（测试计量技术及仪器专业论文）dso通道与触发电路模块设计研究.pdf

一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 至主建 日期：勘c - 年f 月7 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：三羞! 遣导师签名： 日期：矽伽年6 月7e t 一 摘要 摘要 数字存储示波器( d s o ) 是近年来随着数字化技术的发展而发展起来的一种新 型仪器。它是利用a d c 技术把模拟信号转换成数字量，进行存储再现的示波器。 d s o 通道与触发电路是数字存储示波器最重要的组成部分之一，其性能的好坏直 接决定了示波器测量的精度和范围。 本课题围绕“d s o 通道与触发电路模块设计研究”这一主题而展开。其主要 内容包括信号通道电路设计、触发通道电路设计、通道控制电路设计以及电路的 抗干扰设计。在低成本情况下，完成高平坦度的d s o 通道设计。 信号通道由衰减电路、阻抗变换电路、放大电路等电路组成。外界信号经过 这些电路后送到a d d 转换器。为了保证衰减网络以及放大电路能够正常工作，在 这两级电路之间加入了阻抗变换电路，将高的输入阻抗变换成低的输出阻抗。其 中放大电路由可变增益放大器( v g a ) 放大电路和输出驱动电路组成，前者控制增 益的大小，后者用来提高通道带负载能力。 触发通道主要包括触发源选择，耦合类型选择以及触发比较器等电路组成。 通道控制电路是d s o 通道的整个控制系统，它接受外部的输入信息，然后将该信 息转换多个控制信号，来控制d s o 通道的工作。 关键词：数字存储示波器( d s o ) ，信号通道，触发通道，放大电路 l a b s l r a c t a b s t r a c t d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ( d s o ) i san e w i n s t r u m e n tw i t ht h ed e v e l o p m e n to f d i g i t a lt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s i ti s a no s c i l l o s c o p et h a tu s eo fa d ct e c h n o l o g y c o n v e r t sa n a l o gs i g n a li n t od i g i t a ls i g n a la n dr e c u r r e n c eo fs t o r a g e t h ed s o c h a n n e l a n dt h et r i g g e r i n gc i r c u i ta r eo n eo fd s om o s ti m p o r t a n tc o n s t i t u e n t s i t sp e r f o r m a n c e s q u a l i t yh a dd e c i d e dd i r e c t l yt h eo s c i l l o s c o p es u r v e y sp r e c i s i o na n ds c o p e t h et h e m eo ft h i sp a p e ri st od e s i g n ”d s oc h a n n e la n dt r i g g e r i n gc i r c u i tm o d u l e d e s i g nr e s e a r c h ”i t sp r i m a r yi n c l u d e sc h a n n e lc i r c u i td e s i g n ，t r i g g e r i n gc h a n n e lc i r c u i t d e s i g n ，c h a n n e lc o n t r o lc i r c u i td e s i g na n dc i r c u i t sa n t i ja m m i n gd e s i g n i nl o wc o s t s i t u a t i o n ，c o m p l e t e st h eh i g hs m o o t h n e s so f t h ed s oc h a n n e ld e s i g n s i g n a lc h a n n e lc o n s i s t so fa t t e n u a t i n gc i r c u i t ，i m p e d a n c et r a n s f o r m a t i o nc i r c u i ta n d a m p l i f i c a t i o nc i r c u i t a f t e rt h r o u g ht h e s ec i r c u i t st h ee x t e r n a ls i