具有改進(jìn)的前端電路的示波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及具有改進(jìn)的前端電路的示波器，該示波器包括前端電路和控制處理模塊，所述前端電路包括輸入級(jí)緩沖和加法電路、增益可選放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路和D/A轉(zhuǎn)換電路，所述的輸入級(jí)緩沖和加法電路依次經(jīng)過增益可選放大模塊和A/D轉(zhuǎn)換電路至控制處理模塊，該控制處理模塊的增益選擇輸出端與所述增益可選放大模塊的一輸入端相連，所述控制處理模塊的另一輸出端經(jīng)過所述D/A轉(zhuǎn)換模塊提供前端電路偏置信號(hào)，該偏置信號(hào)輸出給輸入級(jí)緩沖和加法電路。本發(fā)明這種示波器提高了ADC輸入的最小分辨率，減小對(duì)模擬前端增益的需求，同時(shí)采用幾個(gè)增益的放大器的切換，和數(shù)字增益相結(jié)合，不僅節(jié)約了成本，而且提高了輸入ADC信號(hào)的信噪比。
【專利說明】具有改進(jìn)的前端電路的示波器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電變量測(cè)試領(lǐng)域，特別是涉及具有改進(jìn)的前端電路的示波器。
【背景技術(shù)】
[0002]示波器或其它測(cè)量儀器的輸入模擬前端電路決定了其噪聲、帶寬、動(dòng)態(tài)范圍等關(guān)鍵指標(biāo)。示波器的模擬前端電路一般完成信號(hào)輸入衰減、緩沖、放大、偏置、帶寬限制等功能，然后送給ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后進(jìn)行顯示。
[0003]垂直靈敏度是示波器的一個(gè)重要參數(shù)。垂直靈敏度指示垂直放大器對(duì)弱信號(hào)的放大程度，通常用每刻度多少毫伏表示。數(shù)字示波器能檢測(cè)出的最小伏特?cái)?shù)的典型值約ImV每垂直顯示屏刻度。
[0004]在示波器中一般在面板上有一個(gè)調(diào)節(jié)垂直靈敏度的旋鈕，用于調(diào)節(jié)電壓波形在示波器面板的顯示窗中的幅度，用戶可以從顯示窗中讀出信號(hào)波形的幅度和當(dāng)前垂直靈敏度刻度。
[0005]為了可以讓人們更加精確的調(diào)節(jié)垂直靈敏度，現(xiàn)在許多的示波器，調(diào)節(jié)垂直靈敏度的檔位有粗調(diào)和細(xì)調(diào)之分。粗調(diào)檔位的垂直靈敏度以1-2-5為步進(jìn)，調(diào)節(jié)垂直靈敏度。比如，IOOmV/div、200mV/div、500mV/div、ImV/div、2mV/div、5mV/div 等。而細(xì)調(diào)檔位的步進(jìn)則小得多，比如在lOOmV/div的檔位上細(xì)調(diào)，則步進(jìn)為lmV/div。具有細(xì)調(diào)垂直檔位的數(shù)字示波器是目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)示波器的必備功能。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)如中國專利CN200920109871.1提供了一種數(shù)字示波器模擬前端，具有垂直靈敏度調(diào)節(jié)功能，如圖1所示。現(xiàn)有技術(shù)這種示波器包括垂直靈敏度粗調(diào)模塊1、輸入緩沖模塊、垂直靈敏度粗調(diào)模塊2、垂直靈敏度細(xì)調(diào)模塊I或者垂直靈敏度細(xì)調(diào)模塊2、ADC、控制處理模塊、輸入模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)模塊。
[0007]被測(cè)信號(hào)由信號(hào)的輸入端輸入到垂直靈敏度粗調(diào)模塊，選擇不同的衰減系數(shù)，實(shí)現(xiàn)第一級(jí)的垂直靈敏度粗調(diào)。粗調(diào)模塊I的輸出連接到輸入緩沖模塊，緩沖模塊的輸出連接到垂直靈敏度粗調(diào)模塊2，可以設(shè)置不同的放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的靈敏度粗調(diào)。垂直靈敏度粗調(diào)模塊2輸出進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換模塊。