手持?jǐn)?shù)字存儲(chǔ)示波表模擬信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

示波器是時(shí)域測量領(lǐng)域最常用儀器，由于數(shù)字存儲(chǔ)示波器在數(shù)據(jù)處理、波形數(shù)據(jù)保持和存儲(chǔ)以及能耗等方面的優(yōu)勢，已經(jīng)取代了傳統(tǒng)模擬示波器，成為示波器市場上的主流產(chǎn)品。其中手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波表更是以體積小、攜帶方便、功能豐富、便于野外和現(xiàn)場測試等特點(diǎn)受到廣泛歡迎。手持示波表的前端模擬信號調(diào)理電路關(guān)系到示波表帶寬和垂直測量精度，示波表的關(guān)鍵電路單元，這里提出一種手持示波表前端模擬信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)
    手持?jǐn)?shù)字示波表總體硬件結(jié)構(gòu)如圖l所示，其主要由前端模擬信號調(diào)理電路、高速A／D轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)電路、時(shí)基電路、觸發(fā)電路、取樣控制電路、DSP、CPU及其外圍電路組成。

    手持數(shù)字存儲(chǔ)示波表的工作原理：由外部輸入的模擬信號經(jīng)前端信號調(diào)理電路調(diào)整后送入高速A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，高速存儲(chǔ)電路再對A／D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號進(jìn)行緩存，A／D轉(zhuǎn)換的采集時(shí)鐘以及高速存儲(chǔ)電路的讀寫受觸發(fā)電路與時(shí)基電路控制，CPU將要顯示的波形數(shù)據(jù)送往LCD顯示屏，將需要保存的波形數(shù)據(jù)寫入非易失存儲(chǔ)器。數(shù)字信號處理器DSP能夠?qū)Σㄐ螖?shù)據(jù)進(jìn)行各種分析處理。這其中前端信號調(diào)理電路可使經(jīng)過調(diào)理后的信號峰峰值和偏置電壓都滿足A／D轉(zhuǎn)換器的輸入要求，并為了保證示波器輸入信號不受示波表內(nèi)部電路的影響以及為了防止示波表被高電壓信號損壞，示波表的前端信號調(diào)理電路還應(yīng)提供高輸入阻抗、低輸出阻抗以及高頻補(bǔ)償電路和故障保護(hù)電路。此外手持式示波表采用電池供電，電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用低功耗器件。
    示波表模擬信號調(diào)理電路具有如下特點(diǎn)：1)垂直靈敏度范圍為5 mV／div～5 V／div(1-2-5步進(jìn)，可程控)；2)最大輸入電壓為350 Vp-p；3)輸入阻抗為1 MΩ／125pF；4)帶寬10 MHz，改變高頻補(bǔ)償電容可將帶寬提升到100 MHz；5)具有故障保護(hù)功能；6)低功耗、省電。
    圖2是手持?jǐn)?shù)字示波表模擬信號調(diào)理電路的原理框圖，該電路主要由無源衰減網(wǎng)絡(luò)、故障保護(hù)電路、寬帶可程控放大器以及A／D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)放大器組成。

    由于示波表的測量范圍是有限的，并使用A／D轉(zhuǎn)換器，而A／D轉(zhuǎn)換器的輸入信號電壓要求是1 Vp-p；其參考電平一般為1．25 V。所以信號被A／D轉(zhuǎn)換器采樣之前，要經(jīng)衰減或放大。這里無源衰減網(wǎng)絡(luò)提供÷1、÷10、÷100、÷1000等4個(gè)衰減比。通過示波表主CPU控制電子開關(guān)根據(jù)不同的垂直靈敏度檔位進(jìn)行選擇，將信號調(diào)整到適合電路處理的合適范圍，故障保護(hù)電路提供過壓保護(hù)功能，防止輸入電壓過大時(shí)損壞元器件，主放大器提供2×、4×、8×的放大倍數(shù)，同樣通過示波表主CPU控制電子開關(guān)根據(jù)不同的靈敏度檔位進(jìn)行選擇，經(jīng)過調(diào)理后的信號送入A／D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)放大器產(chǎn)生適合A／D轉(zhuǎn)換器輸入端所需的合適電平。

2 示波表模擬信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)
    圖3給出手持?jǐn)?shù)字示波表模擬信號調(diào)理部分設(shè)計(jì)電路。

2．1 無源衰減網(wǎng)絡(luò)
    無源衰減網(wǎng)絡(luò)由R1～R7組成，提供1 MΩ的輸入阻抗，開關(guān)SW1為AC／DC信號耦合開關(guān)，電容C2～C6為高頻補(bǔ)償電容，通過調(diào)節(jié)C2、C3可使高頻信號得到最佳補(bǔ)償，示波表不同的垂直靈敏度檔位選擇不同的衰減比，大檔位(5～20V／div)選擇÷1000，中檔位(500mV／div～2V／  div)選擇÷100，小檔位(200～50mV／div)選擇÷10，最小檔位(20～5mV／div)選擇÷1，輸入信號衰減倍數(shù)的設(shè)置由多路復(fù)用器MAX4534和繼電器RE1配合完成，MAX4534是具有故障保護(hù)功能的四選一多路復(fù)用器，其真值表如表1所示，2個(gè)控制端A0、A1由示波表主CPU控制，CPU根據(jù)不同的垂直靈敏度檔位設(shè)置A0、A1端口的控制字，選擇一路信號輸出，ATT0、ATT1為CPU控制信號。當(dāng)選擇50 mV／div時(shí)，CPU向A0、A1端口寫入00，MAX4534選擇第二路(引腳5)信號輸出到COM端(引腳7)，此時(shí)示波表輸入端輸入的電壓Uin與MAX4534輸出電壓U0之間的關(guān)系為：
   
