时域和频域综合测试装置

摘要

本发明涉及一种测试装置，尤其涉及一种电子测量仪器领域的时域、频域综合测试装置。本发明的时域和频域综合测试装置，包括前端信号链、采样及成像模块、数据交换模块、主控模块、显示及用户交互模块、接口及扩展模块、电源模块、频谱分析模块、RF程控调理模块，前端信号链通过采样及成像模块与数据交换模块通信，RF程控调理模块通过频谱分析模块与主控模块通信，数据交换模块分别与主控模块、显示及用户交互模块、接口及扩展模块、电源模块电连接。能为用户有选择的扩展测试功能，同时可观测时域和频域信号，观察任何时点上的RF频谱，观看频谱随时间或随器件状态的变化。

权利要求

1.一种时域和频域综合测试装置，其特征在于，包括前端信号链、采样及成像模块、数据交换模块、主控模块、显示及用户交互模块、接口及扩展模块、电源模块、频谱分析模块、RF程控调理模块，前端信号链通过采样及成像模块与数据交换模块通信，RF程控调理模块通过频谱分析模块与主控模块通信，数据交换模块分别与主控模块、显示及用户交互模块、接口及扩展模块、电源模块电连接；其中前端信号链包括转换开关、阻抗转换器、程控衰减器、程控衰减模块、程控增益模块、数模转换器，模拟输入信号连接转换开关后分别通过阻抗转换器、程控衰减器处理，通过转换开关与程控衰减模块连接，程控衰减模块与程控增益模块电连接，数模转换器分别与程控衰减模块、程控增益模块电连接。

2.根据权利要求1所述的时域和频域综合测试装置，其特征在于，采样及成像模块包括双通道模数转换器、DDR2-SDRAM存储器模组、QDR2-SRAM存储器、加密协议芯片、FPGA模块，双通道模数转换器、DDR2-SDRAM存储器模组、QDR2-SRAM存储器、加密协议芯片分别与FPGA模块电连接。

3.根据权利要求2所述的时域和频域综合测试装置，其特征在于，FPGA模块包括采样控制器、存储管理器、高速数字荧光波形成像引擎、串化/解串器、随机数生成器、加密选件管理器，采样控制器通过存储管理器与高速数字荧光波形成像引擎电连接，高速数字荧光波形成像引擎分别连接串化/解串器、QDR2-SRAM存储器、波形运算处理器，采样控制器连接触发控制器，存储管理器分别连接存储控制器、FFT引擎，存储控制器与DDR2-SDRAM存储器模组连接，串化/解串器连接指令解码器，随机数生成器与加密选件管理器电连接，加密选件管理器与加密协议芯片电连接。

4.根据权利要求1所述的时域和频域综合测试装置，其特征在于，数据交换模块包括串行化/解串行单元、数据交换单元、指令解析器、视频图像叠加单元、PCI总线桥，串行化/解串行单元分别与数据交换单元、指令解析器电连接，数据交换单元、指令解析器分别与PCI总线桥电连接，数据交换单元与视频图像叠加单元电连接。

5.根据权利要求1所述的时域和频域综合测试装置，其特征在于，频谱分析模块包括衰减器、低通滤波器、混频器、中频滤波器、模数转换模块、数据处理及交换系统、可变本振发生器，衰减器通过低通滤波器连接混频器，混频器依次通过中频滤波器、模数转换模块与数据处理及交换系统连接，数据处理及交换系统通过可变本振发生器反馈回混频器。

说明书

时域和频域综合测试装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种测试装置，尤其涉及一种电子测量仪器领域的时域、频域综合测试装置。