如果選用垂直靈敏度細(xì)調(diào)模塊1，則信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部的細(xì)調(diào)模塊I中實(shí)現(xiàn)增益微調(diào)，保證垂直靈敏度的準(zhǔn)確。細(xì)調(diào)模塊I輸出送到ADC采樣部分，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到控制處理單元，進(jìn)行波形的處理、顯示和存儲(chǔ)。如果選用垂直靈敏度細(xì)調(diào)模塊2，則信號(hào)直接進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣數(shù)據(jù)進(jìn)入垂直靈敏度細(xì)調(diào)模塊2，數(shù)字量乘以一個(gè)小倍率值，實(shí)現(xiàn)垂直靈敏的的準(zhǔn)確性，之后數(shù)據(jù)送到控制處理單元，進(jìn)行波形的處理、顯示和存儲(chǔ)。
[0008]控制處理模塊通過輸入模塊接收用戶設(shè)置的垂直靈敏度檔位信息，通過計(jì)算，計(jì)算出需要選擇的衰減系數(shù)，粗調(diào)的放大倍數(shù)和細(xì)調(diào)倍數(shù)，保證總的增益和設(shè)置的靈敏度完全一致。然后控制粗調(diào)模塊I的選擇合適的衰減，通過總線控制粗調(diào)模塊2的增益，通過總線控制細(xì)調(diào)模塊I或者細(xì)調(diào)模塊2。
[0009]上述垂直靈敏度粗調(diào)模塊I為一個(gè)輸入衰減切換模塊，一般為阻容構(gòu)成的無源衰減電路。垂直靈敏度粗調(diào)模塊2為一個(gè)數(shù)字控制的可變?cè)鲆婺K，一般為可控可變?cè)鲆娣糯笃鳂?gòu)成，具有連續(xù)幾十檔增益可調(diào)的放大器。垂直靈敏度細(xì)調(diào)模塊I為A/D轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部的輸入模擬增益調(diào)節(jié)電路，由ADC芯片提供的寄存器控制，一般為ADC輸入級(jí)Full-scale寄存器調(diào)節(jié)?，F(xiàn)有技術(shù)中的ADC為了實(shí)現(xiàn)盡可能高的采樣率，一般采用8位ADC。垂直靈敏度細(xì)調(diào)模塊2為可編程器件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字乘法模塊，一般由FPGA內(nèi)部乘法器實(shí)現(xiàn)。其中細(xì)調(diào)模塊I和細(xì)調(diào)模塊2兩者可選其一。
[0010]這樣示波器所有垂直靈敏度檔位由粗調(diào)模塊I和粗調(diào)模塊2分成了若干個(gè)垂直靈敏度區(qū)間。每個(gè)區(qū)間內(nèi)的需要的垂直靈敏度，由細(xì)調(diào)模塊I或細(xì)調(diào)模塊2進(jìn)行增益補(bǔ)償。實(shí)現(xiàn)示波器每個(gè)垂直靈敏度檔位。
[0011]現(xiàn)有技術(shù)存在以下缺點(diǎn)
[0012]1、成本高
[0013]現(xiàn)有技術(shù)中，數(shù)字控制可變?cè)鲆婺K是實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵模塊，一般由數(shù)字控制可變?cè)鲆娣糯笃鳂?gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)至少幾十級(jí)步進(jìn)的增益變化，一般成本較高。
[0014]2、噪聲大
[0015]現(xiàn)有技術(shù)中，在示波器最小垂直靈敏度時(shí)，如2mV/div時(shí)，需要數(shù)字控制可變?cè)鲆婺K設(shè)置到非常大的增益，才能將2mV/div時(shí)的小信號(hào)放大到ADC的輸入滿量程范圍內(nèi)，此時(shí)可變?cè)鲆婺K本身的噪聲也被放大了該增益倍數(shù)，導(dǎo)致輸入ADC信號(hào)的信噪比變差，最終體現(xiàn)為示波器在小垂直檔位時(shí)噪聲大。
[0016]3、動(dòng)態(tài)范圍小
[0017]當(dāng)垂直檔位很小時(shí)，可變?cè)鲆婺K設(shè)置的增益較大，由于增益模塊輸出電壓范圍是一定的，由芯片本身決定，所以當(dāng)增益大時(shí)，可輸入的信號(hào)的幅度就很小，否則可變?cè)鲆婺K輸出就飽和了，放大器飽和，可能會(huì)導(dǎo)致放大器電路工作不正常，或產(chǎn)生直流偏置使波形發(fā)生偏移。最終體現(xiàn)在示波器上是可變?cè)鲆婺K增益較大的檔位時(shí)，輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍很小。
