１００ＭＨｚ虚拟示波器硬件电路关键技术研究

摘 要：在介绍虚拟示波器硬件电路组成的基础上，对虚拟示波器硬件电路中信号调理电路的直流漂移抑制和触发电路进行了重点介绍，提出了关于直流漂移的解决方法，给出了调理电路的设计，同时介绍了电路中的等效采样和总线接口设计中应注意的的问题。以上这些对虚拟示波器的硬件设计具有指导意义。

关键词：直流漂移的抑制；脉冲宽度触发；视频触发

中图分类号：TP202文献标识码：A文章编号：1672-3198（2008）04-0255-02

示波器是电子测量中的最基础、最常用的测试仪表，虚拟示波器是示波器测量技术中的研究热点和发展方向。虚拟示波器的设计涉及电子测量、信号处理和计算机技术等多方面的内容，其中硬件电路是完成整个示波器功能的基础，同时也是决定虚拟示波器性能的关键所在。要设计出性能优越的的硬件电路就必须对其中的关键技术进行深入研究。

本文在对100MHz虚拟示波器总体设计的基础上，重点研究了直流漂移的抑制、等效采样、触发电路、总线接口电路等。

1 直流漂移的抑制

虚拟示波器硬件电路组成图如图1 所示。硬件部分主要由信号调理电路、触发电路、AD转换器、存储电路、总线接口电路、控制电路构成。信号调理电路是将输入信号调理到AD变换器的输入范围，从而扩大输入信号范围，且对直流漂移的抑制主要由信号调理电路完成。

直流漂移的抑制方法很多，如采用高质量的稳压电源、使用经过老化的实验元件、使用反馈及温度补偿、用差分放大电路、运用斩波技术、自动调零技术、参数补偿等。本文采用的是差分电路的方法来抑制直流漂移。

图1 虚拟示波器硬件电路组成图

信号调理由信号衰减电路、电压跟随电路、前置放大电路、主放大电路组成。对于直流漂移有抑制作用的部分有衰减电路、前置放大器与主放大器两个部分，起主要作用的部分是前置放大器和主放大器，这两个部分均采用模拟公司的AD8330放大器来完成。此放大器的特点是可对0至150MHz的信号进行可编程放大，具有低噪声，低失真特性。一个AD8330用作前置放大器，另一个用作主放大器。用前置放大器的目的是将输入信号中的漂移均匀分到输出脚上，从而使主放上的输入信号漂移一致，从而利用主放大器差分放大消除直流漂移。

数控衰减器可用X9C102来实现。衰减电路可用数控电位器X9C102实现，X9C102是一种高可靠性的数控电位器，含有99个带温度偿的阻抗单元，其电阻阵列的总电阻1KΩ，5V供电超低功耗，工作电流最大为3mA，待机电流最大为500uA。电位器是通过由99个阻抗单元组成的电阻阵列和抽头开关网络实现的，其游标抽头节点位置通过CS、/UD和INC三线接口来控制，且保存在非易失存储器中，上电时唤醒此保存的游标抽头节点位置值。很适合用于控制、参数调整和信号处理的应用场合。对X9C102数控电位器进行操作时，CS、/UD和INC三线输入控制游标抽头在阻抗阵列中的移动。首先将片选信号CS置低，若需要上移游标抽头，则/UD应置为高电平，每次INC输入一个由高到低跳变的下降沿，则游标抽头向上移一级，直至最大值时100%的信号通过电位器，即此时不衰减。若需要下移游标抽头，则/UD应置为低电平，每次INC输入一个由高到低跳变的下降沿，则游标抽头向下移一级，直至最小值时没有信号通过电位器，即此时全部被衰减。 

图2 信号调理电路图

在衰减电路的后面紧跟的是电压跟随器，电压跟随器起到隔离的作用，使输入信号不受后面电路的影响。

对信号的调整是通过对衰减器和主放大器系数进行调整决定的，因此整个硬件中还要有个测幅电路与之相配合。

电路中的测幅电路没有画出，测幅的目的是通过测量幅度来控制衰减器和放大器的倍数，从而使信号刚好进入AD变换器的范围。下图是调理电路的工作流程图。

图3 信号调理电路图

在调整电路工作的过程中，每次调整衰减系数都要记录衰减位置，以便于以后计算信号幅度。对衰减与放大系数进行调节，频率不要太慢或太快，大约在几千赫兹就可以。流程图中的的幅度适中是指调节后的信号幅度刚好是AD的最大输入值或略小于其最大输入值；幅度过大是指调节后的信号幅度超过了ＡD的最大输入值；幅度过小是指调节后的信号幅度低于一定的AD输入电压。