背景技术

[0002] 电子测量仪器领域需一种既有示波器功能观测中低频信号，又有频谱分析仪功能观测高频信号。满足时域、频域综合测试需求且性价比高的测试设备，它能快速获取时域、频域波形及相关参数指标，来准确判断设备工作状态的正常与否，并将这些测试数据生成测试文本进入计算机交互管理体系。美国TEK公司2011年最新推出的MDO4000混合域示波器，同时具备时域、频域、时频域等多域波形测试功能。MDO4 000突破了时域和频域间的障碍，它从根本上改变了RF设计调试，在RF设计调试中，工程师需要将频域中的事件与引起这些事件的时域现象关联起来，混合信号示波器（MSO）如同是嵌入式设计测试的标准工具。混合域示波器将成为需求日益增加的带有RF功能设计的新标准。为突破国外技术壁垒，国内需研制一种时域频域综合测试的装置。

发明内容

[0003] 本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种时域和频域综合测试装置，其能为用户有选择的扩展测试功能，同时可观测时域和频域信号。

[0004] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括前端信号链、采样及成像模块、数据交换模块、主控模块、显示及用户交互模块、接口及扩展模块、电源模块、频谱分析模块、RF程控调理模块，前端信号链通过采样及成像模块与数据交换模块通信，RF程控调理模块通过频谱分析模块与主控模块通信，数据交换模块分别与主控模块、显示及用户交互模块、接口及扩展模块、电源模块电连接。

[0005] 本系统采用模块化的思路设计实现。信号接入示波器后，首先进入前端信号链，对信号进行衰减、放大、滤波等环节，转换为符合ADC输入要求的信号，送入采样及成像模块。后者是整个系统的核心模块，其功能是通过ADC将信号量化取样转换为数字信号，将数字信号存储并通过数字荧光成像引擎转换为波形图像输出。每个模块可以接受两个通道的数据处理，因此系统共需要两个同样的采样及成像模块。两个模块的数据经过数据交换模块汇总并输出至显示及用户交互模块，向用户呈现出波形图像。该过程由主控计算机控制，主控计算机的控制指令和数据亦通过数据交换模块传达给采样及成像模块。RF信号接入RF通道后，经RF程控调理电路、频谱分析模块，模块的数据经过数据交换模块汇总并输出至显示及用户交互模块，向用户呈现出频谱分析图像，电源模块为系统提供可靠稳定的电源。

[0006] 前端信号链包括转换开关、阻抗转换器、程控衰减器、程控衰减模块、程控增益模块、数模转换器，模拟输入信号连接转换开关后分别通过阻抗转换器、程控衰减器处理，通过转换开关与程控衰减模块连接，程控衰减模块与程控增益模块电连接，数模转换器分别与程控衰减模块、程控增益模块电连接。

[0007] 采样及成像模块包括双通道模数转换器、DDR2-SDRAM存储器模组、QDR2-SRAM存储器、加密协议芯片、FPGA模块，双通道模数转换器、DDR2-SDRAM存储器模组、QDR2-SRAM存储器、加密协议芯片分别与FPGA模块电连接。FPGA模块包括采样控制器、存储管理器、高速数字荧光波形成像引擎、串化/解串器、随机数生成器、加密选件管理器，采样控制器通过存储管理器与高速数字荧光波形成像引擎电连接，高速数字荧光波形成像引擎分别连接串化/解串器、QDR2-SRAM存储器、波形运算处理器，采样控制器连接触发控制器，存储管理器分别连接存储控制器、FFT引擎，存储控制器与DDR2-SDRAM存储器模组连接，串化/解串器连接指令解码器，随机数生成器与加密选件管理器电连接，加密选件管理器与加密协议芯片电连接。

[0008] 数据交换模块包括串行化/解串行单元、数据交换单元、指令解析器、视频图像叠加单元、PCI总线桥，串行化/解串行单元分别与数据交换单元、指令解析器电连接，数据交换单元、指令解析器分别与PCI总线桥电连接，数据交换单元与视频图像叠加单元电连接。

[0009] 频谱分析模块包括衰减器、低通滤波器、混频器、中频滤波器、模数转换模块、数据处理及交换系统、可变本振发生器，衰减器通过低通滤波器连接混频器，混频器依次通过中频滤波器、模数转换模块与数据处理及交换系统连接，数据处理及交换系统通过可变本振发生器反馈回混频器。