[0018]4、垂直靈敏度校準(zhǔn)復(fù)雜
[0019]示波器垂直靈敏度的準(zhǔn)確度，是需要校準(zhǔn)的，即通過輸入信號(hào)來校準(zhǔn)出每個(gè)垂直靈敏度檔位需要設(shè)置的增益，現(xiàn)有技術(shù)由粗調(diào)模塊和細(xì)調(diào)模塊需要校準(zhǔn)，校準(zhǔn)算法復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]為避免以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種具有改進(jìn)的前端電路的示波器。提高了 ADC輸入的最小分辨率，減小對(duì)模擬前端增益的需求。同時(shí)采用幾個(gè)增益的放大器的切換，和數(shù)字增益相結(jié)合的辦法，節(jié)約了成本。提高了輸入ADC信號(hào)的信噪比，所以示波器噪聲小。模擬前端的增益小，相應(yīng)的提高了小檔位的輸入動(dòng)態(tài)范圍。由于前端只有幾種固定的增益，校準(zhǔn)簡單，數(shù)字增益模塊不需要校準(zhǔn)，只需要根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算即可。
[0021]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0022]具有改進(jìn)的前端電路的示波器，該示波器包括前端電路和控制處理模塊，所述前端電路包括輸入級(jí)緩沖和加法電路、增益可選放大模塊、ADC轉(zhuǎn)換放大電路和D/A轉(zhuǎn)換模塊，所述的輸入級(jí)緩沖和加法電路依次經(jīng)過增益可選放大模塊和ADC轉(zhuǎn)換放大電路至控制處理模塊，該控制處理模塊的增益選擇輸出端與所述增益可選放大模塊的一輸入端相連，所述控制處理模塊的另一輸出端經(jīng)過所述D/A轉(zhuǎn)換模塊提供前端電路偏置信號(hào)，該偏置信號(hào)輸出給輸入級(jí)緩沖和加法電路。
[0023]進(jìn)一步，所述的ADC轉(zhuǎn)換放大電路包括A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊連接至控制處理模塊。
[0024]進(jìn)一步，所述的ADC轉(zhuǎn)換放大電路包括A/D轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)字增益模塊，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊通過數(shù)字增益模塊連接至控制處理模塊。
[0025]進(jìn)一步，所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊為12bit的A/D轉(zhuǎn)換模塊。
[0026]進(jìn)一步，所述的前端電路還包括阻容衰減網(wǎng)絡(luò)，該阻容衰減網(wǎng)絡(luò)的一端與輸入級(jí)緩沖和加法電路相連，另一端與控制處理模塊相連。
[0027]進(jìn)一步，所述增益可選放大模塊為全差分運(yùn)算放大電路，該全差分運(yùn)算放大電路的輸入端連接有繼電器電路，所述控制處理模塊與繼電器電路連接以實(shí)現(xiàn)對(duì)增益可選放大模塊的增益切換。
[0028]進(jìn)一步，所述增益可選放大模塊為單端放大器，單端放大器的輸入端連接有繼電器和電阻分壓電路，所述控制處理模塊與繼電器電路連接以實(shí)現(xiàn)對(duì)增益可選放大模塊的增益切換。
[0029]進(jìn)一步，所述增益可選放大模塊為兩個(gè)并聯(lián)的放大器電路，兩個(gè)放大器電路的正向輸入端與繼電器電路連接，所述控制處理模塊與繼電器電路連接以實(shí)現(xiàn)對(duì)增益可選放大模塊的增益切換。
[0030]進(jìn)一步，所述控制處理模塊包括數(shù)字微調(diào)增益模塊，用于將ADC轉(zhuǎn)換放大電路輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以完成設(shè)定垂直檔位需要的總增益。
[0031]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0032]1、成本低
[0033]模擬前端只使用可切換增益的普通放大器，成本。
[0034]2、噪聲低
[0035]降低了對(duì)模擬前端最大增益的需求，提高了輸入ADC信號(hào)的信噪比，使示波器前端具有更小噪聲。
[0036]3、輸入動(dòng)態(tài)范圍大
