專(zhuān)利名稱(chēng)：一種通道隔離的手持式數(shù)字示波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及手持式數(shù)字示波器技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)講，涉及一種通道隔離的手持?jǐn)?shù)
字示波器。
背景技術(shù)：
在許多設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試任務(wù)中，要求詳細(xì)測(cè)試系統(tǒng)的一些運(yùn)行參數(shù)，比如馬達(dá)驅(qū) 動(dòng)裝置、不間斷電源、功率半導(dǎo)體及其它電子設(shè)備都要求詳細(xì)檢定開(kāi)關(guān)損耗、功率波形、脈 沖波形、諧波成分等等。這類(lèi)電路一般承載高電壓和高電流，各個(gè)電子部件的"參考地"不 一致，可能存在一定的電壓差。此時(shí)用通道未隔離的普通數(shù)字示波器直接進(jìn)行測(cè)量，非常容 易造成短路，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤гO(shè)備。 現(xiàn)有技術(shù)的普通手持式數(shù)字示波器，如圖1所示，分為兩部分，即前端輸入單元1 和主控制板2。 在前端輸入單元1中，包括兩個(gè)通道的信號(hào)調(diào)理通道，即第一通道信號(hào)調(diào)理通道 1011和第二通道信號(hào)調(diào)理通道1012。信號(hào)調(diào)理通道1011、 1012主要完成阻抗變換，以及對(duì) 模擬信號(hào)的放大或者衰減等操作，將模擬信號(hào)調(diào)節(jié)至滿(mǎn)足ADC的輸入范圍。觸發(fā)模塊103 主要由比較器等元件組成，完成信號(hào)調(diào)理通道1011、1012調(diào)理后的模擬信號(hào)的比較整形， 形成相關(guān)的脈沖信號(hào)作為采集時(shí)的觸發(fā)信號(hào)。第一通道信號(hào)調(diào)理通道1011和第二通道信 號(hào)調(diào)理通道1012分別將調(diào)理后的模擬信號(hào)送到各自對(duì)應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器1021U022中進(jìn)行 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字信號(hào)輸出到主控制板2中。 在主控板2中，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列201，即FPGA在觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)下，對(duì)輸入的來(lái) 自?xún)蓚€(gè)通道的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集和緩沖，處理器單元202可通過(guò)FPGA 201讀取采集數(shù)據(jù)， 進(jìn)行相應(yīng)的處理，并送到LCD顯示單元203進(jìn)行顯示。在主控板2中，人機(jī)交互單元205主 要由鍵盤(pán)系統(tǒng)組成，與處理器單元202連接通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)手持式數(shù)字示波器的各種操作；外 部通訊接口 204主要包括USB接口和串口，能夠?qū)崿F(xiàn)將采集的波形數(shù)據(jù)導(dǎo)出或?qū)搿?
同時(shí)，主控板2輸出通道控制信號(hào)到前端輸入單元1中的通道控制電路104中，然 后，通過(guò)道控制電路104對(duì)第一通道信號(hào)調(diào)理通道1011和第二通道信號(hào)調(diào)理通道1012進(jìn) 行控制，完成輸入模擬信號(hào)的信號(hào)調(diào)理。 主控板2中，電源管理單元206用于實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊供電，以及電池充電管理等。
從圖2中，可以看出，現(xiàn)有技術(shù)的這類(lèi)普通手持式數(shù)字示波器其特點(diǎn)是各個(gè)部分 "共地"，即整個(gè)手持式數(shù)字示波器系統(tǒng)只有一個(gè)"參考地"GND，這一定程度上限制了此類(lèi)手 持式的應(yīng)用場(chǎng)合。比如一些被測(cè)系統(tǒng)存在兩個(gè)參考點(diǎn)GND_A、 GND_B，而這兩個(gè)參考點(diǎn)存在 電壓差，如果將這兩個(gè)參考點(diǎn)分別接到手持式數(shù)字示波器第一通道的"參考地"和第二通道 的"參考地"，就會(huì)導(dǎo)致GND_A與GND_B短路，導(dǎo)致危險(xiǎn)發(fā)生。 現(xiàn)有技術(shù)中，解決"參考地"不一致，存在電位差容易導(dǎo)致短路的問(wèn)題，通常的辦法 是采用一定的隔離傳感設(shè)備或者特質(zhì)的差分探頭進(jìn)行測(cè)試，這樣增加了測(cè)試的復(fù)雜性，在 使用上非常不方便 同時(shí)，也容易誤操作，而導(dǎo)致危險(xiǎn)的短路情況發(fā)生。