[0010] 本发明采用嵌入式多处理器和FPGA为主控管理器，采用Windows操作系统，构建一台不受形式和功能限制的具有示波器、频谱分析仪等功能便携式时域频域综合测试装置，可根据用户的测试需求对测试系统灵活组态，度身订制测试系统，且系统本身预留的功能扩展接口卡，能为用户有选择的扩展测试功能，同时可观测时域和频域信号，观察任何时点上的RF频谱，观看频谱随时间或随器件状态的变化。

附图说明

[0011] 图1为本发明的整体模块示意图；

[0012] 图2为本发明的前端信号链模块示意图；

[0013] 图3为本发明的采样及成像模块示意图；

[0014] 图4为本发明的数据交换模块示意图；

[0015] 图5为本发明的频谱分析模块示意图。

具体实施方式

[0016] 如图1所示，本发明的时域和频域综合测试装置，包括前端信号链、采样及成像模块、数据交换模块、主控模块、显示及用户交互模块、接口及扩展模块、电源模块、频谱分析模块、RF程控调理模块，前端信号链通过采样及成像模块与数据交换模块通信，RF程控调理模块通过频谱分析模块与主控模块通信，数据交换模块分别与主控模块、显示及用户交互模块、接口及扩展模块、电源模块电连接

[0017] 示波器前端信号链，前端信号链实现了信号的放大、衰减、阻抗转换、滤波等信号调理工作。该部分的原理框图如图2所示：

[0018] 前端信号链包括转换开关、阻抗转换器、程控衰减器、程控衰减模块、程控增益模块、数模转换器，模拟输入信号连接转换开关后分别通过阻抗转换器、程控衰减器处理，通过转换开关与程控衰减模块连接，程控衰减模块与程控增益模块电连接，数模转换器分别与程控衰减模块、程控增益模块电连接。

[0019] 信号通过探头输入系统，经过高阻抗程控衰减器衰减后送入阻抗变换器进行1MΩ至50Ω的阻抗变换，能够提供约5 00MHz的模拟带宽。当输入阻抗选择为50Ω时，信号直接经过射频程控衰减器进行衰减。阻抗切换后使信号能够在低阻抗（50Ω）环境下传输，经过程控衰减器和程控增益放大器实现500MHz的模拟带宽以及2mV~1V/div的1-2-5步进增益/衰减。为实现增益和位移的数字控制，该部分设置了两个DAC。

[0020] 采样与成像模块，是本系统的核心模块，所有相关算法均在FPGA内得以实现。该部分的原理框图如图3所示：

[0021] 采样及成像模块包括双通道模数转换器、DDR2-SDRAM存储器模组、QDR2-SRAM存储器、加密协议芯片、FPGA模块，双通道模数转换器、DDR2-SDRAM存储器模组、QDR2-SRAM存储器、加密协议芯片分别与FPGA模块电连接。

[0022] FPGA模块包括采样控制器、存储管理器、高速数字荧光波形成像引擎、串化/解串器、随机数生成器、加密选件管理器，采样控制器通过存储管理器与高速数字荧光波形成像引擎电连接，高速数字荧光波形成像引擎分别连接串化/解串器、QDR2-SRAM存储器、波形运算处理器，采样控制器连接触发控制器，存储管理器分别连接存储控制器、FFT引擎，存储控制器与DDR2-SDRAM存储器模组连接，串化/解串器连接指令解码器，随机数生成器与加密选件管理器电连接，加密选件管理器与加密协议芯片电连接。

[0023] 作为示波器的核心器件，ADC接收模拟前端的信号输入并转换为数字信号。为实现2.5GSa/s的最高采样率和500MHz的带宽，ADC的选择至关重要。这里选择了E2V公司生产的EV8AQ160型ADC，其内部具有4个独立的1.25GSa/s的8bit子ADC，并且其中每两个ADC可交替实现2.5GSa/s的采样率，由于每个采样与成像模块配置一片EV8AQ160型ADC处理两个通道的数据，ADC的幅度、增益和定时均可通过软件微调从而实现了较高的有效位。ADC的模拟带宽可达3GHz，满足了系统需求。

