【導(dǎo)讀】利用高速采樣保持器(SHA)對(duì)輸入波形進(jìn)行二次采樣，然后通過低通濾波器重建波形，并使其平滑，可以有效延展時(shí)間軸，使PC能夠用作高速采樣示波器。本文描述一種能夠?qū)崿F(xiàn)這種改造的前端和探頭。
有多種軟件包可以使個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）中的立體聲聲卡提供類似示波器的顯示，但低采樣速率、高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和交流耦合前端最適合20 kHz及以下的可用帶寬。現(xiàn)在，這種有限的帶寬可以擴(kuò)展——針對(duì)重復(fù)波形，可以在聲卡輸入前使用一個(gè)采樣前端。利用高速采樣保持器（SHA）對(duì)輸入波形進(jìn)行二次采樣，然后通過低通濾波器重建波形，并使其平滑，可以有效延展時(shí)間軸，使PC能夠用作高速采樣示波器。本文描述一種能夠?qū)崿F(xiàn)這種改造的前端和探頭。
圖1所示為一個(gè)插入式附件的原理圖，它可以配合典型PC聲卡采樣使用。每個(gè)示波器通道使用一個(gè)高速采樣保持放大器 AD783 SHA的采樣信號(hào)由時(shí)鐘分頻器電路的數(shù)字輸出提供，下文將通過一個(gè)例子說明。AD783輸入由一個(gè)FET緩沖，因此可以使用簡(jiǎn)單的交流/直流輸入耦合。在所示的兩個(gè)通道中，當(dāng)直流耦合跳線開路且輸入為交流耦合時(shí)，1 MΩ電阻（R1和R3）提供直流偏置。采樣輸出由圖中所示的雙極點(diǎn)有源RC網(wǎng)絡(luò)低通濾波。該濾波器不必是一個(gè)有源電路，但所示的濾波器能夠提供有益的緩沖低阻抗來驅(qū)動(dòng)PC聲卡輸入。
圖1. 雙通道模擬采樣電路
AD783 SHA提供高達(dá)數(shù)MHz的可用大信號(hào)帶寬。輸入端的有效壓擺率約為100 V/µs以上。采用±5 V電源時(shí)，輸入/輸出擺幅至少為±3 V。對(duì)于500 mV p-p以下的擺幅，小信號(hào)3 dB帶寬接近50 MHz。
利用圖1所示的前端電路以及采用Visual Analyser1 軟件的PC聲卡，可以得到一個(gè)以1 MHz頻率重復(fù)的2 MHz單周期正弦波，如圖2的屏幕截圖所示。采樣時(shí)鐘以80.321 kHz的采樣速率提供250 ns寬的采樣脈沖。這里的有效水平時(shí)基為333 ns/分頻比。例子中使用的PC聲卡采用SoundMax® 編解碼器，其采樣速率為96 kSPS。本例中，有效采樣速率約為40 MSPS。
圖2. 以1 MHz頻率重復(fù)的2 MHz單周期正弦脈沖
圖3中的屏幕截圖顯示的是一個(gè)以1 MHz頻率重復(fù)的高斯正弦脈沖。采樣時(shí)鐘速率同樣是80.321 kHz，采樣脈沖寬度為250 ns。
圖3. 以1 MHz頻率重復(fù)的4 MHz高斯正弦脈沖
采樣時(shí)鐘發(fā)生器示例
AD783要求一個(gè)寬度為150 ns至250 ns的窄正采樣脈沖。為使顯示的波形保持穩(wěn)定，無來回跳動(dòng)，采樣脈沖必須非常穩(wěn)定，抖動(dòng)很低。這一要求往往將可能的時(shí)鐘選擇限定于晶體振蕩器。另一個(gè)要求是采樣速率可以在略低于100 kHz到大約500 kHz的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整或調(diào)諧。為使下采樣信號(hào)落在聲卡的20 Hz到20 kHz音頻帶寬內(nèi)，采樣頻率間的調(diào)諧步進(jìn)必須較為精細(xì)。