数字示波器信号调理通道实验实验指导书.doc

DSO模拟通道实验指导书一 实验目的1. 学习典型数据采集系统（DSO）基本结构原理图。2. 学习信号调理基本原理，掌握压控增益放大器使用方法。3. 理解选用移位寄存器控制电路的目的。4. 理解触发通道的作用。二 实验内容1. 输入相同幅度的信号，在不同幅度档位下观察波形的大小（div）。2. 在DSP开发平台中，修改增益控制电压，观察并记录波形的大小（div）。3. 改变移位调节电压，观察并记录波形上下移动的位置。三 预备知识1. 了解运算放大器的基础知识及作用。2. 了解模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）基础知识。3. 会使用C语言在DSP开发环境中进行编程。四 实验设备与工具硬件：测控技术及嵌入式开发平台，PC 机。软件：Visual DSP+ 。五 实验原理简介1、信号调理电路基本结构上图是DSO垂直放大电路的总体示意。被测信号通过垂直放大电路进行调理，最终使得输出信号的峰峰值和偏置电压都满足ADC的输入要求。本次实验的DSO的垂直灵敏度为5mV/div到5V/div(1-2-5步进)，最大输入电压为200Vrms，带宽为双通道（CH1、CH2）100MHz。监控程序对不同的档位进行相应的设置。 由此可见为了满足1-2-5步进的精度要求，必须提供正确的Vgain和Voffset电压。为了避免因输入信号过大而损坏器件的情况，在通道输入前端的射随电路部分加入了过压保护电路。在信号通过射随后，其输出幅度在-5V+5V的范围内。而对于100MHz的带宽指标，通道中的放大器带宽是主要的决定因数。在DSO的设计中，对垂直放大通道而言除了基本的放大、衰减功能外，还要提供其它一些辅助功能：1) 信号耦合方式：交流、直流、接地2) 信号带宽限制：20MHz/100MHz3) 垂直位移电压调整：约2mV步进4) 垂直档位调整：粗调（1-2-5）、细调（幅度线形变化）2、无源衰减网络和阻抗变换电路 无源衰减网络由于DSO的测量范围是有限的，它使用了ADC，而ADC的输入信号电压要求Vpp是1V；并且其参考电平一般为1.8V。所以在信号被AD采样之前，要经过衰减或放大。第一级的无源衰减网络如图所示。其中C105、C106、C107是补偿电容；考虑到实际电路分布电容、引线电容等，加上R107和R103作高频补偿电阻。通过调节C106使得该网络满足最佳补偿（R1/R2=C2/C1）。图2-3 阻抗变换电路负反馈电路中设计的阻抗变换电路如图2-3所示。电路中的场效应管J1、J2和作为射级跟随器的晶体管Q1把1M的输入阻抗变换到几欧姆。负反馈电路可由放大器形成，以稳定电路的直流工作点。两个二极管提供了+5 / -5伏的箝位电压形成过压保护电路。3、信号主放大级和带宽限制电路1/10信号放大级是垂直放大电路的重要组成部分。其作用是将输入的小信号放大，这要求在电路的100MHz带宽内的噪声、失真小，增益稳定。我们选择了低失真集成运放来实现前置放大。由于一般放大器的带宽随着增益增大而减小，为了保证在10倍放大的情况下带宽大于100MHz，该放大器的大信号带宽和摆率是主要考虑的指标。当然由于10倍放大一般是在通道的小档位上使用，而此时输入信号是几毫伏到几十毫伏的小信号，噪声的影响相对比较明显，所以要求该放大器的信噪比大。电路如图所示。电路中的C114和R110串联构成高频补偿电路，中频放大倍数约是R111/R109=10，1/10转换由继电器控制。带宽限制网络的作用是提供20MHz的带宽限制功能，和解决前置主放大电路在1/10两个状态下，由于带宽不同所引起的波形不一致的问题。