１００ＭＨｚ虛擬示波器硬件電路關鍵技術研究

摘 要：在介紹虛擬示波器硬件電路組成的基礎上，對虛擬示波器硬件電路中信號調理電路的直流漂移抑制和觸發電路進行了重點介紹，提出了關于直流漂移的解決方法，給出了調理電路的設計，同時介紹了電路中的等效采樣和總線接口設計中應注意的的問題。以上這些對虛擬示波器的硬件設計具有指導意義。

關鍵詞：直流漂移的抑制；脈沖寬度觸發；視頻觸發

中圖分類號：TP202文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）04-0255-02

示波器是電子測量中的最基礎、最常用的測試儀表，虛擬示波器是示波器測量技術中的研究熱點和發展方向。虛擬示波器的設計涉及電子測量、信號處理和計算機技術等多方面的內容，其中硬件電路是完成整個示波器功能的基礎，同時也是決定虛擬示波器性能的關鍵所在。要設計出性能優越的的硬件電路就必須對其中的關鍵技術進行深入研究。

本文在對100MHz虛擬示波器總體設計的基礎上，重點研究了直流漂移的抑制、等效采樣、觸發電路、總線接口電路等。

1 直流漂移的抑制

虛擬示波器硬件電路組成圖如圖1 所示。硬件部分主要由信號調理電路、觸發電路、AD轉換器、存儲電路、總線接口電路、控制電路構成。信號調理電路是將輸入信號調理到AD變換器的輸入范圍，從而擴大輸入信號范圍，且對直流漂移的抑制主要由信號調理電路完成。

直流漂移的抑制方法很多，如采用高質量的穩壓電源、使用經過老化的實驗元件、使用反饋及溫度補償、用差分放大電路、運用斬波技術、自動調零技術、參數補償等。本文采用的是差分電路的方法來抑制直流漂移。

圖1 虛擬示波器硬件電路組成圖

信號調理由信號衰減電路、電壓跟隨電路、前置放大電路、主放大電路組成。對于直流漂移有抑制作用的部分有衰減電路、前置放大器與主放大器兩個部分，起主要作用的部分是前置放大器和主放大器，這兩個部分均采用模擬公司的AD8330放大器來完成。此放大器的特點是可對0至150MHz的信號進行可編程放大，具有低噪聲，低失真特性。一個AD8330用作前置放大器，另一個用作主放大器。用前置放大器的目的是將輸入信號中的漂移均勻分到輸出腳上，從而使主放上的輸入信號漂移一致，從而利用主放大器差分放大消除直流漂移。

數控衰減器可用X9C102來實現。衰減電路可用數控電位器X9C102實現，X9C102是一種高可靠性的數控電位器，含有99個帶溫度償的阻抗單元，其電阻陣列的總電阻1KΩ，5V供電超低功耗，工作電流最大為3mA，待機電流最大為500uA。電位器是通過由99個阻抗單元組成的電阻陣列和抽頭開關網絡實現的，其游標抽頭節點位置通過CS、/UD和INC三線接口來控制，且保存在非易失存儲器中，上電時喚醒此保存的游標抽頭節點位置值。很適合用于控制、參數調整和信號處理的應用場合。對X9C102數控電位器進行操作時，CS、/UD和INC三線輸入控制游標抽頭在阻抗陣列中的移動。首先將片選信號CS置低，若需要上移游標抽頭，則/UD應置為高電平，每次INC輸入一個由高到低跳變的下降沿，則游標抽頭向上移一級，直至最大值時100%的信號通過電位器，即此時不衰減。若需要下移游標抽頭，則/UD應置為低電平，每次INC輸入一個由高到低跳變的下降沿，則游標抽頭向下移一級，直至最小值時沒有信號通過電位器，即此時全部被衰減。 

圖2 信號調理電路圖

在衰減電路的后面緊跟的是電壓跟隨器，電壓跟隨器起到隔離的作用，使輸入信號不受后面電路的影響。

對信號的調整是通過對衰減器和主放大器系數進行調整決定的，因此整個硬件中還要有個測幅電路與之相配合。

電路中的測幅電路沒有畫出，測幅的目的是通過測量幅度來控制衰減器和放大器的倍數，從而使信號剛好進入AD變換器的范圍。下圖是調理電路的工作流程圖。

圖3 信號調理電路圖

在調整電路工作的過程中，每次調整衰減系數都要記錄衰減位置，以便于以后計算信號幅度。對衰減與放大系數進行調節，頻率不要太慢或太快，大約在幾千赫茲就可以。流程圖中的的幅度適中是指調節后的信號幅度剛好是AD的最大輸入值或略小于其最大輸入值；幅度過大是指調節后的信號幅度超過了ＡD的最大輸入值；幅度過小是指調節后的信號幅度低于一定的AD輸入電壓。