一個(gè)諸如圖4所示的N分頻電路和一個(gè)頻率介于10 MHz到20 MHz的晶體振蕩器（IC4），可以提供從80 kHz到350 kHz的多達(dá)200種或更多的不同采樣速率，步進(jìn)大小介于300 Hz到5 kHz之間。本例使用兩個(gè)4位二進(jìn)制升降計(jì)數(shù)器74HC191，N可以是4到256之間的任意整數(shù)。也可以使用74HC190等十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其引腳排列與74HC191相同，可以提供4到100的N值。分頻比利用兩個(gè)十六進(jìn)制開關(guān)S1和S2設(shè)置。開關(guān)S3設(shè)置計(jì)數(shù)器是遞增還是遞減計(jì)數(shù)。電阻R1 （250 Ω）和電容C1 （68 pF）給引腳計(jì)數(shù)輸出增加一個(gè)很短的延遲，經(jīng)過該延遲后，引腳計(jì)數(shù)輸出加載起始計(jì)數(shù)值。74HC00的四個(gè)NAND門用于實(shí)現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)模式，當(dāng)R12為2.7 kΩ且C2為68 pF時(shí)，單穩(wěn)態(tài)模式提供200 ns的采樣脈沖。
圖4. 采樣時(shí)鐘分頻器電路
IC4是固定頻率金屬帽殼晶體振蕩器。另一種方法是使用CMOS反相器（74HC04）和分立晶體X1來構(gòu)成一個(gè)振蕩器，如圖5所示。這種方法使用的元件雖然多于一體式金屬帽殼振蕩器，但它支持通過調(diào)整電容C1來調(diào)節(jié)晶體頻率，從而實(shí)現(xiàn)精密的頻率調(diào)諧。
圖5. 采用機(jī)械調(diào)諧方式的分立晶體振蕩器
為了消除機(jī)械可變?cè)珼1可以使用變?nèi)荻O管，其電容取決于電壓，如圖6所示。
圖6. 采用電壓調(diào)諧方式的分立晶體振蕩器
有源重構(gòu)濾波器示例
圖7和圖8所示為有源濾波器設(shè)計(jì)，它們應(yīng)能很好地代替簡(jiǎn)單的無源RC濾波器。圖7顯示的是一個(gè)二階Sallen-Key濾波器，轉(zhuǎn)折頻率約為39 kHz，使用標(biāo)準(zhǔn)電阻和電容值。雙通道運(yùn)算放大器AD8042 和AD822 具有低電源電壓和寬擺幅特性，是很好的選擇。該濾波器在通帶內(nèi)的增益為+1。
圖7. Sallen-Key 39 kHz低通濾波器
圖8顯示的是一個(gè)二階多路反饋（MFB）濾波器，轉(zhuǎn)折頻率約為33 kHz，使用標(biāo)準(zhǔn)電阻和電容值。該濾波器的通帶增益為–1，因此，使用該濾波器時(shí)，為使顯示的波形右側(cè)朝上，應(yīng)選擇示波器軟件上的“反相”按鈕。
圖8. MFB 33 kHz低通濾波器
電路供電
重構(gòu)濾波器使用的AD783和放大器需要雙電源供電。可以使用6節(jié)AA電池，3節(jié)提供+4.5 V電源，另外3節(jié)提供–4.5 V電源。或者，也可以使用單個(gè)9 V電池，利用一個(gè)電阻分壓器來提供作為地的中間電源電壓，這將需要由一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行緩沖才能提供電路所需的地電流。第三種方法是使用一個(gè)可調(diào)線性調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生相對(duì)于電池負(fù)極的約4.5 V電壓，用作接地基準(zhǔn)。