[0037]模擬前端的增益小，模擬前端不容易飽和，提高了小檔位的輸入動(dòng)態(tài)范圍。
[0038]4、校準(zhǔn)簡單、快速
[0039]由于前端只有幾種固定的增益，校準(zhǔn)簡單，數(shù)字增益模塊不需要校準(zhǔn)，只需要根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算即可，大大簡化了示波器垂直校準(zhǔn)過程，簡化程序設(shè)計(jì)，提高了校準(zhǔn)速度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1:現(xiàn)有技術(shù)示波器結(jié)構(gòu)圖；
[0041]圖2:本發(fā)明示波器前端電路基本結(jié)構(gòu)框圖；
[0042]圖3:本發(fā)明實(shí)施例示波器前端電路結(jié)構(gòu)框圖；
[0043]圖4:本發(fā)明第一實(shí)施例電路圖；
[0044]圖5:HMCAD1511內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；
[0045]圖6:本發(fā)明第二實(shí)施例電路圖；[0046]圖7:本發(fā)明第三實(shí)施例電路圖；
[0047]圖8:本發(fā)明第四實(shí)施例電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0048]如圖2所示為本發(fā)明示波器前端電路基本結(jié)構(gòu)框圖。該示波器包括前端電路和控制處理模塊，所述前端電路包括輸入級(jí)緩沖和加法電路、增益可選放大模塊、ADC轉(zhuǎn)換放大電路和D/A轉(zhuǎn)換電路，所述的輸入級(jí)緩沖和加法電路依次經(jīng)過增益可選放大模塊和ADC轉(zhuǎn)換放大電路至控制處理模塊，該控制處理模塊的增益選擇輸出端與所述增益可選放大模塊的一輸入端相連，該控制處理模塊的另一輸出端通過所述D/A轉(zhuǎn)換模塊連接至輸入級(jí)緩沖和加法電路。
[0049]作為一種舉例，還包括一個(gè)阻容衰減網(wǎng)絡(luò)，所述阻容衰減網(wǎng)絡(luò)連接到輸入級(jí)緩沖和加法電路，阻容衰減網(wǎng)絡(luò)由控制處理模塊控制衰減選擇，可以選擇直通或者衰減輸出，主要用于示波器在大垂直靈敏度檔位時(shí)，將信號(hào)先進(jìn)行衰減，然后輸入后面的電路中，否則輸入信號(hào)幅度過大，使后續(xù)電路飽和，無法進(jìn)行有效工作；而在示波器小垂直靈敏度檔位時(shí)，由于信號(hào)幅度不大，衰減網(wǎng)絡(luò)選擇直通，可見，本實(shí)施例還有另外一種變形方式，即不加入阻容衰減網(wǎng)絡(luò)的形式，將信號(hào)直接連接到后續(xù)電路。衰減網(wǎng)絡(luò)一般由電阻、電容構(gòu)成，在示波器整個(gè)帶寬范圍內(nèi)，具有較平坦的幅頻響應(yīng)。
[0050]如圖3所示為本發(fā)明一實(shí)施例示波器前端電路結(jié)構(gòu)框圖，所述ADC轉(zhuǎn)換放大電路包括A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊連接至控制處理模塊。另一方面，所述ADC轉(zhuǎn)換放大電路還可以同時(shí)包括A/D轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)字增益模塊，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊通過數(shù)字增益模塊連接至控制處理模塊。
[0051]所述控制處理模塊可以是一 FPGA模塊，該控制處理模塊連接有一 D/A轉(zhuǎn)換模塊，輸出偏置直流信號(hào)，連接到輸入級(jí)緩沖和加法電路，作為示波器模擬前端電路的偏置信號(hào)，用于將輸入信號(hào)偏置到ADC合適的電平范圍內(nèi)，一般受用戶控制，用戶操作示波器面板上的垂直偏移旋鈕進(jìn)行控制。輸入級(jí)緩沖和加法電路將輸入信號(hào)和偏置進(jìn)行加法運(yùn)算后，緩沖輸出。輸出信號(hào)連接到增益可選放大模塊，增益可選放大模塊為一個(gè)簡單的放大器電路，或者具有兩至三種可選擇增益，控制處理模塊通過增益選擇信號(hào)進(jìn)行選擇，可選增益模塊的實(shí)現(xiàn)，一般為幾個(gè)簡單的放大器電路并聯(lián)；或者一個(gè)簡單的放大器電路，對(duì)其輸入信號(hào)進(jìn)行切換不同衰減比例的，形成不同的增益；或者為一個(gè)簡單的放大器電路，通過切換其不同的輸入輸出電阻實(shí)現(xiàn)不同的幾種增益。