g n a l w a ss e n tt oa d c o n v e r t s f o ra t t e n u a t i n gc i r c u i ta n da m p l i f i c a t i o nc i r c u i tc a nw o r kb e t t e r , w es h o u l d a d di m p e d a n c et r a n s f o r m a t i o nc i r c u i tt ot h i st w oc i r c u i t s ，w h i c hc a nt r a n s f o r mh i g h i m p u t i n gi m p e d a n c ei n t ol o wo u t p u t t i n gi m p e d a n c e t h ea m p l i f y i n gc i r c u i ti sc o m p o s e d o ft h ev o l t a g ec o n t r o lg a i na m p l i f y i n gc i r c u i ta n dt h eo u t p u td r i v i n gc i r c u i t ，a n dt h e f o r m e rc o n t r o lg a i ns i z e ，t h el a t t e re n h a n c e st h ec h a n n e l sd r i v i n gl o a dc a p a c i t y t r i g g e r i n gc h a n n e lc o n s i s t so ft r i g g e rs o u r c ec h o i c ec i r c u i t ，c o u p l i n gt y p ec h o i c e c i r c u i t ，a n dt r i g g e rc o m p a r a t o r t h ec h a n n e lc o n t r o lc i r c u i ti st h ed s o c h a n n e l sc o n t r o l s y s t e m ，w h i c ha c c e p t st h ee x t e r i o ri n p u ti n f o r m a t i o n ，t h e nt r a n s f o r m st h i si n f o r m a t i o n i n t om a n yc o n t r 0 1s i g n a l st h a tc o n t r o l st h ed s oc h a n n e l sw o r k k e yw o r d ：d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ( d s o ) ，s i g n a lc h a n n e l ， t r i g g e r i n gc h a n n e l ，a m p l i f y i n gc i r c u i t n l 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 国内外发展状况1 1 3 本设计的任务指标3 第二章d s o 通道与触发电路原理设计4 2 1 通道电路原理设计4 2 1 1 无源衰减电路原理设计。6 2 1 2 阻抗变换与带宽限制电路原理设计6 2 1 3v g a 运放与输出驱动电路原理设计9 2 2 触发电路原理设计9 2 2 1 触发源和触发方式选择1 0 2 2 2 视频触发与边沿触发1 1 2 3 通道控制电路设计1 2 2 4 运放的应用设计1 3 2 4 1 运放的应用准则1 4 2 4 2 运放的结构介绍1 5 第三章通道电路的仿真实验2 0 3 1 信号通道2 1 3 1 1 无源衰减电路仿真2 1 3 1 2 阻抗变换与带宽限制电路仿真2 3 3 1 3v g a 放大电路仿真2 4 3 1 4 输出驱动电路仿真2 8 3 1 5 综合仿真3 0 3 2 触发通道3 3 3 2 1 触发源选择3 3 3 2 2 放大电路3 4 3 2 3 边沿触发3 5 目录 3 2 4 视频触发3 7 第四章p c b 板的抗干扰设计4 0 4 1 电源系统设计4 1 4 2 接地系统设计4 2 4 3 传输线设计4 3 4 4 电路板的布局和叠层设计4 7 4 。4 1 电路板布局4 7 4 4 2 电路板叠层设计4 9 第五章通道测试及分析5 0 5 1 调试前的准备工作5 0 5 2 方波增益的测试5 1 5 3 频率响应测试5 3 结论5 9 致谢6 0 参考文献- 6 1 攻读硕士期间的研究成果6 2 i v 第一章绪论 课题背景 第一章绪论 示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变 换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器直观的显示效 果有助于对被测对象的深入理解，所以它得到了广泛的应用，目前它在电子行业 的各个领域发挥着重要的作用。