通道隔離的手持式數(shù)字示波器手持示波器兩個(gè)輸入通道的"地"相互獨(dú)立，即相互
之間的"地"是浮動(dòng)隔離的，相互之間的"地"在物理上是沒(méi)有短路連接。由于通道隔離的 手持式數(shù)字示波器的兩個(gè)輸入通道電氣上實(shí)現(xiàn)了隔離，在上述被測(cè)信號(hào)接口浮動(dòng)的測(cè)試環(huán) 境下進(jìn)行測(cè)量時(shí)，就不會(huì)出現(xiàn)短路情況的發(fā)生，方便了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，拓展了應(yīng)用場(chǎng)合，提高了 測(cè)試儀器使用的安全。 本發(fā)明的目的在于提供一種兩個(gè)輸入通道的"參考地"相互獨(dú)立，測(cè)試時(shí)不會(huì)出現(xiàn)
短路的通道隔離的手持式數(shù)字示波器。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的通道隔離的手持式數(shù)字示波器，其特征在于，包括第一 隔離通道、第二隔離通道以及主控制板三個(gè)部分； 主控制板上的USB接口通過(guò)第一隔離通道、第二隔離通道上各自的USB隔離接口 ， 分別對(duì)第一隔離通道、第二隔離通道的輸入模擬信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換及波形數(shù)據(jù)采集進(jìn)行 控制，并將采集的波形數(shù)據(jù)讀取回主控制板上進(jìn)行處理和顯示； 主控制板上的電源管理單元通過(guò)第一隔離通道、第二隔離通道上各自的隔離電 源，分別向第一隔離通道、第二隔離通道提供輸入模擬信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換及波形數(shù)據(jù)采集 所需的各種電壓源； 第一隔離通道、第二隔離通道之間有觸發(fā)同步信號(hào)隔離接口，用于將第一隔離通 道產(chǎn)生的觸發(fā)同步信號(hào)提供給第二隔離通道作為波形輸出采集所需的觸發(fā)信號(hào)，以及將第 二隔離通道產(chǎn)生的觸發(fā)同步信號(hào)提供給第一隔離通道作為波形輸出采集所需的觸發(fā)信號(hào)。
本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明在總結(jié)普通手持式數(shù)字示波器的結(jié)構(gòu)原理上，結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)字隔離技術(shù)， 提出了一種通道隔離的手持式數(shù)字示波器。首先，將現(xiàn)有普通手持式數(shù)字示波器輸入前端 分成兩個(gè)獨(dú)立的第一隔離通道、第二隔離通道，并將原來(lái)主控制板的波形采集功能前移，并 分別置于第一隔離通道、第二隔離通道中，這樣第一隔離通道、第二隔離通道均可獨(dú)立地對(duì) 輸入模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換及波形數(shù)據(jù)采集，從而為數(shù)字示波器輸入前端與主控制 板隔離奠定了基礎(chǔ)。 其次，主控制板上的USB接口通過(guò)第一隔離通道、第二隔離通道上各自的USB隔離 接口 ，分別對(duì)第一隔離通道、第二隔離通道的輸入模擬信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換及波形數(shù)據(jù)采集 進(jìn)行控制，并將采集的波形數(shù)據(jù)讀取回主控制板上進(jìn)行處理和顯示。這樣實(shí)現(xiàn)了數(shù)字示波 器的主控制板與輸入前端在隔離基礎(chǔ)上的控制與數(shù)據(jù)通訊，將隔離的主控制板與輸入前端 連接為一個(gè)有機(jī)的系統(tǒng)，而電氣上是相互隔離的。 其二，主控制板上的電源管理單元通過(guò)第一隔離通道、第二隔離通道上各自的隔 離電源，分別向第一隔離通道、第二隔離通道提供輸入模擬信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換及波形數(shù)據(jù) 采集所需的各種電壓源，這樣解決了第一隔離通道、第二隔離通道與主控制板電氣隔離情 況下的供電問(wèn)題。 最后，第一隔離通道、第二隔離通道之間有觸發(fā)同步信號(hào)隔離接口，用于將第一隔 離通道產(chǎn)生的觸發(fā)同步信號(hào)提供給第二隔離通道作為波形輸出采集所需的觸發(fā)信號(hào)，以及 將第二隔離通道產(chǎn)生的觸發(fā)同步信號(hào)提供給第一隔離通道作為波形輸出采集所需的觸發(fā)