[0052]所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊為12bit的A/D轉(zhuǎn)換模塊，增益可選放大模塊輸出連接到12-bitA/D轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出的12bit數(shù)字信號(hào)，連接到數(shù)字增益模塊，進(jìn)行乘法運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)所有垂直靈敏度檔位需要的增益，乘法的結(jié)果取高8位，作為數(shù)字增益模塊的輸出，Sbit數(shù)據(jù)連接到控制處理模塊，用于實(shí)現(xiàn)示波器的采樣存儲(chǔ)、顯示等功能。
[0053]示波器的增益，可以由模擬增益實(shí)現(xiàn)，也可以由數(shù)字增益實(shí)現(xiàn)，增益的分配由ADC的輸入滿量程幅度和采樣精度和示波器屏幕顯示精度決定。
[0054]例如示波器需要實(shí)現(xiàn)的最小垂直靈敏度檔位為2mV/div,每div需要至少25個(gè)點(diǎn)，示波器滿屏幕8div，則最小檔位，需要能夠分辨2mV/25=80uV。如果ADC輸入滿量程均為IVpp0不考慮采樣率，如果ADC為8位，則ADC輸入最小的分辨率為lVpp/28 = 3.9mV,則模擬前端需要3.9mV/80uV = 48.75倍，才能滿足最小垂直靈敏度檔位的要求。
[0055]如果ADC為12位，輸入滿量程仍為lVpp，則ADC輸入最小的分辨率為lVpp/212 =244uV，則模擬前端需要244uV/80uV = 3.05倍，就能滿足最小垂直靈敏度檔位的要求。
[0056]所以選用更高位數(shù)的ADC，大大降低了對(duì)模擬前端的放大倍數(shù)的要求。
[0057]增益可選放大模塊需要幾種增益，由ADC輸入滿量程決定。阻容衰減網(wǎng)絡(luò)均選擇直通的情況下，如上面例子，當(dāng)輸入示波器滿屏幕幅度大小的信號(hào)時(shí)，通過3.05倍增益時(shí)，應(yīng)不大于ADC滿量程。
[0058]阻容衰減網(wǎng)絡(luò)的衰減倍數(shù)，由需要實(shí)現(xiàn)的最大垂直靈敏度檔位決定，當(dāng)選擇衰減，并且增益可選放大模塊選擇最小的增益，輸入滿屏幕幅度的信號(hào)，該幅度乘以阻容衰減倍數(shù)和增益可選模塊增益時(shí)，結(jié)果應(yīng)小于ADC輸入滿量程lVpp。
[0059]阻容衰減網(wǎng)絡(luò)和增益可選放大模塊確定了幾個(gè)增益點(diǎn)。如衰減網(wǎng)絡(luò)衰減50倍，增益可選放大模塊可選增益I和2，則模擬前端能夠?qū)崿F(xiàn)增益為:1/50、1/25、1、2四種。示波器所有垂直靈敏度檔位需要的增益由數(shù)字增益模塊實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)整數(shù)和小數(shù)增益，以實(shí)現(xiàn)示波器的粗調(diào)和微調(diào)靈敏度。當(dāng)用戶選擇示波器為lOOmV/div檔位時(shí)，假設(shè)增益可選放大模塊選擇0.6倍增益，示波器總增益需要50，則數(shù)字增益模塊需要實(shí)現(xiàn)的增益為50/0.6=83.33倍，此時(shí)將12_bitA/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)據(jù)乘以該增益即可得到示波器總增益50的需求。
[0060]12bit的ADC采樣數(shù)據(jù)在數(shù)字增益模塊中乘以一個(gè)增益數(shù)值，然后取其高8位作為8位示波器的采樣數(shù)據(jù)。當(dāng)增益小于24 = 32時(shí)，采樣數(shù)據(jù)是真實(shí)的，信噪比不會(huì)降低。因?yàn)楫?dāng)增益為32時(shí)，輸出的8位數(shù)據(jù)為12位ADC采樣數(shù)據(jù)的低8為，為真實(shí)數(shù)據(jù)。如果大于32時(shí)，8位數(shù)據(jù)的低位是不真實(shí)的，信噪比降低，體現(xiàn)在示波器屏幕上為采樣點(diǎn)為豎條狀。
[0061]所述的數(shù)字增益模塊，一般由ADC內(nèi)部集成的數(shù)字增益寄存器或者FPGA實(shí)現(xiàn)。FPGA實(shí)現(xiàn)可以由乘法器實(shí)現(xiàn)，乘法器位數(shù)需大于12bit。