2 触发电路设计

触发电路在虚拟示波器中的作用很重要，是保证信号显示的重要部分，是决定信号捕捉能力的重要方面。示波器的触发可分为内触发与外触发。一般示波器的内触发类型有边沿触发、脉宽触发及视频触发等。下面分别介绍。

边沿触发可由比较器来实现，将调理好的信号接入比较器的一端，另一端接参考电平。当输入信号比参考电平高时，比较器将输出高电平，当输入电平为低时，比较器将输出低电平。由于测量的信号基本是周期信号，因此比较器将输出一串脉冲。如果选的是上升沿触发，则脉冲的上升沿将是信号的触发点。

脉宽触发是用来捕捉脉冲序列中某一时间宽度特性码，或周期信号中出现的与规定时间宽度不符的异常信号。这里只设计脉宽在33ns到500ns的脉宽触发，更宽的脉冲宽度触发可在软件中实现。脉冲宽度触发电路可通过积分电路、放电电路及放大电路来实现。积分电路的作用是将要测量的时间变成电压量，以便于测量，而放电电路的作用是将电放掉，以便以后继续测量。放大电路的作用是将对积分出的电压进行放大与缩小，便于后面的电路使用。

视频触发是对视频信号而进行的触发，可借助于芯片LM1881来实现。视频触发中单行触发电路图如图4所示。

图4 视频单行触发电路

LM1881可以提取出视频信号的同步信号，从而可以利用同步信号将视频信号提取出。LM1881共可以提取出4种视频信号，有复合同步信号、垂直同步信号、奇偶场信号等。图中的芯片除了LM1881外，还用了三片MM74C193N（计数电路）。在上图中用到的有复合同步信号和垂直同步信号，垂直同步信号用于初始该电路中的计数器，由计数器的BORROW引脚形成触发脉冲。

视频触发中多行及场触发电路要更复杂一些，可用CPLD实现。

外触发是利用非测量信号来工作的，一般来说此信号与被测信号周期有倍数关系。其实现可与内触发中的边缘触发共用一个通道。

3 等效采样电路及总线接口电路

等效采样电路是针对2MHz到100MHz信号实现的，2MHz以下的电路用实时采样来实现。等效采样可分为随机等效采样和顺序等效采样。在本设计中，用随机等效采样来实现。因此，等效采样的实现有两个关键问题，一是要知道是否需要用随机等效采样，即关于频率测量的问题；二是时间间隔测量问题，由于触发信号与取样时钟是不同步的，他们之间无固定的时间关系，故触发信号与下一个取样时钟间的时间间隔是随机的，其值在0到一个取样周期内变化。

关于频率的测量可以根据整形电路的输出通过计数的办法来实现。对于时间间隔测量问题，采用双斜率电容充放电电路的方法来测量。由于这方面的资料较多，这里不再讨论。

虚拟示波器中，硬件与软件的数据传输和控制是实现测量功能的重要环节，选用USB2.0作为传输总线。USB2.0最高速度为480Mb/s，即插即用，十分方便，不需要插入机箱中，避免了电磁环境的干扰。

在硬件电路中，选择Cypress半导体公司的CY7C68013来完成USB传输的任务。它是Cypress公司新一代高速产品。

4 小结

虚拟示波器是计算机技术、仪器技术和通信技术相结合的产物，而硬件电路是实现功能的基础，因此硬件电路的设计是比较重要的，本文简单介绍了硬件电路的组成，重点介绍了抑制直流漂移的调理电路的设计和触发电路的设计，对虚拟示波器的设计有一定的指导意义。

参考文献

［1］Analog Devices AD8330，2000，（3）.

［2］邱传飞.基于SOPC的高速数据采集系统的研究与实现［D］.中国人民解放军理理工大学通信学院学位论文，2007.

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

［4］钱峰.EZ-USB FX2单片机原理、编程及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。

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