[0024] FPGA实现了从数字信号输入到波形成像传输的所有信号处理工作，是产品的核心所在。FPGA由采样控制器、触发控制器、波形存储管理器、存储控制器、FFT引擎及数字荧光波形成像引擎组成。其中存储控制器需外挂DDR2-SDRAM存储器模组作为波形存储器，数字荧光波形成像引擎需要外挂QDR2-SRAM作为成像存储器。来自ADC的信号进入触发控制器，实现复杂的条件触发机制，并对其进行采样，通过存储与读出控制器，存储在波形存储器中。若需要，硬件FFT引擎将对其进行FFT变换为频域信号。成像后的两个通道的波形通过串化器/解串器（SERDES）编码为2.5Gbps的串行数据送出，同时来自数据交换模块的指令和数据亦通过SERDES送入并通过指令解码器解码，控制FPGA的运作。由于FPGA内的每个模块均可同时处理两路采样数据，因此每个采样与成像模块使用1片FPGA。

[0025] 由于该系统具有多个选件，因此设置了加密选件管理器用于管理软硬件选件。加密选件管理部分由随机产生器、。加密选件管理器以及外部的加密协议芯片组成。设置该部分的原因是管理装置的功能授权、用户授权、防止对装置的非法拷贝并保护装置的知识产权。具体做法是：每台装置均具有一个唯一的协议，该协议存放在主机的协议芯片中。每隔一定时间，随机产生器产生一个32位的随机数，传送给协议芯片。协议芯片使用该随机数和内置的密钥对协议进行加密后回传给协议管理器。协议管理器用内建的密钥对其进行解密，若协议正确，即可根据协议内容开放授权的功能。使用装置面板输入相应授权号后，授权号同时编码至协议中标示用户的功能选件。

[0026] 数据交换模块，数据交换模块为系统的数据中心，负责各个模块的数据通信，同时为各个模块提供稳定、同步的时钟。由于各个模块的通信协议不同，因此数据交换模块必须具有多种协议的支持。这里数据交换模块亦由一片FPGA组成，如图4所示：

[0027] 数据交换模块包括串行化/解串行单元、数据交换单元、指令解析器、视频图像叠加单元、PCI总线桥，串行化/解串行单元分别与数据交换单元、指令解析器电连接，数据交换单元、指令解析器分别与PCI总线桥电连接，数据交换单元与视频图像叠加单元电连接。

[0028] 数据交换模块具有4个串化器/解串器（SERDES）、1个PCI总线桥以及1个视频控制器，由MUX进行各路数据的交换。其中2个SERDES分别连接两个采样与成像模块，另外两个SERDES备用；PCI总线桥连接主控模块；视频控制器连接显示器。工作时，指令由主控计算机通过PCI总线传输至该模块，经指令解析器解析、经SERDES编码后送入2个采样与成像模块，采样与成像模块形成的波形图像数据再通过SERDES解码后通过MUX送入视频控制器形成显示图像直接送往显示器，同时经PCI桥送往主控计算机。

[0029] 主控计算机，为增强示波器的处理能力并提高用户的易用性，主控部分采用x86结构的嵌入式计算机系统，以低功耗的Pentium-M作为主处理器，以与PCI兼容的PC-104Plus总线作为主控计算机和数据交换模块的数据通信总线。

