示波器通道擴(kuò)展器的研究

于洪基+楊潤(rùn)耀+李喜樂(lè)

摘要：根據(jù)被測(cè)信號(hào)疊加不同直流量來(lái)產(chǎn)生不同偏移量，從而使被測(cè)信號(hào)顯示在示波器顯示屏的不同位置的基本原理，利用十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS161以及模擬開(kāi)關(guān)74HC4052等完成了示波器的通道擴(kuò)展，使一路通道（CH1或CH2）可同時(shí)顯示四路被測(cè)信號(hào)波形。

關(guān)鍵詞：示波器；通道擴(kuò)展；直流偏移量；計(jì)數(shù)器；模擬開(kāi)關(guān)

示波器通道擴(kuò)展器，顧名思義，是一個(gè)能使普通雙蹤示波器的一個(gè)通道（CH1或CH2通道）同時(shí)顯示出多路信號(hào)（模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)）的擴(kuò)展器。示波器作為顯示被測(cè)信號(hào)波形的基本儀器，其用途之廣、作用之大，可想而知；但實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有示波器一般只有兩路通道，就使得同時(shí)觀測(cè)、對(duì)比多路波形出現(xiàn)困難，故本文提出一種通道擴(kuò)展的方法。

本文以同時(shí)顯示四路信號(hào)為基礎(chǔ)進(jìn)行說(shuō)明?；竟δ転椋猴@示四路低頻（Hz~KHz）模擬信號(hào)，且信號(hào)峰峰值小于5V；同時(shí)也可顯示四路低頻（Hz~KHz）數(shù)字信號(hào)，能產(chǎn)生字觸發(fā)信號(hào)，作為示波器外接觸發(fā)源；具有自檢功能（用74161產(chǎn)生四路數(shù)字信號(hào)，作為被測(cè)電路）；可調(diào)節(jié)波形在示波器顯示屏上的上下位移。

其工作原理為：被測(cè)信號(hào)疊加不同的直流量可以產(chǎn)生不同偏移量，從而顯示在示波器顯示屏的不同位置。被測(cè)信號(hào)和直流量由模擬開(kāi)關(guān)輸入，根據(jù)其地址選擇分別在X端口和Y端口輸出階梯波和被測(cè)信號(hào)。模擬開(kāi)關(guān)選用74HC4052，因其速度較快。

第一部分為時(shí)鐘產(chǎn)生電路，為十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS161提供時(shí)鐘信號(hào)。也可以采用NE555設(shè)計(jì)出多諧振蕩電路或直接用晶振（1M）產(chǎn)生脈沖信號(hào)，但在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，雖然晶振可以提高輸入頻率，但由于電路中各種芯片的頻率限制，使得輸出波形失真嚴(yán)重且不穩(wěn)定，故輸入頻率不可太高，因此采用555的多諧振蕩電路來(lái)產(chǎn)生脈沖信號(hào)比較穩(wěn)定。

第二部分為地址信號(hào)產(chǎn)生電路，由74LS161構(gòu)成，由于74LS161可以通過(guò)四位二進(jìn)制輸出來(lái)計(jì)時(shí)鐘沿的個(gè)數(shù)，就利用其兩位輸出Q1、Q0作為多路模擬開(kāi)關(guān)74HC4052的地址。

第三部分為模擬開(kāi)關(guān)電路。74HC4052為雙回路模擬開(kāi)關(guān)芯片。在該芯片的封裝中，一路為直流通道，另一路為信號(hào)通道。將直流輸入設(shè)計(jì)為由2K、1K、1K、1K組成的權(quán)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，分別取出3V、2V、1V、0V的直流電壓，作為輸入信號(hào)所要疊加的直流分量。另一路信號(hào)通道的輸入則接被測(cè)信號(hào)，包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，通過(guò)地址信號(hào)Q1、Q0對(duì)兩回路信號(hào)同步地進(jìn)行選通。

第四部分主要實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)衰減分分檔功能，由LF356實(shí)現(xiàn)。被測(cè)信號(hào)經(jīng)74HC4052的信號(hào)選通后由LF356進(jìn)行放大或衰減處理，通過(guò)改變反饋電阻10K、10K、39K、62K、62K對(duì)其進(jìn)行放大或衰減。改變反饋電阻的方式為用四路波段開(kāi)關(guān)分別選擇，以實(shí)現(xiàn)不同增益的控制。

第五部分是由LF356構(gòu)成反相加法器電路，將放大或衰減后的被測(cè)信號(hào)與不同的直流量疊加，產(chǎn)生不同的偏移量，使被測(cè)信號(hào)顯示在示波器顯示屏的不同位置，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)通道顯示四路信號(hào)。

對(duì)于自檢功能，通過(guò)增加一片74LS161，其四位輸出作為被測(cè)信號(hào)。將第一片計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)與其連接，從而降低輸入四路數(shù)字信號(hào)的頻率，保證四路信號(hào)清晰不重疊地顯示在示波器上。

以上的設(shè)計(jì)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能，為了能隨意調(diào)節(jié)被測(cè)信號(hào)的偏移量，反映到波形顯示上，即可調(diào)節(jié)波形在示波器顯示屏上的上下位移，有兩個(gè)方案可以實(shí)現(xiàn)：

一是在權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)處連接兩個(gè)LF356，構(gòu)成兩個(gè)反相比例電路，調(diào)節(jié)電位器可改變直流分量大小。具體做法為：在74HC4052直流輸入端經(jīng)過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)分別取出3V、2V、1V、0V的直流電壓后，在3V、2V、1V、0V電壓結(jié)點(diǎn)處分別連接兩個(gè)LF356，第一個(gè)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)電壓的放大和衰減，但由于是反相比例，經(jīng)過(guò)第一個(gè)運(yùn)放后，電壓被反相輸出，因此，第二個(gè)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)電壓再反相，即恢復(fù)到原來(lái)的電壓方向。這樣就實(shí)現(xiàn)了所要疊加直流分量的放大和衰減。

二是將權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻換為電位器，將電位器的中間引腳電壓作為模擬開(kāi)關(guān)直流輸入量。引出中間引腳可以使總電阻不變，改變對(duì)應(yīng)電位器阻值，可調(diào)節(jié)輸入直流量，從而實(shí)現(xiàn)波形的上下位移。

對(duì)比兩個(gè)方案，可發(fā)現(xiàn)：方案一較方案二來(lái)說(shuō)，所用元器件較多，但可調(diào)范圍大，應(yīng)用性好；方案二電路簡(jiǎn)單，所用元器件少，但根據(jù)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)分壓特性可知，該方案位移調(diào)節(jié)范圍窄，在實(shí)際應(yīng)用中不方便，有很大局限性。故采用可調(diào)范圍更大的方案一。

綜上所述，該“示波器通道擴(kuò)展器”由單路直流電源供電，功能上可實(shí)現(xiàn)一個(gè)通道清晰不重疊地顯示四路低頻（Hz~KHz）信號(hào)波形（數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)），并且具有自檢功能；具有模擬信號(hào)放大衰減分檔功能，防止信號(hào)失真；同時(shí)，還可以分別調(diào)節(jié)四路信號(hào)波形的上下位移。本設(shè)計(jì)實(shí)用性高，成本較低，可作為示波器通道擴(kuò)展研究的基本模塊。

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