[0062]由于使用了 12-bit的ADC，使得模擬前端只需要一個(gè)增益可選放大模塊，比現(xiàn)有技術(shù)中的數(shù)字控制可變?cè)鲆娣糯竽K大大降低了成本。電路更簡單。降低了模擬前端的增益，從而降低了放大模塊本身產(chǎn)生的噪聲，使模擬通道的噪聲降低，更利于示波器的噪聲指標(biāo)。降低了增益，模擬通道更不容易飽和，不會(huì)由于輸出飽和產(chǎn)生直流偏移，導(dǎo)致示波器屏幕上波形發(fā)生偏移的現(xiàn)象。由于模擬前端只有I至3種增益，大大降低了示波器垂直校準(zhǔn)的難度，只需要校準(zhǔn)衰減網(wǎng)絡(luò)和上述這幾種增益，其他的數(shù)字增益，可以通過公式進(jìn)行計(jì)算得到，大大加快了校準(zhǔn)速度。
[0063]本發(fā)明選用12-bitADC，是由于要實(shí)現(xiàn)高采樣率示波器，大于lGsa/s，目前l(fā)Gsa/s以上采樣率的ADC芯片，最高位數(shù)只有12位，同樣也適用于更高位數(shù)lGsa/s以上采樣率的ADC芯片。當(dāng)然也可以使用多個(gè)低采樣率的12-bit或更高位數(shù)的ADC，通過交織采樣的方式，實(shí)現(xiàn)lGsa/s以上采樣率，可以將這些ADC看作是I個(gè)ADC模組。
[0064]以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。如圖4所示為本發(fā)明第一實(shí)施例電路圖，此處A/D轉(zhuǎn)換電路選用了 Hittite公司的8位ADC HMCAD1511, HMCAD1511其內(nèi)部其實(shí)為12位的ADC進(jìn)行采樣，內(nèi)部帶有數(shù)字增益，支持不丟碼的最大增益為32倍，輸出數(shù)據(jù)為8位。HMCAD1511按dB增益和X增益，共有27檔數(shù)字增益，能夠?qū)崿F(xiàn)1_50倍的數(shù)字增益。HMCAD1511內(nèi)部框圖如圖5所示。數(shù)字微調(diào)增益使用FPGA內(nèi)部的乘法器完成，使用I個(gè)24bit的乘法器，將輸入信號(hào)和設(shè)置值進(jìn)行乘法，然后除以1024 (即右移10位)，取低8位輸出，即可以實(shí)現(xiàn)精確到小數(shù)點(diǎn)后3位的數(shù)字增益。
[0065]模擬前端的增益可選放大模塊使用一個(gè)簡單的全差分運(yùn)算放大電路，通過繼電器切換其輸入電阻，實(shí)現(xiàn)兩檔增益的切換。選用的全差分放大器接成單端轉(zhuǎn)差分結(jié)構(gòu)，用于驅(qū)動(dòng)HMCAD1511的差分輸入引腳。全差分放大器可以選用任何滿足設(shè)計(jì)帶寬的全差分放大器，優(yōu)選TI公司的LMH6552，具有1.5GHz的_3dB輸入帶寬。可選增益設(shè)置為2倍和0.6倍，故選擇 R5=R6=300 Ω，R1=R3=150R，R2=R4=500 Ω。
[0066]此實(shí)施例中由于ADC內(nèi)部已經(jīng)有了數(shù)字增益模塊，但是只有64級(jí)，無法覆蓋所有垂直檔位，所以FPGA中需要一個(gè)數(shù)字微調(diào)增益模塊，來實(shí)現(xiàn)所有需要的增益值。FPGA內(nèi)的數(shù)字微調(diào)增益模塊可以是數(shù)字增益的一個(gè)補(bǔ)充，來實(shí)現(xiàn)所有需要的增益值。例如實(shí)施例中ADC內(nèi)部有一定的數(shù)字增益，共27檔，但是不能覆蓋所有檔位。當(dāng)某一垂直檔位需要總數(shù)字增益為2.4，但是ADC內(nèi)部數(shù)字增益最接近的只有2或3，則ADC內(nèi)部可以選擇2，數(shù)字微調(diào)增益需要的增益為2.4/2=1.2，這樣，總的數(shù)字增益可以達(dá)到2.4。ADC數(shù)據(jù)經(jīng)過ADC內(nèi)部的數(shù)字增益和數(shù)字微調(diào)增益兩級(jí)放大。
[0067]如圖6所示為本發(fā)明第二實(shí)施例電路圖，與第一實(shí)施例的區(qū)別在于增益可選放大模塊的實(shí)現(xiàn)方式不同，使用一個(gè)固定增益的放大器，然后利用繼電器和電阻分壓方式，切換放大器輸入信號(hào)的幅度，實(shí)現(xiàn)兩種增益的切換。