另外，为了在被测信号不变的条件下，不同档位上所观察到的信号有相同的形态，波形不会出现明显的变化（还是由放大器带宽随增益变化引起），可能要加入类似带宽限制的电路。INCONTROL带宽限制电路构成带宽限制电路如图所示。4、可变增益放大电路可变增益放大电路的作用是提供对垂直放大电路粗调档位的1-2-5步进的精确控制和细调档位增益线性变化功能，并且为垂直放大通道的自动校正提供硬件支持。可变增益放大电路，采用压控增益放大器AD8337，通过调整Vgain来实现对信号增益的调节。为了实现可变增益放大，我们选用了-3dB带宽为280MHz的压控可变增益放大器AD8337，其最大增益Avmax=24dB，当增益控制输入电压Vg在-0.6V+0.6V范围内变化时，增益G在024dB范围内变化，并且变化曲线在增益G以对数坐标表示的情况下是线性的，如图所示，理论上该增益G的最小值为-0.6V+0.6V范围线性最好；增益控制电压由12位的DAC来提供，其输出电压范围是04096mV，实际提供的步进电压为1mV。经过可变增益放大电路以后，使得信号的Vpp可满足ADC的输入幅度要求。可变增益电路输出的信号不仅提供给后极的驱动级电路，同时向触发电路提供触发信号。5、垂直位移电压调整电路正如可变增益电路的作用是实现对送入ADC的被测信号峰峰值的精确调整，位移电压调整电路是实现对被测信号偏置电压的调整。如图所示。图2-7 位移电压调整电路由于这里的宽带运算放大器主要作用不是对信号进行放大，而是通过它提供可调的偏置电压，其-3dB带宽只要保证在G=+2的条件下远大于100MHz，而输出电流要求足够大以推动后级的ADC。放大器的输出为：其中的Vref也由12位的DAC提供，实际的步进电压为1mV。6、运算放大器的特点及选取由于集成运算放大器具有高放大倍数，集成电路内元器件之间的相对误差小，偏置电流小等特点，所以在模拟通道的设计中经常采用集成运算放大器。根据集成运算放大器内采用反馈形式可分为电压反馈和电流反馈，在垂直放大电路中我们所使用的放大器都是电流反馈类型放大器。与电压反馈结构相比，电流反馈结构的同相输入端和反相输入端是用一个单位增益电路相连，这使得反相输入端将自动保持与同相输入端相同的电压，同时导致在其反向输入端具有很低的阻抗。并且更重要的特点是它的电压摆率很高，使得运算放大器的大信号性能接近与其小信号性能；随着增益的提高其带宽的降低是很小的。由于DSO垂直通道的输入信号的幅度范围变化较大，一般从几毫伏到几十伏，为了保证通道的100MHz带宽，在选择运算放大器时，主要考虑了放大器的带宽、摆率、CMRR、输入/输出电压范围等几个比较重要的指标。在对应的增益G满足要求的条件下，其-3dB带宽要大于100MHz，并且考虑到当输入信号作大幅度跳变时带宽也要足够大，这就要求放大器的摆率满足：同时，在垂直放大电路各部分电路间，前级电路的输出电压的最大幅度必须小于后级电路的输入电压的最大范围，输出电流也要能够驱动后级电路。在满足基本要求的情况下，再考虑CMRR，PSRR等指标。7、触发电路下图是DSO触发电路的总体示意。如上图所示，系统触发信号通过多路选择电路来提供，其输入触发源的选择有四种，分别为：外触发、CH1触发、CH2触发、电源触发。系统触发信号经过耦合控制电路，分别输入视频触发和边沿触发电路，最终DSO系统根据用户的触发设置选择其中一路信号作为当前触发信号。为了避免因输入的外触发信号过大而可能导致的器件损坏，电路中还要加入保护电路，保证输入到多路选择器的外触发信号幅度在-5V+5V范围内。