魏坤示波器原理

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1、 电路才是“硬”道理 硬件电路简述 通过我的“蛊惑” ，想必大家都想自制一台示波器玩玩，那就继续跟着我走吧！ 所有的电子设备都离不开硬件，首先让我来对它的硬件结构进行一下简述： 总体电路如系统框图所示（图 1） ，前面已讲过，为了提高性能本电路采用“双核”结 构，两片 AVR 单片机协同工作，MCU1 用于控制和频率测量，MCU2 用于数据处理和显示 控制，两片单片机采用 SPI 总线通信。 信号从探头输入，进入程控放大（衰减）电路进行放大（衰减） ，再对被放大（衰 减） 的信号进行电平调整后送入高速 AD 转换器对信号进行采样， 采样所得的数据存入 FIFO 存储器中，当 FIFO 存满后通

2、知 MCU2，MCU2 从 FIFO 存储器中读出数据进行处理，将波 形显示在 LCD 模块上。 时钟电路为高速 AD 转换器和 FIFO 存储器提供从 600Hz60MHz 的 8 种不同的频率信号作为不同水平扫速时的采样时钟频率。 从程控放大器输出的信号一路送 入 AD 转换器，另一路送入整形电路对输入信号进行整形，作为测频率的待测信号送入 MCU1 的 16 位计数器外部触发引脚 T1（PD5） ，进行频率测量，程控放大器的放大（衰减） 倍数和时钟电路的输出频率均由 MCU1 控制。MCU1 将被测信号的频率、程控放大器的放 大倍数和时钟电路的输出频率等数据通过 SPI 总线发送给 MC

3、U2， MCU2 以这些数据作为频 率、水平扫速、灵敏度和峰峰值计算、显示的依据。 X10/X1 探头 程控衰减放大器 MCU1 Mega8-16 FIFO存 储器 320*240 LCD 高速 AD转换 时钟电路 MCU2 Mega32-16 整形电路 SPI 按键 图 1：系统框图 下面就各个模块电路做以简单介绍。 1.程控放大电路和电源电路：程控放大电路和电源电路： 将程控放大电路与电源电路放在一块讲，是因为他们不仅有着密切的联系，而且还是 做在一块电路板上的。 程控放大器的作用是对输入信号进行衰减或放大调整， 使输出信号电压在 AD 转换器输 入电压要求范围内， 达到最好的测量与观察效

4、果， 所以程控放大器电路在规定带宽内的增益 一定要平坦，故对运算放大器的要求比较高，在本电路中我选用的是 NSC 公司生产的高速 运算放大器 LM6172 双运放， 带宽为 100MHz， 转换速率 3000v/s,每通道消耗电流 2.3mA， 输出电流可达 50mA，完全满足本电路的要求，选择该芯片的另一个原因是价格，邮购价格 为 8 元一片，相比 ADI,MAX 等公司几十元一片的高速运放芯片来说算是很廉价了，电源采 用正负双电源供电，由于整个电路总的电源输入为单 8v，所以专门用一片 dc/dc 电路 MC34063 为其构成了负压转换器再经稳压得到-5v 电压，+5v 通过对输入电压稳

5、压得到。 程控放大器电路如图 1 所示， 被测信号从 BNC 插孔输入， S0 继电器决定输入耦合方式， S0 吸合为直流偶和方式，S0 断开为交流耦合方式。信号通过交直流耦合选择开关后被送入 由 R3R5 和 C2C4 组成的 X0.5/ X0.05 的衰减电路，衰减倍数由 S1 控制，当 S1 未吸合时 09-01-07, 21:46 接在“0”端，对应的衰减被数为 45 345 0.5 RR RRR + = + ，当 S1 吸合时接在“1”端，对应的 8 1 4 3 2 1 U1A LM6172IN 84 7 5 6 2 U1B LM6172IN 300 R7500K R3 *0.5 B