[0068]這里放大器電路使用了單端放大器，可以選用滿足帶寬的任何放大器。優(yōu)選ADI公司的AD8009，具有IGHz的帶寬，R3=R4=300 Ω，實(shí)現(xiàn)2倍增益。當(dāng)繼電器RLl選擇上觸點(diǎn)時(shí)，為直通，增益可選放大模塊增益為2。設(shè)置Rl=300 Ω，R2=700 Ω，當(dāng)繼電器RLl選擇下觸點(diǎn)時(shí)，R1、R2構(gòu)成衰減電路，增益為0.3，然后輸入放大器Ul電路，增益可選放大模塊此時(shí)增益為0.6，實(shí)現(xiàn)和實(shí)施例1的相同技術(shù)效果。也可以使用差分放大器也具有同樣效果，只需要將差分放大器正負(fù)輸入端的差分輸入信號(hào)同時(shí)進(jìn)行衰減切換。
[0069]如圖7所示為本發(fā)明第三實(shí)施例電路圖，本實(shí)施例和實(shí)施例1的區(qū)別是增益可選放大模塊的實(shí)現(xiàn)方式不同，使用兩個(gè)固定增益的放大器電路并聯(lián)，然后利用繼電器將輸入信號(hào)切換到不同的放大器電路，實(shí)現(xiàn)兩種增益的切換。
[0070]這里放大器電路使用了單端放大器，可以選用滿足帶寬的任何放大器。優(yōu)選ADI公司的AD8009，具有IGHz的帶寬，R1=R2=300 Ω , Ul構(gòu)成的放大器電路實(shí)現(xiàn)2倍增益。R3=700 Ω，R4=300 Ω，U2構(gòu)成的放大器實(shí)現(xiàn)了 0.6倍的增益。Ul和U2的輸出連接到一起，連接到HMCAD1511的輸入。
[0071]當(dāng)繼電器RLl選擇上觸點(diǎn)時(shí)，選擇Ul放大器電路工作，增益可選放大模塊增益為
2。當(dāng)繼電器RLl選擇下觸點(diǎn)時(shí)，選擇U2放大器電路工作，增益為0.6，實(shí)現(xiàn)和實(shí)施例1的相同技術(shù)效果。
[0072]當(dāng)然使用差分放大器也具有同樣效果，只需要選用雙刀雙擲繼電器，將差分信號(hào)同時(shí)切換到Ul或U2電路。
[0073]如圖8所示為本發(fā)明第四實(shí)施例電路圖，本實(shí)施例和實(shí)施例1的區(qū)別在于，選用了12bit輸出的高速ADC，由FPGA實(shí)現(xiàn)所有的數(shù)字增益。
[0074]為實(shí)現(xiàn)大于lGsa/s采樣率的示波器，ADC可選TI公司的ADS5400，其為12bit精度IGsps采樣率的高速ADC，所以可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)。[0075]數(shù)字增益全部由FPGA實(shí)現(xiàn)，使用FPGA內(nèi)部的乘法器完成，使用I個(gè)24bit的乘法器，將輸入信號(hào)和設(shè)置值進(jìn)行乘法，然后除以1024 (即右移10位)，取低12位輸出，即可以實(shí)現(xiàn)精確到小數(shù)點(diǎn)后3位的數(shù)字增益。數(shù)字增益模塊最終輸出，可去乘法器的12位輸出的高8位，作為8位示波器的采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行后續(xù)存儲(chǔ)、顯示等處理。
[0076]本發(fā)明利用12bit高速ADC作為采樣精度為8位的數(shù)字示波器的采樣模塊，更高精度的ADC具有更小的最小分辨率，示波器模擬前端，只需要很小的增益就可以實(shí)現(xiàn)最小垂直靈敏度檔位。從而減小對(duì)模擬前端增益變化的需求。模擬前端只需要I至3種增益進(jìn)行切換的放大器模塊即可。輸入組容衰減網(wǎng)絡(luò)、模擬前端增益和數(shù)字增益相結(jié)合，即可實(shí)現(xiàn)所有粗調(diào)、微調(diào)垂直靈敏度檔位。數(shù)字增益對(duì)12bit的ADC輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可以采用ADC內(nèi)部的數(shù)字增益寄存器，或者使用控制處理模塊實(shí)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果取高8bit輸出，此8bit數(shù)據(jù)此用于示波器的采樣存儲(chǔ)、顯示等功能。示波器前端不需要現(xiàn)有技術(shù)種的數(shù)字控制可變?cè)鲆婺K，大大節(jié)約了成本。同時(shí)提高了輸入ADC信號(hào)的信噪比，使示波器前端具有更小噪聲。模擬前端的增益小，相應(yīng)的提高了小檔位的輸入動(dòng)態(tài)范圍。而且由于前端只有幾種固定的增益，校準(zhǔn)簡單，數(shù)字增益模塊不需要校準(zhǔn)，只需要根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算即可，大大簡化了示波器垂直校準(zhǔn)過程，簡化程序設(shè)計(jì)，提高了校準(zhǔn)速度。