發(fā)明內(nèi)容信號(hào)。這樣解決了第一隔離通道、第二隔離通道電氣隔離情況下的同步觸發(fā)問(wèn)題，用戶(hù)可以 根據(jù)實(shí)際測(cè)試情況，選擇第一隔離通道、第二隔離通道作為觸發(fā)通道。 本發(fā)明將手持式數(shù)字示波器分成兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換以及波形數(shù)據(jù)采集通 道，之間用觸發(fā)同步信號(hào)隔離接口來(lái)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)信號(hào)在隔離通道間的信號(hào)傳遞；主控制板通 過(guò)兩個(gè)隔離通道中的USB隔離接口實(shí)現(xiàn)控制與數(shù)據(jù)通訊，并通過(guò)隔離電源向兩個(gè)隔離通道 供電；從而實(shí)現(xiàn)了普通手持式數(shù)字示波器的測(cè)量功能，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)通道以及主板三 者之間在電氣上的隔離，這樣兩個(gè)輸入通道的"參考地"相互獨(dú)立，測(cè)試時(shí)不會(huì)出現(xiàn)短路。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的普通手持式數(shù)字示波器的原理框圖； 圖2是本發(fā)明通道隔離的手持式數(shù)字示波器的一種具體實(shí)施方式
原理框圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行描述，以便更好地理解本發(fā)明。需要 特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)采用已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā) 明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這兒將被忽略。
實(shí)施例 圖2是本發(fā)明通道隔離的手持式數(shù)字示波器的一種具體實(shí)施方式
原理框圖。
如圖2所示，在本實(shí)施例中，本發(fā)明通道隔離的手持式數(shù)字示波器包括第一隔離 通道3、第二隔離通道4以及主控制板5三個(gè)部分，第一隔離通道3、第二隔離通道4為本發(fā) 明通道隔離的手持式數(shù)字示波器的輸入前端。 在本實(shí)施中，第一隔離通道3包括信號(hào)調(diào)理通道301、 ADC 302、 FPGA 303、比較整 形單元304、通道控制電路305、USB隔離接口 306以及隔離電源307。 主控制板5通過(guò)第一隔離通道3上USB隔離接口 306向第一隔離通道3發(fā)出輸入 模擬信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換及波形數(shù)據(jù)的控制命令。在本實(shí)施例中，第一隔離通道3中FPGA 303接收到控制命令進(jìn)行解釋和轉(zhuǎn)換，更新FPGA 303中內(nèi)部采集系統(tǒng)的設(shè)置，并輸出控制 命令給通道控制電路305，通道控制電路305根據(jù)控制命令對(duì)信號(hào)調(diào)理通道301的信號(hào)調(diào) 理以及比較整形單元304的觸發(fā)同步信號(hào)的產(chǎn)生進(jìn)行控制。信號(hào)調(diào)理通道301的控制主要 是耦合方式的控制以及包括放大器增益控制在內(nèi)的與垂直檔位相關(guān)的控制。對(duì)比較整形單 元304的主要是觸發(fā)方式的選擇及設(shè)置，如選擇電壓觸發(fā)，觸發(fā)幅度0. 5V。對(duì)信號(hào)調(diào)理通道 301以及比較整形單元304的控制屬于現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。 對(duì)于第一隔離通道3，輸入模擬信號(hào)以"參考地GND1"為參考，送入到信號(hào)調(diào)理通 道301 。信號(hào)調(diào)理通道301將輸入模擬信號(hào)調(diào)理后， 一方面輸出給ADC302進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，另 一方面輸出給比較整形單元304，在通道控制電路305的控制下，進(jìn)行比較整形，輸出觸發(fā) 同步信號(hào)。ADC 302轉(zhuǎn)換后的波形數(shù)據(jù)由FPGA303在觸發(fā)同步信號(hào)的觸發(fā)下進(jìn)行采集，F(xiàn)PGA 303采集的波形數(shù)據(jù)通過(guò)USB隔離接口 306讀取回主控制板5上進(jìn)行處理和顯示。