ЦИФРОВОЙ МАЛОГАБАРИТНЫЙ USB ОСЦИЛЛОГРАФ
DIGITAL SMALL-SIZED USB OSCILLOGRAPH

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к электроизмерительным показывающим приборам.
5:
Известно устройство - универсальный пробник, содержащее узел контроля наличия напряжения, резистивный делитель, один вывод которого соединен с первым щупом, соединенным через последовательно включенные переключатель с отрицательным выводом источника питания, положительный вывод которого соединен с вторым щупом, а также стабилитрон и усилитель постоянного тока (см. патент RU №2022272, МКИG01R 19/00, опубл. 30.10.1994). В данном универсальном пробнике усилитель постоянного тока выполнен на двух транзисторах по схеме эмиттерного повторителя, причем база первого транзистора соединена со средним выводом резистивного делителя, а между базой первого транзистора и объединенными коллекторами первого и второго транзисторов, соединенных с отрицательной шиной источника питания, включен стабилитрон, эмиттер второго транзистора через светодиод и замкнутый контакт переключателя соединен с положительной шиной источника питания, а второй вывод резистивного делителя соединен с одним из выводов узла наличия напряжения, выполненного на двух встречно включенных светодиодах, другой вывод которого соединен с первым щупом. Кроме того, второй щуп выполнен разъемным, подключение которого к пробнику осуществляется посредством резьбового соединения.
Недостатком данного устройства является низкая информативность качества сигнала.
Известно устройство для измерения низкочастотного напряжения (см. заявку RU №2004131374, МКИ: G01R 19/00, опубл. 10.04.2006). В данном устройстве для измерения переменного напряжения заданной частоты, характеризуемое наличием делителя, масштабирующего усилителя, инструментального усилителя с программируемым коэффициентом усиления сигнала, протектора, аналого-цифрового преобразователя, первого и второго буферных элементов, ПЛИС, первого и второго дисплеев, клавиатуры, JTAG, декодера, конфигурационного устройства, тактового генератора, аналогового и цифрового источников питания, причем делитель, масштабирующий усилитель, инструментальный усилитель, протектор и аналого-цифровой преобразователь подключены последовательно, причем выход аналого-цифрового преобразователя через буферный элемент подключен к первому входу ПЛИС, ко второму входу ПЛИС подключен выход тактового генератора, к третьему-шестому входам ПЛИС подключены выход конфигурационного устройства и порт JTAG, четвертый-пятый выходы ПЛИС соединены с управляющим входом делителя, шестой-седьмой выходы ПЛИС подключены к управляющему входу инструментального усилителя, восьмой-десятый выходы ПЛИС подключены к первому дисплею, выполненному на семисегментных знакосинтезирующих индикаторах и предназначенному для визуализации режимов работы и единиц измерения, одиннадцатый-двадцать седьмой выходы ПЛИС подключены через декодер ко второму дисплею, предназначенному для визуализации измеренного сигнала, аналоговый источник питания подключен к аналого-цифровому преобразователю, а также к делителю, масштабирующему усилителю, фильтру, протектору и инструментальному усилителю, а цифровой источник питания - к остальным элементам устройства.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и высокая стоимость при низкой информативности параметров сигналов.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому решению - прототипом является устройство для регистрации, исследования и измерения радиотехнических сигналов, описанное в патенте RU №2010238, МКИ: G01R 13/20, опубл. 30.03.1994. Цифровой осциллограф содержит входное устройство, вход которого является измерительным входом цифрового осциллографа, устройство выборки и хранения, измерительный вход которого соединен с выходом входного устройства, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, цифровой вход данных которого соединен с цифровым выходом аналого-цифрового преобразователя, регистр памяти, цифровой вход которого соединен с цифровым выходом оперативного запоминающего устройства, схема синхронизации, первый вход которой является входом внешней синхронизации цифрового осциллографа, а второй вход соединен с выходом входного устройства, счетчик адреса, цифровой выход которого соединен с цифровым входом адреса оперативного запоминающего устройства, отображающее устройство, цифровой вход данных которого соединен с цифровым выходом регистра памяти, счетчик цифровой развертки, цифровой выход которого соединен с цифровым входом адреса отображающего устройства, устройство управления, первый выход которого соединен с входом тактирования аналого-цифрового преобразователя, второй выход - с входом тактирования счетчика адреса, третий выход - с входами установки счетчика адреса и счетчика цифровой развертки, четвертый выход - с входом управления оперативного запоминающего устройства, пятый выход - с входом управления регистра памяти, шестой выход - с