手持數(shù)字存儲示波表模擬信號調(diào)理電路的設(shè)計

何誠剛

（西安交通大學 城市學院 電氣與信息工程系，陜西 西安 710021）

示波器是時域測量領(lǐng)域最常用儀器，由于數(shù)字存儲示波器在數(shù)據(jù)處理、波形數(shù)據(jù)保持和存儲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[1]，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)計方案。

1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

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

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

手持數(shù)字存儲示波表的工作原理：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，高速存儲電路再對A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號進行緩存，A/D轉(zhuǎn)換的采集時鐘以及高速存儲電路的讀寫受觸發(fā)電路與時基電路控制，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)寫入非易失存儲器。數(shù)字信號處理器DSP能夠?qū)Σㄐ螖?shù)據(jù)進行各種分析處理。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償電路和故障保護電路。此外手持式示波表采用電池供電，電路設(shè)計時應(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：1）垂直靈敏度范圍為 5 mV/div～5 V/div（1-2-5 步進，可程控）；2）最大輸入電壓為 350 Vp-p；3）輸入阻抗為 1 MΩ /25 pF；4）帶寬 10 MHz，改變高頻補償電容可將帶寬提升到100 MHz；5）具有故障保護功能；6）低功耗、省電。

圖2是手持數(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)、故障保護電路、寬帶可程控放大器以及A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動放大器組成。

圖2 手持示波表模擬信號調(diào)理電路原理框圖

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、÷1 000 等 4 個衰減比，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，故障保護電路提供過壓保護功能，防止輸入電壓過大時損壞元器件，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行選擇，經(jīng)過調(diào)理后的信號送入A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動放大器產(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

圖3給出手持數(shù)字示波表模擬信號調(diào)理部分設(shè)計電路。

圖3 手持數(shù)字示波表模擬信號調(diào)理部分設(shè)計電路

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為高頻補償電容，通過調(diào)節(jié)C2、C3可使高頻信號得到最佳補償，示波表不同的垂直靈敏度檔位選擇不同的衰減比，大檔位（5～20 V/div）選擇÷1 000，中檔位（500 mV/div～2 V/div ）選擇÷100，小檔位（200～50 mV/div）選擇÷10，最小檔位（20～5 mV/div）選擇÷1，輸入信號衰減倍數(shù)的設(shè)置由多路復用器MAX4534和繼電器RE1配合完成，MAX4534是具有故障保護功能的四選一多路復用器，其真值表如表1所示[2-4]，2個控制端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。當選擇50 mV/div時，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），此時示波表輸入端輸入的電壓Uin與MAX4534輸出電壓Uo之間的關(guān)系為：

而當選擇5 mV/div檔時，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。

表1 MAX4534和MAX4518真值表

2.2 故障保護電路

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)具備故障保護電路，MAX4534最大允許輸入電壓為40 V，供電電壓為±5 V，因此其輸入端的最大輸入電壓應(yīng)為35 V，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具有故障保護功能，當輸入電壓過高時MAX4534會工作在掉電模式，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，當有過高電壓輸入時，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)動放大器

主放大器電路由寬帶運算放大器EL5160、四選一多路復用器MAX4518以及外圍電路構(gòu)成[5]。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2×、4×或8×的放大，該方案中手持示波表垂直靈敏度檔位逢 5（5 mV/div、50 mV/div等檔位）提供 8×放大，垂直靈敏度檔位逢 1（10 mV/div、1 000 mV/div 等檔位）提供 4×放大，逢 2（20 mV/div、200 mV/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。當選擇100 mV/div擋時，CPU向A0、A1端口寫入01，此時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，此時主放大器輸入端輸入的電壓Uin1與輸出電壓Uo1之間的關(guān)系為：

同理，當A0、A1端口的控制字為 00或10時，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，此時主放大器的增益分別為8Uo或2Uo。

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1 Vp-p，因此主放大器后是由寬帶運放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[6]。

3 結(jié)束語

采用該電路設(shè)計的手持示波表樣機在測試中各個檔位垂直測量誤差均小于1%，該系統(tǒng)設(shè)計由于采用高速、低功耗運算放大器，因此只要選擇合適的耦合電容以及合理的PCB板圖設(shè)計就可使該手持示波表的帶寬達到100 MHz。

[1]胡斌強，蘇紹螺，王躍科.手持寬帶數(shù)字存儲示波器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2006（10）：23-25.

[2]MAXIM.MAX4534 Datasheet[EB/OL].[2009-12-29].http：//dat asheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX4534-MAX4535.pdf.

[3]MAXIM.MAX4518 Datasheet[EB/OL].[2009-12-29].http：//dat asheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX4518-MAX4519.pdf.

[4]MAXIM.MAX4012 Datasheet[EB/OL].[2009-12-29].http：//dat asheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX4012-MAX4020.pdf.

[5]Intersil Products.EL5160 datasheet[EB/OL].（2007-07）[2009-12-29].http：//www.intersil.com/data/fn/fn7387.pdf.

[6]楊栓科.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) [M].北京：高等教育出版社，2003.