2 觸發電路設計

觸發電路在虛擬示波器中的作用很重要，是保證信號顯示的重要部分，是決定信號捕捉能力的重要方面。示波器的觸發可分為內觸發與外觸發。一般示波器的內觸發類型有邊沿觸發、脈寬觸發及視頻觸發等。下面分別介紹。

邊沿觸發可由比較器來實現，將調理好的信號接入比較器的一端，另一端接參考電平。當輸入信號比參考電平高時，比較器將輸出高電平，當輸入電平為低時，比較器將輸出低電平。由于測量的信號基本是周期信號，因此比較器將輸出一串脈沖。如果選的是上升沿觸發，則脈沖的上升沿將是信號的觸發點。

脈寬觸發是用來捕捉脈沖序列中某一時間寬度特性碼，或周期信號中出現的與規定時間寬度不符的異常信號。這里只設計脈寬在33ns到500ns的脈寬觸發，更寬的脈沖寬度觸發可在軟件中實現。脈沖寬度觸發電路可通過積分電路、放電電路及放大電路來實現。積分電路的作用是將要測量的時間變成電壓量，以便于測量，而放電電路的作用是將電放掉，以便以后繼續測量。放大電路的作用是將對積分出的電壓進行放大與縮小，便于后面的電路使用。

視頻觸發是對視頻信號而進行的觸發，可借助于芯片LM1881來實現。視頻觸發中單行觸發電路圖如圖4所示。

圖4 視頻單行觸發電路

LM1881可以提取出視頻信號的同步信號，從而可以利用同步信號將視頻信號提取出。LM1881共可以提取出4種視頻信號，有復合同步信號、垂直同步信號、奇偶場信號等。圖中的芯片除了LM1881外，還用了三片MM74C193N（計數電路）。在上圖中用到的有復合同步信號和垂直同步信號，垂直同步信號用于初始該電路中的計數器，由計數器的BORROW引腳形成觸發脈沖。

視頻觸發中多行及場觸發電路要更復雜一些，可用CPLD實現。

外觸發是利用非測量信號來工作的，一般來說此信號與被測信號周期有倍數關系。其實現可與內觸發中的邊緣觸發共用一個通道。

3 等效采樣電路及總線接口電路

等效采樣電路是針對2MHz到100MHz信號實現的，2MHz以下的電路用實時采樣來實現。等效采樣可分為隨機等效采樣和順序等效采樣。在本設計中，用隨機等效采樣來實現。因此，等效采樣的實現有兩個關鍵問題，一是要知道是否需要用隨機等效采樣，即關于頻率測量的問題；二是時間間隔測量問題，由于觸發信號與取樣時鐘是不同步的，他們之間無固定的時間關系，故觸發信號與下一個取樣時鐘間的時間間隔是隨機的，其值在0到一個取樣周期內變化。

關于頻率的測量可以根據整形電路的輸出通過計數的辦法來實現。對于時間間隔測量問題，采用雙斜率電容充放電電路的方法來測量。由于這方面的資料較多，這里不再討論。

虛擬示波器中，硬件與軟件的數據傳輸和控制是實現測量功能的重要環節，選用USB2.0作為傳輸總線。USB2.0最高速度為480Mb/s，即插即用，十分方便，不需要插入機箱中，避免了電磁環境的干擾。

在硬件電路中，選擇Cypress半導體公司的CY7C68013來完成USB傳輸的任務。它是Cypress公司新一代高速產品。

4 小結

虛擬示波器是計算機技術、儀器技術和通信技術相結合的產物，而硬件電路是實現功能的基礎，因此硬件電路的設計是比較重要的，本文簡單介紹了硬件電路的組成，重點介紹了抑制直流漂移的調理電路的設計和觸發電路的設計，對虛擬示波器的設計有一定的指導意義。

參考文獻

［1］Analog Devices AD8330，2000，（3）.

［2］邱傳飛.基于SOPC的高速數據采集系統的研究與實現［D］.中國人民解放軍理理工大學通信學院學位論文，2007.

［3］National Semiconductor LM1881 vedio sync Separator，1995，（2）.

［4］錢峰.EZ-USB FX2單片機原理、編程及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。