FPGA303 的觸發(fā)同步信號(hào)可以是自身的，也可以是通過(guò)觸發(fā)同步信號(hào)接口6來(lái)自第二隔離通道4的， 具體FPGA 303接收到的控制命令而定。 在本實(shí)施例中，第二隔離通道4也可以是通過(guò)觸發(fā)同步信號(hào)接口 6來(lái)自第一隔離通道3的觸發(fā)同步信號(hào)，其他的電路構(gòu)成和工作原理與第一隔離通道3完全相同，在此不再 贅述。 在本實(shí)施中，主控制板5包括處理器單元501、 LCD顯示單元502、人機(jī)交互單元 503、外部通訊接口 504、第一隔離通道USB接口 5051、第二隔離通道USB接口 5052以及電 源管理單元506。 主控制板5上的處理器單元501通過(guò)第一隔離通道USB接口 5051、第二隔離通道 USB接口 5052與第一隔離通道3、第二隔離通道4上各自的USB隔離接口 306、406進(jìn)行通 訊，通過(guò)各自的FPGA 303、403分別對(duì)第一隔離通道3、第二隔離通道4的輸入模擬信號(hào)調(diào) 理、模數(shù)轉(zhuǎn)換及波形數(shù)據(jù)采集進(jìn)行控制，并將采集的波形數(shù)據(jù)讀取回主控制板5上進(jìn)行處 理和顯示。 在本實(shí)施例中，主控制板5上的電源管理單元506通過(guò)第一隔離通道3、第二隔離 通道4上各自的隔離電源307、407，分別向第一隔離通道3、第二隔離通道4提供輸入模擬 信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換及波形數(shù)據(jù)采集所需的各種電壓源。 在本實(shí)施中，處理器單元501、LCD顯示單元502、人機(jī)交互單元503、外部通訊接口 504的工作原理與背景技術(shù)的描述一致，在此不再贅述。 在本發(fā)明中，USB隔離接口、隔離電源以及觸發(fā)同步信號(hào)隔離接口是本發(fā)明的關(guān) 鍵，它們實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明通道隔離的手持式數(shù)字示波器包括第一隔離通道3、第二隔離通道4 以及主控制板5三個(gè)部分的電氣上的隔離，即第一隔離通道3、第二隔離通道4以及主控制 板5的參考地GND1、參考地GND2以及、參考地GND3是浮動(dòng)不相通的，實(shí)現(xiàn)了輸入通道的"參 考地"相互獨(dú)立，測(cè)試時(shí)不會(huì)出現(xiàn)短路的功能；同時(shí)，由保證了波形采集的有效控制和數(shù)據(jù) 的有效讀回以及各部分工作需要的電壓源。 在本實(shí)施中，USB隔離接口采用美國(guó)模擬器件公司的型號(hào)為ADuM41XX的USB隔離 接口 ，兼容USB2. 0接口 ，全速率可達(dá)12Mbps。其主要原理基于磁隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)USB接口中 UD+、UD-與外部連接的通訊隔離。 隔離電源將電源模塊送來(lái)的直流電壓轉(zhuǎn)換為模擬通道所需的+5V、 -5V電壓，以及 采集系統(tǒng)FPGA等所需的+3.3V等電壓。電源隔離技術(shù)相對(duì)比較成熟，基于開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的 DC到DC模塊也相對(duì)較多。在本實(shí)施中，選擇美國(guó)特克薩斯儀器公司的DCH01系列隔離電源 產(chǎn)品，隔離耐壓可達(dá)3000V(直流)。隔離電源基本的原理就是將輸入的直流電壓進(jìn)調(diào)制，然 后通過(guò)變壓器將能力送到另一端，再經(jīng)過(guò)整流電路產(chǎn)生所需的電壓。 觸發(fā)同步信號(hào)隔離接口由高速數(shù)字隔離器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在數(shù)字隔離器件技術(shù)也非 常成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)的速率也非常高，最高可達(dá)150Mbps。在本實(shí)施中，選擇美國(guó)特克薩斯儀器 公司的IS072XX系列，隔離耐壓可達(dá)4000Vpp、抖動(dòng)小。 盡管上面對(duì)本發(fā)明說(shuō)明性的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人 員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式
的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)
人員來(lái)講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變 化是顯而易見(jiàn)的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
權(quán)利要求