входом запуска счетчика цифровой развертки, генератор тактовых импульсов, второй выход которого соединен с входом частоты считывания устройства управления, блок с зарядовой связью, измерительный вход которого соединен с выходом устройства выборки и хранения, а выход - с измерительным входом аналого-цифрового преобразователя, формирователь управляющих импульсов, первый выход которого соединен с входом инжекции блока с зарядовой связью, а второй выход - с входом переноса блока с зарядовой связью, генератор импульсов преобразования, вход запуска которого соединен с выходом схемы синхронизации, а выход - с входом тактирования устройства выборки и хранения, схему логического сложения, первый вход которой соединен с выходом генератора импульсов преобразования, второй вход - с седьмым выходом устройства управления, а выход - с входом тактирования формирователя управляющих импульсов, счетчик импульсов преобразования, вход установки которого соединен с выходом схемы синхронизации, а счетный вход - с выходом схемы логического сложения, блок блокировки, вход которого соединен с выходом переполнения счетчика импульсов преобразования, первый выход - с входом блокировки генератора импульсов преобразования, а второй выход - с входом синхронизации устройства управления, коммутатор, первый вход которого соединен с первым выходом генератора тактовых импульсов, выход - с входом частоты преобразования устройства управления, делитель частоты, вход которого соединен с выходом генератора импульсов преобразования, а выход - с вторым входом коммутатора, блок коммутации, выход которого соединен с входом управления коммутатора, а цифровой выход - с цифровым входом делителя частоты.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции при низкой информативности о параметрах сигналов.
Сущность изобретения в следующем. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении информативности о параметрах сигналов и снижении стоимости конструкции.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в цифровой малогабаритный USB осциллограф, содержащий входную цепь, аналого-цифровой преобразователь, дополнительно введены корпус, щуп-игла, кабель USB, провод заземления, двухцветный светодиод, многофункциональная кнопка, входной буферный усилитель, аттенюатор, источник опорного напряжения, сумматор, блок стабилизации напряжений питания, усилитель, цифроаналоговый преобразователь, DC/DC-преобразователь, фильтр нижних частот, USB контроллер, персональный компьютер и контроллер, первый вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, первый выход контроллера соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, при этом вход входного буферного усилителя соединен с выходом входной цепи, а выход входного буферного усилителя соединен с первым (аналоговым) входом аттенюатора, второй (цифровой) вход которого соединен со вторым выходом контроллера, а выход аттенюатора соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с входом усилителя, выход усилителя соединен с входом фильтра нижних частот, причем второй вход сумматора соединен с выходом источника опорного напряжения, а третий вход сумматора соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, выход фильтра нижних частот соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, третий выход контроллера соединен с входом цифроаналогового преобразователя, четвертый выход и пятый выход контроллера подключены к двухцветному светодиоду, шестой выход контроллера соединен со вторым входом входной цепи, а второй вход контроллера подключен к многофункциональной кнопке, причем двунаправленный порт контроллера соединен с первым портом USB контроллера, второй порт которого соединен через кабель USB с персональным компьютером, который через кабель USB соединен с DC/DC-преобразователем, который соединен с блоком стабилизации напряжений питания, а блок стабилизации напряжений питания соединен с источником опорного напряжения, входной цепью, входным буферным усилителем, усилителем, аттенюатором, цифроаналоговым преобразователем, аналого-цифровым преобразователем, контроллером.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, примером конкретного исполнения и описанием.
На фиг.1 схематично изображен цифровой малогабаритный USB осциллограф согласно заявляемому техническому решению.
На фиг.2 представлена структурная схема устройства.
Приняты следующие обозначения:
1 - корпус;
2 - щуп-игла;
3 - кабель USB;
4 - провод заземления;
5 - двухцветный светодиод;
6 - многофункциональная кнопка;
7 - входная цепь;
8 - входной буферный усилитель;
9 - аттенюатор
10 - источник опорного напряжения (ИОН);
11 - сумматор;
12 - блок стабилизации напряжений питания;
13 - усилитель;
14 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);
15 - DC/DC-преобразователь;
16 - фильтр нижних частот (ФНЧ);
17 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
18 - контроллер;
19 - USB контроллер;
20 - персональный компьютер.