6、NC 2 3 1 S0 DC 100K R2 AC 3.3uF C1 450K R4 *0.05 50K R5 560pF C2 560pF C3 270pF C4 2 3 1 S1 300 R6 1.2K R8*4 240 R9 *0.8 360 R10 *2 2 3 1 S3 2 3 1 S2 8 1 4 3 2 1 U2A LM6172IN 450 R12 *10 50 R11 *1 2 3 1 S4 84 7 5 6 2 U2B LM6172IN 1K R13 1K R15 50R18 1K R14 8 1 4 3 2 1 U3ANE5532AJG 10K R16 10K R17 +5

7、V To ADC B1 1 B2 2 B3 3 B4 4 B5 5 B6 6 B7 7 C1 16 C3 14 C4 13 C5 12 C6 11 C7 10 C2 15 COM 9 E 8 U4 ULN2003AD K0K1K2K3K4 100uF C6 +5V S1 S2 S3 S4 S0 10K Rw1 1uF C5 -5V T1 图 1：.程控放大器电路 衰减被数为 5 345 0.05 R RRR = + ，C2、C3 对高频信号进行补偿。经过衰减的信号进入由高 速运算放大器 U1A 组成的缓冲器缓冲， 然后被送入由 U1B 组成的 X-0.8/ X-2/ X-4 的反相放 大电路，

8、 放大倍数由S2和S3控制， 当S2、 S3均未吸合时对应的放大倍数为 910 7 2 RR R + = ， 当 S2 吸合 S3 未吸合对应的放大倍数为 9 7 0.8 R R = ，当 S3 吸合则不用考虑 S2 的情况，但 为降低功耗使 S2 断开， 此时对应的放大倍数为 8 7 4 R R = 。 输出信号又通过 S4 选择是否经 由 U2A 组成的同相放大器放大，当 S4 未吸合，则不经过同相放大，当 S4 吸合，则信号被 放大 1112 11 10 RR R + =倍， 最后信号被送入由 U2B 组成的放大倍数为-1 倍的反相放大器来消掉 由第一级反相放大器所带来的负号， 与此同时

9、 U3A 送来的反相基线电压由 U2B 反相后作为 AD 转换器的输入中点电压被叠加在被测信号上被送入 AD 转换器，因为 ADS830E 的模拟 09-01-07, 21:46 输入电压范围是 1.5V3.5V，输入中点电压为 2.5V，所以基线电压应为 2.5V。调节可变电 位器 Rw1 将调整基线电压的值，从而调整基线的位置。程控放大电路的放大倍数以及垂直 电压灵敏度与 S1S4 的关系见表 1： 表 1：程控放大电路的放大倍数 放大倍数 灵敏度 S1 S2 S3 S4 0.04 5V H H L L 0.1 2V H L L L 0.2 1V H L H L 0.4 0.5V L H

10、L L 1 0.2V L L L L 2 0.1V L L H L 4 50mV L H L H 10 20mV L L L H 20 10mV L L H H “L”代表继电器未吸合， “H”代表继电器吸合，确定继电器的常闭触点和常开触点很 重要，因为继电器的吸合需要消耗一定电流，我选用的继电器型号为 TO2-5V，吸合电流为 15mA。在常用的 3 个灵敏度上（0.5V/div，0.2V/div，0.1V/div）最多只有一个继电器吸合， 继电器的驱动由 ULN2003 担任。这种由运算放大器构成组合程控放大器的思想也可用于别 的放大电路， 平时多总结积累电路模型对提高电路设计能力非常有帮

11、助， 这个电路你记下了 吗？ SW COLL 1 SW EM 2 TIM CAP 3 GND 4 IN- 5 VCC 6 IPK 7 DRV COLL 8 U20 MC34063AD L3 100uH L4 100uH L5 100uH D1 ISS14 1K R33 1 R32 220uF C51 0.01uF C52 IN 3 1 OUT 2 ADJ U19 LM317T IN 2 1 OUT 3 ADJ U21 LM337T 220uF C53 0.01uF C54 10K Rw3 470p C50 220uF C55 0.01uF C56 -5V 220uF C48 0.01uF C4

