵敏度档位对应的增益基本相等，有可能还会有误差，该误差为***增益的最小分辨率，由细调模块5决定。

如果将垂直灵敏度细调模块4、垂直灵敏度细调模块5级联，使得细调的精度更高，比如：细调1有M个值的倍数调整，细调2有N个值的倍数调整，则细调1和2级联可以有M×N个值的倍数调整。

举例说明，用户通过输入模块，设置垂直灵敏度档位为202mV/div，控制处理模块计算出总的增益需要4.5倍，需要设置衰减为1∶1，粗调模块最接近的增益为4.3，则细调模块需要设置增益为4.5/4.3＝1.032。控制器将衰减设置、粗调增益、细调增益分别送到粗调和细调模块中，实现需要的总增益，即实现用户设置的垂直灵敏度档位设置。

Claims (4)

1.一种具有垂直灵敏度调节功能的数字示波器，包括与信号输入端依次串接的垂直灵敏度粗调模块、A/D转换模块、控制处理模块，其特征在于：所述的垂直灵敏度粗调模块为一由所述的控制处理模块控制放大增益的增益控制放大器。

2.如权利要求1所述的具有垂直灵敏度调节功能的数字示波器，其特征在于：所述的信号输入端与垂直灵敏度粗调模块之间依次连接有一输入衰减模块和一输入缓冲模块，所述的输入衰减模块用于改变信号的衰减系数。

3.根据权利要求2所述的具有垂直灵敏度调节功能的数字示波器，其特征在于：所述的输入衰减切换模块为一由电阻(R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8)，电容(C1、C2、C3、C4)以及开关(K1)连接组成的第一阻容分压网络，且所述的阻容分压网络的输入电阻为1MΩ。

4.根据权利要求1所述的具有垂直灵敏度调节功能的数字示波器，其特征在于：所述的增益控制放大器的芯片为AD8370或LMH6514或MAX9939。

Images