Цифровой малогабаритный USB осциллограф содержит корпус 1, щуп-иглу 2, кабель USB 3, провод заземления 4, двухцветный светодиод 5, многофункциональную кнопку 6, входную цепь 7, входной буферный усилитель 8, аттенюатор 9, источник опорного напряжения 10, сумматор 11, блок стабилизации напряжений питания 12, усилитель 13, цифроаналоговый преобразователь 14, DC/DC-преобразователь 15, фильтр нижних частот 16, аналого-цифровой преобразователь 17, контроллер 18, USB контроллер 19, программное обеспечение на персональном компьютере 20, работающим под управлением операционных систем Windows XP/Vista или Linux. Щуп-игла 2 является сенсором входной цепи 7. Входная цепь 7 соединена с входом входного буферного усилителя 8. Выход входного буферного усилителя 8 соединен с первым (аналоговым) входом аттенюатора 9. Выход аттенюатора 9 соединен с первым входом сумматора 11. Второй вход сумматора 11 соединен с выходом источника опорного напряжения 10, а третий вход сумматора 11 соединен с выходом цифроаналогового преобразователя 14. Выход сумматора 11 соединен с входом усилителя 13, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот 16. Выход фильтра нижних частот 16 соединен со вторым (аналоговым) входом аналого-цифрового преобразователя 17. Выход аналого-цифрового преобразователя 17 соединен с первым входом контроллера 18, первый выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя 17. Второй (цифровой) вход аттенюатора 9 соединен со вторым выходом контроллера 18. Третий выход контроллера 18 соединен с входом цифроаналогового преобразователя 14, четвертый и пятый выходы контроллера 18 подключены к двухцветному светодиоду 5. Шестой выход контроллера 18 соединен со вторым входом входной цепи 7. Второй вход контроллера 18 подключен к многофункциональной кнопке 6. Двунаправленный порт контроллера 18 соединен с первым портом USB  контроллера 19, второй порт которого через кабель USB 3 соединен с персональным компьютером 20. Персональный компьютер 20 соединен тем же кабелем USB 3 с DC/DC-преобразователем 15, который соединен с блоком стабилизации напряжений питания 12. Блок стабилизации напряжений питания 12 соединен с источником опорного напряжения 10, входной цепью 7, входным буферным усилителем 8, аттенюатором 9, усилителем 13, цифроаналоговым преобразователем 14, аналого-цифровым преобразователем 17, контроллером 18.
Цифровой малогабаритный USB осциллограф работает следующим образом.
Исследуемый сигнал подается на входную цепь 7, которая обеспечивает входные сопротивление и емкость, защиту от перегрузки по напряжению, а также, при необходимости, предварительное ослабление сигнала. Входная цепь 7 передает сигнал на входной буферный усилитель 8, который осуществляет согласование импедансов предыдущего и последующего каскадов, а также небольшое предварительное усиление сигнала. Далее сигнал попадает на аттенюатор 9, управляемый контроллером 18. Задача аттенюатора 9 так ослабить сигнал, чтобы он не вышел за пределы динамического диапазона аналого-цифрового преобразователя 17, но при этом использовал этот диапазон максимально. С выхода аттенюатора 9 сигнал поступает на сумматор 11. В сумматоре 11 к сигналу добавляется постоянное смещение от источника опорного напряжения 10, определяющее в дальнейшем уровень середины диапазона аналого-цифрового преобразователя 17, и дополнительное смещение (смещение нулевой линии) с цифроаналогового преобразователя 14, задаваемое пользователем через программное обеспечение, устанавливаемое на персональном компьютере 20. После сумматора 11 сигнал поступает на усилитель 13. Этот усилитель 13 выполняет основное усиление в системе. Фильтр нижних частот 16 формирует необходимую полосу пропускания для соблюдения условия теоремы Котельникова. Аналого-цифровой преобразователь 17 преобразует аналоговый сигнал, поступающий с выхода фильтра нижних частот 16, в цифровой и передает его контроллеру 18 по параллельному интерфейсу. Тактируется работа аналого-цифрового преобразователя 17 сигналом с контроллера 18. С помощью цифроаналогового преобразователя 14, управляемого контроллером 18 в системе компенсируются погрешности передачи сигнала в аналоговых блоках, а также осуществляется смещение нулевой линии по команде пользователя. Питание устройство получает по кабелю USB 3. С помощью DC/DC-преобразователя 15 однополярное напряжение +5В преобразуется в двухполярное нестабилизированное ±5В. В блоке стабилизации напряжений питания 12 оно фильтруется от помех, разделяется на питание цифровых и аналоговых блоков. Контроллер 18, помимо управления элементами системы, осуществляет всю необходимую обработку данных, полученных с аналого-цифрового преобразователя 17, которые затем с помощью USB контроллера 19 направляются в персональный компьютер 20 по кабелю USB 3 и поступают в распоряжение клиентского программного обеспечения.