[0077]應(yīng)當(dāng)理解，以上借助優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行的詳細(xì)說明是示意性的而非限制性的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明說明書的基礎(chǔ)上可以對(duì)各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.具有改進(jìn)的前端電路的示波器，該示波器包括前端電路和控制處理模塊，其特征在于，所述前端電路包括輸入級(jí)緩沖和加法電路、增益可選放大模塊、ADC轉(zhuǎn)換放大電路和D/A轉(zhuǎn)換模塊，所述的輸入級(jí)緩沖和加法電路依次經(jīng)過增益可選放大模塊和ADC轉(zhuǎn)換放大電路至控制處理模塊，該控制處理模塊的增益選擇輸出端與所述增益可選放大模塊的一輸入端相連，所述控制處理模塊的另一輸出端經(jīng)過所述D/A轉(zhuǎn)換模塊提供前端電路偏置信號(hào)，該偏置信號(hào)輸出給輸入級(jí)緩沖和加法電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有改進(jìn)的前端電路的示波器，其特征在于，所述的ADC轉(zhuǎn)換放大電路包括A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊連接至控制處理模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有改進(jìn)的前端電路的示波器，其特征在于，所述的ADC轉(zhuǎn)換放大電路包括A/D轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)字增益模塊，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊通過數(shù)字增益模塊連接至控制處理模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有改進(jìn)的前端電路的示波器，其特征在于，所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊為12bit的A/D轉(zhuǎn)換模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有改進(jìn)的前端電路的示波器，其特征在于，所述的前端電路還包括阻容衰減網(wǎng)絡(luò)，該阻容衰減網(wǎng)絡(luò)的一端與輸入級(jí)緩沖和加法電路相連，另一端與控制處理模塊相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有改進(jìn)的前端電路的示波器，其特征在于，所述增益可選放大模塊為全差分運(yùn)算放大電路，該全差分運(yùn)算放大電路的輸入端連接有繼電器電路，所述控制處理模塊與繼電器電路連接以實(shí)現(xiàn)對(duì)增益可選放大模塊的增益切換。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有改進(jìn)的前端電路的示波器，其特征在于，所述增益可選放大模塊為單端放大器，單端放大器的輸入端連接有繼電器和電阻分壓電路，所述控制處理模塊與繼電器電路連接以實(shí)現(xiàn)對(duì)增益可選放大模塊的增益切換。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有改進(jìn)的前端電路的示波器，其特征在于，所述增益可選放大模塊為兩個(gè)并聯(lián)的放大器電路，兩個(gè)放大器電路的正向輸入端與繼電器電路連接，所述控制處理模塊與繼電器電路連接以實(shí)現(xiàn)對(duì)增益可選放大模塊的增益切換。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有改進(jìn)的前端電路的示波器，其特征在于，所述控制處理模塊包括數(shù)字微調(diào)增益模塊，用于將ADC轉(zhuǎn)換放大電路輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以完成設(shè)定垂直檔位需要的總增益。
【文檔編號(hào)】G01R13/02GK103884889SQ201210562286
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月21日
【發(fā)明者】史慧, 嚴(yán)波, 王悅, 王鐵軍, 李維森 申請(qǐng)人:北京普源精電科技有限公司