１００ｍｈｚ虛擬示波器硬件電路關(guān)鍵

1、虛擬示波器硬件電路關(guān)鍵    摘 要：在介紹虛擬示波器硬件電路組成的基礎(chǔ)上，對虛擬示波器硬件電路中信號調(diào)理電路的直流漂移抑制和觸發(fā)電路進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，提出了關(guān)于直流漂移的解決方法，給出了調(diào)理電路的設(shè)計，同時介紹了電路中的等效采樣和總線接口設(shè)計中應(yīng)注意的的問題。以上這些對虛擬示波器的硬件設(shè)計具有指導(dǎo)意義。? 關(guān)鍵詞：直流漂移的抑制；脈沖寬度觸發(fā)；視頻觸發(fā)? 示波器是電子測量中的最基礎(chǔ)、最常用的測試儀表，虛擬示波器是示波器測量技術(shù)中的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。虛擬示波器的設(shè)計涉及電子測量、信號處理和計算機(jī)技術(shù)等多方面的內(nèi)容，其中硬件電路是完成整個示波器功能的基礎(chǔ)，

2、同時也是決定虛擬示波器性能的關(guān)鍵所在。要設(shè)計出性能優(yōu)越的的硬件電路就必須對其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究。? 本文在對100mhz虛擬示波器總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了直流漂移的抑制、等效采樣、觸發(fā)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(diào)理電路、觸發(fā)電路、ad轉(zhuǎn)換器、存儲電路、總線接口電路、控制電路構(gòu)成。信號調(diào)理電路是將輸入信號調(diào)理到ad變換器的輸入范圍，從而擴(kuò)大輸入信號范圍，且對直流漂移的抑制主要由信號調(diào)理電路完成。? 直流漂移的抑制方法很多，如采用高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源、使用經(jīng)過老化的實(shí)驗(yàn)元件、使用反饋及溫度補(bǔ)償、用差分放大電路、運(yùn)用

3、斬波技術(shù)、自動調(diào)零技術(shù)、參數(shù)補(bǔ)償?shù)?。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(diào)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(diǎn)是可對0至150mhz的信號進(jìn)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

4、移。? 數(shù)控衰減器可用x9c102來實(shí)現(xiàn)。衰減電路可用數(shù)控電位器x9c102實(shí)現(xiàn)，x9c102是一種高可靠性的數(shù)控電位器，含有99個帶溫度償?shù)淖杩箚卧?，其電阻陣列的總電?k，5v供電超低功耗，工作電流最大為3ma，待機(jī)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(guān)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，其游標(biāo)抽頭節(jié)點(diǎn)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(biāo)抽頭節(jié)點(diǎn)位置值。很適合用于控制、參數(shù)調(diào)整和信號處理的應(yīng)用場合。對x9c102數(shù)控電位器進(jìn)行操作時，cs、/ud和inc三線輸入控制游標(biāo)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

5、移游標(biāo)抽頭，則/ud應(yīng)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(biāo)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(biāo)抽頭，則/ud應(yīng)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(biāo)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(diào)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(diào)整是通過對衰減器和主放大器系數(shù)進(jìn)行調(diào)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

6、倍數(shù)，從而使信號剛好進(jìn)入ad變換器的范圍。下圖是調(diào)理電路的工作流程圖。? 圖3 信號調(diào)理電路圖 在調(diào)整電路工作的過程中，每次調(diào)整衰減系數(shù)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(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)后的信號幅度超過了d的最大輸入值；幅度過小是指調(diào)節(jié)后的信號幅度低于一定的ad輸入電壓。? 2 觸發(fā)電路設(shè)計? 觸發(fā)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(fā)可分為內(nèi)觸發(fā)與外觸發(fā)。一般示波器的內(nèi)觸發(fā)

7、類型有邊沿觸發(fā)、脈寬觸發(fā)及視頻觸發(fā)等。下面分別介紹。? 邊沿觸發(fā)可由比較器來實(shí)現(xiàn)，將調(diào)理好的信號接入比較器的一端，另一端接參考電平。當(dāng)輸入信號比參考電平高時，比較器將輸出高電平，當(dāng)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(fā)，則脈沖的上升沿將是信號的觸發(fā)點(diǎn)。? 脈寬觸發(fā)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(xiàn)的與規(guī)定時間寬度不符的異常信號。這里只設(shè)計脈寬在33ns到500ns的脈寬觸發(fā)，更寬的脈沖寬度觸發(fā)可在軟件中實(shí)現(xiàn)。脈沖寬度觸發(fā)電路可通過積分電路、放電電路及放大電路來實(shí)現(xiàn)。積分電路的作用是將要測量的時間變成

8、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(xù)測量。放大電路的作用是將對積分出的電壓進(jìn)行放大與縮小，便于后面的電路使用。? 視頻觸發(fā)是對視頻信號而進(jìn)行的觸發(fā)，可借助于芯片lm1881來實(shí)現(xiàn)。視頻觸發(fā)中單行觸發(fā)電路圖如圖4所示。? 圖4 視頻單行觸發(fā)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(fù)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(shù)電路）。在上圖中用到的有復(fù)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(shù)器，由計數(shù)器的bor

9、row引腳形成觸發(fā)脈沖。? 視頻觸發(fā)中多行及場觸發(fā)電路要更復(fù)雜一些，可用cpld實(shí)現(xiàn)。? 外觸發(fā)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(shù)關(guān)系。其實(shí)現(xiàn)可與內(nèi)觸發(fā)中的邊緣觸發(fā)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(shí)現(xiàn)的，2mhz以下的電路用實(shí)時采樣來實(shí)現(xiàn)。等效采樣可分為隨機(jī)等效采樣和順序等效采樣。在本設(shè)計中，用隨機(jī)等效采樣來實(shí)現(xiàn)。因此，等效采樣的實(shí)現(xiàn)有兩個關(guān)鍵問題，一是要知道是否需要用隨機(jī)等效采樣，即關(guān)于頻率測量的問題；二是時間間隔測量問題，由于觸發(fā)信號與取樣時鐘是不同步的，他們之間無固定的時間關(guān)系，故觸發(fā)信號與下一個取

10、樣時鐘間的時間間隔是隨機(jī)的，其值在0到一個取樣周期內(nèi)變化。? 關(guān)于頻率的測量可以根據(jù)整形電路的輸出通過計數(shù)的辦法來實(shí)現(xiàn)。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(shù)據(jù)傳輸和控制是實(shí)現(xiàn)測量功能的重要環(huán)節(jié)，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(jī)箱中，避免了電磁環(huán)境的干擾。? 在硬件電路中，選擇cypress半導(dǎo)體公司的cy7c68013來完成usb傳輸?shù)娜蝿?wù)。它是cypress公司新一代高速產(chǎn)品。? 4 小結(jié)? 虛擬示波器是計算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，而硬件電路是實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)，因此硬件電路的設(shè)計是比較重要的，本文簡單介紹了硬件電路的組成，重點(diǎn)介紹了抑制直流漂移的調(diào)理電路的設(shè)計和觸發(fā)電路的設(shè)計，對虛擬示波器的設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。? 參考文獻(xiàn)? 1?analog devices ad8330，2000，（3）.? 2?邱傳飛.基于sopc的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)