手持數字存儲示波表模擬信號調理電路的設計

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域最常用儀器，由于數字存儲示波器在數據處理、波形數據保持和存儲以及能耗等方面的優(yōu)勢，已經取代了傳統(tǒng)模擬示波器，成為示波器市場上的主流產品。其中手持式數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理電路關系到示波表帶寬和垂直測量精度[1]，示波表的關鍵電路單元，這里提出一種手持示波表前端模擬信號調理電路設計方案。

1 系統(tǒng)硬件總體結構

手持數字示波表總體硬件結構如圖1所示，其主要由前端模擬信號調理電路、高速A/D轉換與存儲電路、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)硬件設計結構框圖

手持數字存儲示波表的工作原理：由外部輸入的模擬信號經前端信號調理電路調整后送入高速A/D轉換器轉換為數字信號，高速存儲電路再對A/D轉換器輸出的數字信號進行緩存，A/D轉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將要顯示的波形數據送往LCD顯示屏，將需要保存的波形數據寫入非易失存儲器。數字信號處理器DSP能夠對波形數據進行各種分析處理。這其中前端信號調理電路可使經過調理后的信號峰峰值和偏置電壓都滿足A/D轉換器的輸入要求，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理電路還應提供高輸入阻抗、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，電路設計時應采用低功耗器件。

示波表模擬信號調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是手持數字示波表模擬信號調理電路的原理框圖，該電路主要由無源衰減網絡、故障保護電路、寬帶可程控放大器以及A/D轉換驅動放大器組成。

圖2 手持示波表模擬信號調理電路原理框圖

由于示波表的測量范圍是有限的，并使用A/D轉換器，而A/D轉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轉換器采樣之前，要經衰減或放大。這里無源衰減網絡提供÷1、÷10、÷100、÷1 000 等 4 個衰減比，通過示波表主CPU控制電子開關根據不同的垂直靈敏度檔位進行選擇，將信號調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，同樣通過示波表主CPU控制電子開關根據不同的靈敏度檔位進行選擇，經過調理后的信號送入A/D轉換驅動放大器產生適合A/D轉換器輸入端所需的合適電平。

2 示波表模擬信號調理電路設計

圖3給出手持數字示波表模擬信號調理部分設計電路。

圖3 手持數字示波表模擬信號調理部分設計電路

2.1 無源衰減網絡

無源衰減網絡由R1～R7組成，提供1 MΩ的輸入阻抗，開關SW1為AC/DC信號耦合開關，電容C2～C6為高頻補償電容，通過調節(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，輸入信號衰減倍數的設置由多路復用器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根據不同的垂直靈敏度檔位設置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理電路應具備故障保護電路，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絡中無源器件以及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轉換驅動放大器

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。主放大器根據不同的垂直靈敏度檔位對衰減網絡送過來的信號提供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根據不同的垂直靈敏度檔位設置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。

信號經主放大器放大后，仍不能滿足A/D轉換器輸入端要求，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及其外圍電路構成的差分輸入比例電路，A/D轉換器的輸入端信號要求輸入的信號應當具有低失調電壓、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。經過A/D轉換驅動放大器后的信號能夠滿足A/D轉換器的輸入端的要求，在A/D轉換驅動放大器后，模擬信號送入A/D轉換器的輸入端并將其轉為數字信號[6]。

3 結束語

采用該電路設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.手持寬帶數字存儲示波器的設計與實現[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.模擬電子技術基礎 [M].北京：高等教育出版社，2003.