随着电子测量仪器的发展，电子测量技术及仪器 已经在电子领域成为一门独立的学科，其先进性也是一个国家科学技术先进水平 的重要标志。 示波器是电子测量的重要工具。上个世纪四十年代是电子示波器兴起的时代， 由于对波形观察工具的迫切需求，泰克成功开发出i o m h z 带宽的示波器，这是近 代示波器的基础。这一时期以模拟示波器为主。随着电子行业的发展，人们对示 波器带宽的要求也越来越高。要进一步提高模拟示波器的带宽也就越来越困难了， 而数字存储示波器要改善带宽比模拟示波器要容易的多。二十世纪八十年代数字 存储示波器迅速发展，逐渐开始取代模拟示波器。相对于模拟示波器，数字存储 示波器有许多优点。既适用于重复信号的检测，也适用于单次瞬态信号的测量。 加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理，以及多种触发和预前触发能力， 能方便地与外界进行数据通信；具有菜单选择、通道状态和测量结果的全屏幕注 释功能等，从而使其在电子行业有广泛的应用。 1 2 国内外发展状况 近几年，国内厂商在数字示波器市场开拓及技术创新方面取得了较好的业绩， 涌现出像普源精电、优利得、绿杨等公司且纷纷推出自己的数字示波器，竞争也 越来越激烈。但与国外大公司相比，国内企业仍有很大的差距，业内人士表示， 面对如此庞大而激烈竞争的市场，国内企业要想在这个市场生存下来，需要利用 自己的本土优势，一方面要掌握市场的需求，最大程度的满足用户的实际使用需 求，独创自己的品牌，另一方面要不断向中高端产品发展，不断推出性能更强大 的多功能示波器以满足更高的测试要求需要。 电子科技大学硕十学位论文 目前，数字存储示波器市场主要由三大生产厂家主导，美国t e k 公司、a g i l e n t 公司和l e c o r y 公司。上世纪四十年代t e k 公司发明了世界上第一台触发式示波器， 经过几十年的发展，已经成为全球最大的示波器供应商之一，其推出的d p 0 7 0 0 0 0 系列示波器具有2 0 g h z 的模拟带宽，实时采样率高达5 0 g 。其先进的触发系统，提 供了最灵活、性能最高的触发功能，可以实现上千种组合条件的触发，能够捕获 到2 0 0 p s 的毛刺；其独特的保证信号高保真度的获取结构，能够提供快速瞬态信 号或重复信号的多通道获取，并且还可以显示所有测量的有效修正，具有先进的 波形处理。 a g i l e n t 公司拥有强大的测量仪器部门和半导体部门，射频和微波测量仪器是 业界的老大，数字存储示波器也是它的强项。凭借在射频和光电半导体器件具有的 影响，以及它在s i 、g a a s 、i n p 材料( 它们有很高射频特性) ，m o s 场效应器件，异质 结双极晶体管、e - p h e m t ( 加强型膺晶电子迁移率晶体管) 方面的一流水平，推出了 四通道模拟带宽高达1 3 g h z ，实时采样率为4 0 g s p s 的实时示波器d s 0 9 0 0 0 0 a 。是 t e k 公司最主要的竞争对手。 l e c o r y 公司是一家专门从事高端数字示波器的公司。找到其它s i g e 材料和工 艺制造厂，为它的最高档数字存储示波器w a v e m a s t e r 系列生产前端宽带电路，在 2 0 0 2 年推出带宽6 g h z 的数字示波器，力科的前端宽带电路包括前端放大器、a d 转换器，触发器和探头电路。其推出的w a v e m a s t e8 3 0z i 数字示波器可以达到3 0 g h z 的实时带宽。 随着技术的发展，出现了数字荧光示波器( d p o ) ，数字荧光示波器为示波器 系列增加了一种新的类型，能实时显示、存贮和分析复杂信号的三维信号信息： 幅度、时间和整个时间的幅度分布。d s o 采用串行处理的体系结构捕获、显示和 分析信号；相对而言，d p o 为完成这些功能采用的是并行体系结构。并行结构和 基于a s i c 硬件的处理技术，使数字荧光示波器能够捕捉到当今复杂的动态信号中 的全部细节和异常情况，并以人类的眼睛的接受速度显示出来。普通数字示波器 要观察偶发事件需要使用长时间记录，然后作信号处理，这种办法会漏掉非周期 性出现的信号而且不能显示出信号的动态特性。数字荧光示波器能够显示复杂波 形中的微细差别，以及出现的频繁程度。例如观察电视信号，既有行扫描、帧扫 描、视频信号和伴音信号，还要记录电视信号中的异常现象，对于专业人员和维 修人员都是同样重要的。 第一章绪论 为我国电子仪器与测试技术的发展开创新的篇章，这对于国防现代化建设具有重 要的意义，也将为军用和民用电子领域高新技术的研究与开发提供先进的检测、 分析与处理工具，保障我国电子信息技术的健康、稳定发展。 1 3 本设计的任务指标 本课题包括d s o 通道与触发电路的原理图设计，p c b 设计和焊接，以及最终的 调试。由于本课题来源于工程应用，成本是一个重要的因素。在本设计中，对器 件的选择充分考虑其价格因素，对通道中一些主要的芯片进行筛选和比较。