12、9 1K R29 220uF C44 0.01uF C45 1K Rw2 220uF C46 0.01uF C47 +5V Analog Power Analog Power IN 1 2 OUT 3 GND U18 LM7805CT 100uF C40 0.01uF C41 L6 100uH 100uF C42 0.01uF C43 +5V Digital Power 470uF C380.01uF C39 +8V 6.8K R30 1KR31 图 2：电源电路 09-01-07, 21:46 电源电路为整个示波器提供能源，作用非常重要！电路见图 2 所示。 该示波器电路中供电分为数字和模拟

13、两部分。 为避免相互干扰， 所以将数字部分的供电 与模拟部分的供电分开，分别用独立的稳压电路，并用电感与电容做成的滤波器隔离。数字 部分需要单+5V 电源，由一片 LM7805 对 8V 电源电压稳压得到。模拟部分主要是程控放大器 电路和 AD 转换器的模拟输入电路，程控放大器电路需要5V 双电源，AD 转换电路的模拟 部分需要+5V 的单电源，+5V 电压由 LM317T 对 8V 电源电压稳压得到，而-5V 电压专门用一 片 DC/DC 芯片 MC34063 将+8V 转换成约-8.3V，DC/DC 输出电压由 R30 和 R31 决定， 3031 31 1.258.25 OUT RR V

14、VV R + = = 3031 31 1.258.25 OUT RR VV R V + = = ， 输出的负电压 由负压稳压芯片 LM337 稳压得到-5V，为避免 DC/DC 电路对其他电路产生干扰，在其输入和 输出端分别串联 L4 和 L5 进行隔离， 在选择元件时蓄能电感 L3 选择磁罐封装带屏蔽的电感， 使干扰降到最低。 2. 高速高速 AD 转换与转换与 FIFO 存储电路存储电路 数字示波器中最重要的电路是 AD 转换电路， 它的作用是将被测信号采样并转换成数字 信号存入存储器， 说它是数字示波器的咽喉一点也不为过， 因为它直接决定着数字示波器所 能测量的最高频率， 根据乃奎斯特定

15、理， 采样频率至少是被测信号最高频率的 2 倍才能复现 出被测信号。 而在数字示波器中采样频率至少应该是被测信号频率的 58 倍才行， 否则根本 观察不到信号的波形。在本电路中我选用的 AD 转换芯片为 BB 公司的 8 位高速 AD 转换器 ADS830E,官方资料给出的采样频率为 10kSa/s60MSa/s, 通过实验发现转换速率在 1K 以下 工作也很正常，所以本示波器的最低采样频率为 600Sa/s，要说明的一点是高速 AD 转换器 一般都有高低端转换速率的限制，比如 TLC5540，8 位 AD 转换器，转换速率为 5MSa/s40MSa/s， 我试过当转换频率降到 2M 以下时就

16、不能正常工作， 所以选择 AD 转换芯 片时不仅要注意最高转换速率还要关注最低转换速率， 否则可能导致电路无法正常工作。 有 朋友也许会问 8 位转换精度会不会有点太低？其实 8 位转换器对于示波器来说是够用的， 就 拿这个电路来说，我选用的 LCD 显示模块的分辨率为 320*240，垂直分辨率为 240 格，而 8 为转换精度的分辨率为 256 格，比显示器的分辨率还高，所以绝对够用。还有就是价格及电 路的设计，在最高采样率相同的情况下 10 位 AD 转换芯片的价格是 8 位 AD 转换芯片的几 倍，而且位数的增加也使电路的复杂程度大大增加，将直接影响处理速度，导致屏幕刷新过 慢， 反而影响性能。 所以本着够用的原则本示波器选用 60M 的 8 位 AD 转换芯片 ADS830E。 引脚排列见图 6。 GND 18 GND 1 D0 9 D1 8 D2 7 D3 6 D4 5 D5 4