一種通道隔離的手持式數(shù)字示波器，其特征在于，包括第一隔離通道、第二隔離通道以及主控制板三個(gè)部分；主控制板上的USB接口通過(guò)第一隔離通道、第二隔離通道上各自的USB隔離接口，分別對(duì)第一隔離通道、第二隔離通道的輸入模擬信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換及波形數(shù)據(jù)采集進(jìn)行控制，并將采集的波形數(shù)據(jù)讀取回主控制板上進(jìn)行處理和顯示；主控制板上的電源管理單元通過(guò)第一隔離通道、第二隔離通道上各自的隔離電源，分別向第一隔離通道、第二隔離通道提供輸入模擬信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換及波形數(shù)據(jù)采集所需的各種電壓源；第一隔離通道、第二隔離通道之間有觸發(fā)同步信號(hào)接口，用于將第一隔離通道產(chǎn)生的觸發(fā)同步信號(hào)提供給第二隔離通道作為波形輸出采集所需的觸發(fā)信號(hào)，以及將第二隔離通道產(chǎn)生的觸發(fā)同步信號(hào)提供給第一隔離通道作為波形輸出采集所需的觸發(fā)信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通道隔離的手持式數(shù)字示波器，其特征在于，所述的第一隔離通道包括信號(hào)調(diào)理通道、ADC、FPGA、比較整形單元、通道控制電路、USB隔離接口以及隔離電源；主控制板通過(guò)第一隔離通道上USB隔離接口向第一隔離通道發(fā)出輸入模擬信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換及波形數(shù)據(jù)的控制命令；FPGA接收到控制命令進(jìn)行解釋和轉(zhuǎn)換，更新FPGA中內(nèi)部采集系統(tǒng)的設(shè)置，并輸出控制命令給通道控制電路；通道控制電路根據(jù)控制命令對(duì)信號(hào)調(diào)理通道的信號(hào)調(diào)理以及比較整形單元的觸發(fā)同步信號(hào)的產(chǎn)生進(jìn)行控制；輸入模擬信號(hào)送入到信號(hào)調(diào)理通道，信號(hào)調(diào)理通道將輸入模擬信號(hào)調(diào)理后， 一方面輸出給ADC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，另一方面輸出給比較整形單元，在通道控制電路的控制下，進(jìn)行比較整形，輸出觸發(fā)同步信號(hào)；ADC轉(zhuǎn)換后的波形數(shù)據(jù)由FPGA在觸發(fā)同步信號(hào)的觸發(fā)下進(jìn)行采集，采集的波形數(shù)據(jù)通過(guò)USB隔離接口讀取回主控制板上進(jìn)行處理和顯示；FPGA的觸發(fā)同步信號(hào)可以是自身的，也可以是通過(guò)觸發(fā)同步信號(hào)接口來(lái)自第二隔離通道的，具體FPGA接收到的控制命令而定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的通道隔離的手持式數(shù)字示波器，其特征在于，所述的第二隔離通道與第一隔離通道相同，其中的FPGA的觸發(fā)同步信號(hào)可以是自身的，也可以是通過(guò)觸發(fā)同步信號(hào)接口來(lái)自第一隔離通道的，具體FPGA接收到的控制命令而定。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種通道隔離的手持式數(shù)字示波器，將手持式數(shù)字示波器分成兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換以及波形數(shù)據(jù)采集通道，之間用觸發(fā)同步信號(hào)隔離接口來(lái)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)信號(hào)在隔離通道間的傳遞；主控制板通過(guò)兩個(gè)隔離通道中的USB隔離接口實(shí)現(xiàn)控制與數(shù)據(jù)通訊，并通過(guò)隔離電源向兩個(gè)隔離通道供電；從而實(shí)現(xiàn)了普通手持式數(shù)字示波器的測(cè)量功能，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)通道以及主板三者之間在電氣上的隔離，這樣兩個(gè)輸入通道的“參考地”相互獨(dú)立，測(cè)試時(shí)不會(huì)出現(xiàn)短路。
文檔編號(hào)G01R13/02GK101706523SQ200910216209
公開(kāi)日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日
發(fā)明者葉芃, 張沁川, 曾浩, 趙勇, 邱渡裕 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)