示波器是时域测量领域最常用仪器,由于数字存储示波器在数据处理、波形数据保持和存储以及能耗等方面的优势,已经取代了传统模拟示波器,成为示波器市场上的主流产品。其中手持式数字存储示波表更是以体积小、携带方便、功能丰富、便于野外和现场测试等特点受到广泛欢迎。手持示波表的前端模拟信号调理电路关系到示波表带宽和垂直测量精度,示波表的关键电路单元,这里提出一种手持示波表前端模拟信号调理电路设计方案。
1 系统硬件总体结构
手持数字示波表总体硬件结构如图l所示,其主要由前端模拟信号调理电路、高速A/D转换与存储电路、时基电路、触发电路、取样控制电路、DSP、CPU及其外围电路组成。
手持数字存储示波表的工作原理:由外部输入的模拟信号经前端信号调理电路调整后送入高速A/D转换器转换为数字信号,高速存储电路再对A/D转换器输出的数字信号进行缓存,A/D转换的采集时钟以及高速存储电路的读写受触发电路与时基电路控制,CPU将要显示的波形数据送往LCD显示屏,将需要保存的波形数据写入非易失存储器。数字信号处理器DSP能够对波形数据进行各种分析处理。这其中前端信号调理电路可使经过调理后的信号峰峰值和偏置电压都满足A/D转换器的输入要求,并为了保证示波器输入信号不受示波表内部电路的影响以及为了防止示波表被高电压信号损坏,示波表的前端信号调理电路还应提供高输入阻抗、低输出阻抗以及高频补偿电路和故障保护电路。此外手持式示波表采用电池供电,电路设计时应采用低功耗器件。
示波表模拟信号调理电路具有如下特点:1)垂直灵敏度范围为5 mV/div~5 V/div(
图2是手持数字示波表模拟信号调理电路的原理框图,该电路主要由无源衰减网络、故障保护电路、宽带可程控放大器以及A/D转换驱动放大器组成。
由于示波表的测量范围是有限的,并使用A/D转换器,而A/D转换器的输入信号电压要求是1 Vp-p;其参考电平一般为1.25 V。所以信号被A/D转换器采样之前,要经衰减或放大。这里无源衰减网络提供÷1、÷10、÷100、÷1000等4个衰减比。通过示波表主CPU控制电子开关根据不同的垂直灵敏度档位进行选择,将信号调整到适合电路处理的合适范围,故障保护电路提供过压保护功能,防止输入电压过大时损坏元器件,主放大器提供2×、4×、8×的放大倍数,同样通过示波表主CPU控制电子开关根据不同的灵敏度档位进行选择,经过调理后的信号送入A/D转换驱动放大器产生适合A/D转换器输入端所需的合适电平。
2 示波表模拟信号调理电路设计
图3给出手持数字示波表模拟信号调理部分设计电路。
2.1 无源衰减网络
无源衰减网络由R1~R7组成,提供
而当选择5mV/div档时,CPU通过控制继电器RELAY1吸合,使示波表输入端的信号直接经电阻R8送入主放大器。