触发系统提供的主要功能有：1) 触发耦合控制：直流、交流、高频抑制、低频抑制2) 触发类型选择：视频触发、边沿触发3) 触发源选择：外触发、CH1触发、CH2触发、电源触发4) 触发电平可调：步进电压约2mV5) 触发极性选择：上升沿、下降沿触发电路主要提供了对多路触发源的选择和对触发信号的整形功能。我们提供的触发类型可分为视频触发和边沿触发。视频触发的触发源有：CH1、CH2、EXT、EXT/5；边沿触发的触发源有：CH1、CH2、EXT、EXT/5、AC。CH1、CH2触发信号源是由可变增益电路的输出直接提供，避免了触发信号受到位移电压的调整的影响，使得提供给电压比较器的触发信号稳定。其信号的峰峰值范围是1Vpp。外触发信号可选择EXT和EXT/5两种模式（通过继电器来选择）。其电路的设计与垂直放大电路相同：首先都经过一个无源衰减网络，再通过阻抗变换电路向后级的多路选择电路提供外触发信号。电源触发信号是由DSO的电源电路来提供，其信号峰峰值为1Vpp、频率为50Hz。视频触发主要通过视频同步分离器提取出视频信号中的场同步和行同步信号作为触发信号。触发的极性可选，其负脉冲对应于PAL，正脉冲对应于NTSC。多路选择电路系统触发信号的多路选择电路如图2-9所示。由于输入的触发信号可能是高频信号，这就要求多路选择器件的-3dB带宽远大于100MHz，以避免由于该器件带宽不足而引起系统触发信号变形，触发不稳，甚至无触发。这对于采用随机采样的DSO而言，由于触发不稳，使得各组采样点不能摆放到正确的显示位置，将导致显示的波形失真、并出现飞点、缺点的现象。经过多路选择器输出的触发信号送到ADCMP562进行比较整形，如图所示。主要器件介绍AD5628介绍AD5628是Analog公司的一款8通道、12位DAC。内置一个2.5 V基准电压源，并具有2倍内部增益，输出电压范围为0 5 V。AD5628采用与SPI兼容的3线串行通信接口，通过该接口将控制数据写入内部32位寄存器。寄存器前4位是无关位，后续4位是命令位C3至C0(参见表8)，然后是4位DAC地址A3至A0(参见表9)，然后是12位数据字，最后8位为无关位。 1. AD8337介绍AD8337是Analog公司的一款可变增益放大器(VGA)，通过控制输入引脚GAIN的电位可以实现增益范围在0 24dB之间的调节。增益与GAIN引脚电位的关系图如下所示。计算公式为： 六、实验步骤1. 操作实验平台信号源，输出相应的波形信号。2. 运行PG1000_ch_test文件中的工程。3. 完成如下测试表。（1）调节信号源输出300mVpp ，1kHZ正弦波信号，测量信号幅度与控制电压关系。垂直灵敏度200mV/div100mV/div50mV/div20mV/div粗衰减状态（开启/关闭）10放大电路状态（开启/关闭）Vgain（mv）输出信号（div）（2）调节信号源输出100mVpp ，1kHZ正弦波信号，测量信号幅度与控制电压关系。垂直灵敏度100mV/div50mV/div20mV/div10mV/div粗衰减状态（开启/关闭）10放大电路状态（开启/关闭）Vgain（mv）输出信号（div）（3）调节信号源输出3Vpp ，1kHZ正弦波信号，测量信号幅度与控制电压关系。垂直灵敏度5V/div2V/div1V/div500mV/div粗衰减状态（开启/关闭）10放大电路状态（开启/关闭）Vgain（mv）输出信号（div）结论分析：试分析在粗增益控制相同情况下，垂直灵敏度和Vgain的大概关系？（4）调节信号源输出300mv ，1kHZ正弦波信号，垂直灵敏度档位设置为50mV/div，观察信号偏移幅度与偏移电压关系。