Пример
Был изготовлен опытный образец цифрового малогабаритного USB осциллографа.
Цифровой малогабаритный  USB осциллограф имеет следующие технические характеристики.
Количество каналов - 1.
Полоса пропускания по уровню - 3 дБ-1 МГц.
Входной импеданс:
- 1 МОм на шкалах вертикального отклонения 5 мВ/дел…100 мВ/дел;
- 10 МОм на шкалах вертикального отклонения 200 мВ…5 В/дел.
Входная емкость:
- 28 пФ на шкалах вертикального отклонения 5 мВ/дел…100 мВ/дел;
- 5 пФ на шкалах вертикального отклонения 200 мВ…5000 мВ/дел.
Режимы работы входной цепи - 2: открытый вход; закрытый вход.
Максимальное входное напряжение: ±50 В.
Максимальное напряжение, отображаемое на мониторе: ±40 В.
Количество шкал вертикального отклонения:
- 10 (5, 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000 и 5000 мВ/дел).
Количество шкал горизонтального отклонения
- 22 (500 нсек/дел…5 с/дел с шагом 1-2-5).
Частота дискретизации - 4 МГц.
Разрядность АЦП - 8 бит
Режимы синхронизации - 5:
- непрерывный, ждущий, авто, однократный, ждущий однократный.
Способы синхронизации - 2:
- по переднему фронту,
- по заднему фронту.
Способы задания уровня синхронизации:
- ручной (с помощью перемещаемого по монитору маркера);
- автоматический (устанавливает маркер на уровень, равный половине размаха входного сигнала).
Элементы индикации:
- монитор персонального компьютера с отображаемым виртуальным экраном осциллографа и строкой статуса;
- двухцветный светодиод на корпусе устройства.
Инструменты измерения - маркеры амплитудных и временных величин.
Индикаторы измеренных величин:
- символьные (отображаются в статусной строке), указывают разность напряжений между маркерами, временной интервал между маркерами и величину, обратную временному интервалу между маркерами.
Способ задания уровня постоянной составляющей сигнала:
- ручной(с помощью перемещаемого по монитору маркера).
Погрешность задания уровня постоянной составляющей сигнала - 1 бит АЦП.
Калибровка устройства:
- пользовательская (производится пользователем в случае необходимости);
- заводская (восстановление пользователем заводских калибровочных значений).
Режим калибровки - полуавтоматический.
Интерполяция отображаемого сигнала - sin(x)/x.
Форматы сохранения информации экрана осциллографа:
- графический (.png);
- текстовый (.dat).
Элементы управления:
- виртуальные (отображаются на экране монитора ПК);
- физические (многофункциональная кнопка на корпусе устройства).
Питание - от шины USB.
Ток потребления - 170 мА (типовой), 200 мА (максимальный).
Индикация питания - светодиодная (однократная вспышка светодиода при подключении устройства к шине USB).
Таким образом, данное техническое устройство
- не требует дополнительных щупов,
- работает с двумя типами операционных систем MS Windows XP/Vista или Linux, установленных на персональном компьютере,
- имеет дополнительные органы управления и индикации как на корпусе, так и на экране монитора,
- имеет программно-аппаратную компенсацию ошибок в канале обработки сигналов по постоянному току, вызванных технологическими разбросами параметров компонентов и тепловым дрейфом этих параметров,
- позволяет наблюдать сигнал, измерять его параметры с высокой точностью, делать одномоментные копии исследуемого сигнала в виде графического образа или последовательности чисел,
- имеет компактные размеры и невысокую стоимость.