[0030] 外围组件包括键盘、鼠标、液晶显示器、硬盘驱动器、光盘驱动器等，均可被PC-1 04Plus板卡直接支持。主控计算机模块的主要处理工作包括：

[0031] （1）GUI（图形用户界面）和HMI（人机交互）操作，响应用户事件，如转动面板转轮、按动按钮，移动鼠标、点击触摸屏等，并根据事件控制系统做出响应；

[0032] （2）读取硬件系统的各种状态并根据状态做出判断和操作；

[0033] （3）读取波形数据并将其存储至硬盘驱动器；

[0034] （4）对波形数据进行高级分析，包括时域分析、频域分析、时频域分析以及数字域分析等；

[0035] （5）运行第三方软件实现用户定义的功能。

[0036] 频谱分析模块如图5所示，包括衰减器、低通滤波器、混频器、中频滤波器、模数转换模块、数据处理及交换系统、可变本振发生器，衰减器通过低通滤波器连接混频器，混频器依次通过中频滤波器、模数转换模块与数据处理及交换系统连接，数据处理及交换系统通过可变本振发生器反馈回混频器。

[0037] 在RF输入信号首先接入一个衰减器，它的衰减值是步进的，完成仪表内部的协调，如匹配、最佳工作点等等。接着信号经过低通滤波器或预选器，阻止高频信号到达混频器，防止带外信号与本振相混频在中频产生多余的频率响应，信号经核心部件混频器。用混频器产生中频信号，中频电路采用数字中频，数字中频用于窄扫宽的FFT分析和用于宽扫宽的扫频分析的联合使用，优化了扫描过程，使得测量能够尽可能快速地完成，中频带宽设置根据实际工作的需要来决定的。当然它会影响其它很多因素，如底噪声、信号解调的失真度等。

[0038] ADC数字化IF中频信号，系统以数字方式执行所有进一步的步骤。FFT算法实现时域到频域变换，后续分析生成频谱图、码域图等显示画面。主要数字信号处理模块。模拟IF信号经过传输频带滤波和数字转换。数字下变频和抽样过程把A/D样点转换成同相(I)和正交(Q)基带信号流。触发模块检测信号条件，控制采集和定时。基带DSP系统使用基带I和Q信号及触发信息，通过FFT、调制分析、功率测量、定时测量及统计分析等手段，进行频谱分析。

[0039] 面板与外观，装置面板由若干区域组成。真彩TFT液晶显示器占据了较大的面积，下方设置了系统接口区、下方左侧包含电源开关和USB主插座，其中长按电源开关可以启动装置，再次长按则可以启动关机程序，USB主插座则可以连接键盘、鼠标和海量存储设备等；下方中间包含四个BNC连接器，分别为示波器4个输入接口，下方右侧有频谱分析RF输入通道，液晶显示屏右侧包含有测量功能选择开关区、快捷键与多功能调节轮区、装置的右侧设有散热孔和外电源接口。本装置功耗较小，靠散热孔的自然对流完全可以满足散热需求；外接电源接口可接入8～16V的直流电源对装置供电或对电池充电。装置的左侧设有SD/MMC卡插座和扩展卡插槽，前者可插入SD/MMC卡作为非易失性存储介质，后者可插入专用功能扩展卡实现功能扩展和延伸。

[0040] 装置的背后为电池和通信接口。装置所需的锂离子电池包可通过背后的电池槽装入。下方的通信接口包含2个RS-232串行接口，可用来连接标准串口设备；1个USB设备接口可用来连接上位机进行通信；1个LAN接口可连接标准以太网进行数据通信及遥控/遥测。

[0041] 人机交互可以通过以下几种途径：

[0042] 1.面板开关：面板开关是最方便的方法。

[0043] 2.触摸屏：本装置液晶显示器上备有触摸屏，可使用触笔或手指点击及拖动完成各种操作。这是最快捷的一种操作方式。

[0044] 3.标准USB键盘/鼠标：本装置兼容标准USB键盘和鼠标，可以用来代替触摸屏和面板开关完成选择和输入。在固定场合应用，该方式既方便且快捷。

[0045] 4.内置显示器：这是本装置的主要输出方式。内置显示器为12吋TFT真彩LCD，显示效果清晰细腻且亮度较高。

[0046] 5.外置显示器：若在固定场合应用且希望更大尺寸的显示，则可以通过装置后方的VGA输出端口外接显示器实现。外置显示器和内置显示器将同时显示测试信息。对外置显示器的要求是其必须支持WVGA规范。