    而當(dāng)選擇5mV／div檔時(shí)，CPU通過控制繼電器RELAY1吸合，使示波表輸入端的信號直接經(jīng)電阻R8送入主放大器。
2．2 故障保護(hù)電路
    為防止輸入電壓過大或其他故障損壞過多的器件，手持示波表模擬信號調(diào)理電路應(yīng)具備故障保護(hù)電路，MAX4534最大允許輸入電壓為40 V，供電電壓為±5V，因此其輸入端的最大輸入電壓應(yīng)為35V，送入MAX4534的信號，最小已被衰減10倍，考慮到過高電壓對衰減網(wǎng)絡(luò)中無源器件以及PCB板布線的影響，示波表輸入端所允許輸入的最大電壓應(yīng)為350 Vrms，MAX4534具有故障保護(hù)功能。當(dāng)輸入電壓過高時(shí)MAX4534會(huì)工作在掉電模式，防止被過高電壓擊穿，在圖3中二極管VD1與VD2的作用是防止過高輸入電壓損壞后續(xù)器件，當(dāng)有過高電壓輸入時(shí)，VD1與VD2間的電壓將被箝位在±Vcc之間，阻止高電壓信號通過，防止損壞后續(xù)器件。
2．3 主放大器及A／D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)放大器
    主放大器電路由寬帶運(yùn)算放大器EL5160、四選一多路復(fù)用器MAX4518以及外圍電路構(gòu)成。為使信號失真小，帶寬能夠得到保證并考慮到手持示波表低功耗的要求，主放大器應(yīng)具有較高的壓擺率、較低的功耗和幅度變化不影響帶寬等特性，所以這里選用電流反饋型寬帶運(yùn)算放大器EL5160。

    主放大器根據(jù)不同的垂直靈敏度檔位對衰減網(wǎng)絡(luò)送過來的信號提供2x、4x或8x的放大，該方案中手持示波表垂直靈敏度檔位逢5(5mV／d-ivr、50mV／div等檔位)提供8x放大，垂直靈敏度檔位逢1(10mV／div、1000mV／div等檔位)提供4x放大，逢2(20mV／div、200mV／div等檔位)提供2×放大，放大倍數(shù)由反饋電阻R11～R13決定，反饋電阻在電路中通過四選一多路復(fù)用器MAX4518選擇，MAX4518與MAX4534的邏輯功能完全一樣(真值表見表1)，只是信號輸出改為引腳6，不具備故障保護(hù)功能，CPU根據(jù)不同的垂直靈敏度檔位設(shè)置MAX4518 A0、A1端口的控制字，選擇一路信號輸出。圖3中ATT2、ATT3為CPU控制信號。當(dāng)選擇100mV／div擋時(shí)，CPU向A0、A1端口寫入01，此時(shí)MAX4534，選擇第二路(引腳5)信號通過電阻R12輸出到COM端(引腳6)接地，此時(shí)主放大器輸入端輸入的電壓Uin1與輸出電壓U01之間的關(guān)系為：
   
    同理，當(dāng)A0、A1端口的控制字為00或10時(shí)，MAX4534分別選擇第一路(引腳5)或第三路的信號(引腳11)通過電阻R11或R13輸出到COM端(引腳6)接地，此時(shí)主放大器的增益分別為8U0或2U0。
    信號經(jīng)主放大器放大后，仍不能滿足A／D轉(zhuǎn)換器輸入端要求，通常要求輸入信號電壓值約1Vp-p，因此主放大器后是由寬帶運(yùn)放MAX4012及其外圍電路構(gòu)成的差分輸入比例電路，A／D轉(zhuǎn)換器的輸入端信號要求輸入的信號應(yīng)當(dāng)具有低失調(diào)電壓、低噪聲等特性，因此此處選擇電壓反饋型運(yùn)算放大器MAX4012，其同相輸入端輸入的信號來自于其后A／D轉(zhuǎn)換器自身輸出的參考電壓信號(一般為1．25 V)，其反相輸入端通過電阻R14與主放大器輸出端相連。經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)放大器后的信號能夠滿足A／D轉(zhuǎn)換器的輸入端的要求。在A／D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)放大器后，模擬信號送入A／D轉(zhuǎn)換器的輸入端并將其轉(zhuǎn)為數(shù)字信號。

3 結(jié)束語
    采用該電路設(shè)計(jì)的手持示波表樣機(jī)在測試中各個(gè)檔位垂直測量誤差均小于l％，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于采用高速、低功耗運(yùn)算放大器，因此只要選擇合適的耦合電容以及合理的PCB板圖設(shè)計(jì)就可使該手持示波表的帶寬達(dá)到100 MHz。