第四種方法是使用備用PC或筆記本電腦USB端口提供的+5 V電源。–5 V電源可以由DC/DC電壓逆變器產(chǎn)生，例如ADI公司的ADM8829—（表貼封裝）。應(yīng)特別注意避免受到DC/DC電壓逆變器產(chǎn)生的開關(guān)噪聲干擾。
輸入衰減器
AD783的小信號(hào)增益遠(yuǎn)高于全擺幅帶寬。通過在采樣器之前插入一個(gè)10:1阻性衰減器以限制最大信號(hào)帶寬，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超過20 MHz的可用帶寬。多家公司提供成本相對(duì)較低的示波器探頭，如Syscomp Electronic Design， Ltd2等（圖9）。下面是筆者撰寫本文時(shí)獲得的信息：
Syscomp Electronic Design生產(chǎn)的40 MHz帶寬、1×/10×可切換型示波器探頭（P6040），每對(duì)價(jià)格$29.99。
圖9. P6040 1×/10×示波器探頭
HobbyLab3生產(chǎn)的20 MHz 10:1版本示波器探頭（GT-P6020），每對(duì)價(jià)格$19.50。
Gabotronics.com4生產(chǎn)的100 MHz P2100和60 MHz P2060通用探頭，每種價(jià)格約$10.00。
使用探頭
圖10、圖11和圖12所示的聲卡5屏幕截圖利用P2100 100 MHz 10×探頭獲取，它可以補(bǔ)償10 pF至35 pF范圍內(nèi)的輸入電容。對(duì)于建議的電路，如果PCB板線路長(zhǎng)度盡可能保持最短，那么這個(gè)調(diào)整范圍似乎是充足的。采用10×探頭時(shí)，輸入看起來像10 MΩ和18 pF，可以支持最高±30 V的輸入電壓。
為了展示AD783采樣保持輸入級(jí)的性能，首先利用1 kHz平頂方波調(diào)整探頭補(bǔ)償。屏幕截圖顯示了器件對(duì)頻率為1 MHz和50 MHz的不同信號(hào)的響應(yīng)。圖10中的兩個(gè)屏幕截圖顯示單通道情況，（a）為1 MHz、5 V p-p方波，（b）為50 MHz、5 V p-p方波。每種情況下，采樣時(shí)鐘均針對(duì)大約500 Hz的下采樣信號(hào)頻率進(jìn)行調(diào)整，以便消除任何聲卡響應(yīng)差異。因此，左邊屏幕截圖的有效時(shí)間刻度為500 ns/分頻比，右圖為10 ns/分頻比。聲卡輸入增益設(shè)置如下：對(duì)于1 MHz輸入，示波器軟件報(bào)告1.072 V p-p的幅度；對(duì)于50 MHz輸入，則報(bào)告762.2 mV p-p的幅度。0.7622/1.072接近–3 dB。這一測(cè)量結(jié)果顯示，100 MHz 10×探頭和AD783的組合具有50 MHz的3 dB帶寬。
圖10. 單通道10×探頭：1 MHz （a）和50 MHz （b） 5 V p-p輸入方波
圖11中，同樣的1 MHz （a）和50 MHz信號(hào)（b）被施加于兩個(gè)通道。從兩個(gè)通道的兩幅重疊屏幕截圖可以看出，兩個(gè)通道之間具有良好的增益、失調(diào)和延遲匹配。
圖11. 雙蹤雙通道匹配10×探頭：1 MHz （a）和50 MHz （b） 5 V p-p輸入方波
最后一幅屏幕截圖（圖12）顯示375 kHz、5 V p-p方波（紅色線）和1.5 MHz、42 ns寬5 V p-p脈沖（綠色線）的情況。水平刻度為333 ns/分頻比。AD783采樣器保持完整的5 V擺幅，即便輸入這些較窄的42 ns脈沖也是如此。
圖12. 雙蹤雙通道、10×探頭：375 kHz、5 V p-p方波和1.5 MHz、42 ns 5 V p-p脈沖
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