在低 成本情况下，来提高通道的各项指标要求，尤其是通道的平坦度。本设计中的主 要技术指标为： ( 1 ) 一3 d b 带宽：2 0 0 m h z ( 2 ) 偏转因数：5 m v d i w - - 5 v d i v ( 1 - 2 - 5 步进) ( 3 ) 通道平坦度：0 2 d b 可到达i o o m h z ，0 1 d b ( 约1 的平坦度) 可达到6 0 m h z ( 4 ) 输入信号范围：5 m y - - - 5 0 v ( 5 ) 触发类型：边沿触发和视频触发 ( 6 ) 触发源：通道l 触发、通道2 触发、外触发、5 0 h z 信号触发 3 1 电子科技大学硕士学位论文 第二章d s o 通道与触发电路原理设计 d s 0 通道与触发电路主要由两个信号通道、触发通道、系统电源、控制电路 组成。其整体结构图如图2 - 1 中的虚线框所示。系统电源给整个通道板提供电源， 输入信号 输入信号 外触发信号 i i l i l i 图2 - 1d s o 通道与触发电路模块组成框图 控制电路通过接受采集控制板的命令来控制通道板的正常工作，外部输入信号经 过信号通道调理后，直接送到a d 转换器。外触发信号和经过调理后的信号送到 触发通道，经过处理之后送到采集控制板。 2 1 通道电路原理设计 在图2 一l 中，最主要的模块是信号通道和触发通道的设计。信号通道包括通 道1 和通道2 ，由于它们的组成和工作原理是一样的，因此只对其中一个进行介绍。 信号通道的具体结构框图如图2 2 所示。对于幅度较大的信号，衰减电路对其进 图2 - 2 信号通道电路模块组成框图 行适当的衰减；而幅度较小时则不需要衰减。增益放大则是根据信号幅度的大小 进行不同程度的放大。阻抗变换不仅使前后级可以很好的接口，而且可以起到前 后级隔离的作用。为了提高通道板带负载能力，输出驱动采用输出电流较大的运 放。外部输入信号经过这些电路调理后，送到后端进行处理。 4 第二章d s o 通道与触发电路原理设计 本文设计要求信号的最大动态输入范围为5 m v , - - 一，5 0 v ，为了方便讨论，均 按照输入信号的绝对值来描述。从5 m y 档位到5 v 档位，按照卜2 5 步进共1 0 个 档位，依次是5 m v 、l o m v 、2 0 m v 、5 0 m y 、l o o m v 、2 0 0 m y 、5 0 0 m v 、l v 、2 v 、5 v 。以 5 m v 档位为直通档位，其它档位是相对此档位的衰减。在数字示波器中，显示屏每 格为2 5 点，其a d c 都是8 位的，其能够转换来的数字量为0 到2 5 5 共有2 5 6 点， 令v 陌为a d c 的最大输入信号，v 。为经过通道处理后送到a d c 端的信号。则有， v j 2 5 = v ，。2 5 6 ，可得到v ；。= v f s * 2 5 2 5 6 ，故对于5 m y 档位其整体增益v 。= v i 5 m v 。 在本设计中a d c 的最大输入范围为1 2 8 v ，则可以得到5 m v 档位的增益为2 5 。显 然l o m v 档位相对于5 m y 档位衰减一半，即增益应该为1 2 5 ，而2 0 m y 档位为6 2 5 ， 依次类推，可以得到其它所有档位的增益。从图2 - 2 可知，整体信号通道的增益 可以由衰减电路、v g a 放大电路、输出驱动三级的组合来控制，在本设计中，将衰 减电路的衰减倍数设计为4 0 ，输出驱动级采用固定增益，其增益为5 ，根据不同 的档位的增益，通过控制v a g 放大电路来得到。对5 m v 到1 0 0 m v 档位不衰减，2 0 0 m v 到5 v 档位衰减4 0 倍，由于输出驱动级的增益为5 ，可以得到v g a 放大电路在5 m v 档位的增益为5 ，l o m v 档位为2 5 ，依次可以得到其它档位的增益。同时考虑到， 当v g a 放大电路增益为5 时，仿真得到的频率响应不太理想，而将此级增益设计 为4 时可得到较好的效果，故在5 m y 档位和2 0 0 m v 档位中，将此级的增益设计为4 。 其各级衰减与放大如表2 一l 所示。 表2 一l 档位量程表 档位衰减级v g a 放大级输出驱动级 0 册v45 1 0 m v2 55 2 0 m v1 2 55 5 0 m v0 55 l o o m vo 2 55 2 0 0 m v4 045 5 0 0 m v4 025 l v4 0 1 5 2 v4 00 55 5 v4 0 0 25 5 电子科技人学硕+ 学位论文 2 1 1 无源衰减电路原理设计 通常的无源衰减电路由r c 组成，基本的衰减电路如图2 - 3 所示拉1 ，v i n 为信 号的输入，v o u t 为信号的输出，衰减量的大小为v o u t 与v i n 的比值。设z 。为r 。 r 1 7 0 7 0 图2 3 衰减电路示意图 与c ：的并联阻抗，z 。为r 。与c 。的并联阻抗，则有v o u t v i n = z ：( z 。+ z ：) ，其中z 。、 z 。的具体表达式为 一丽ri而jw而c2=丽rizl= ( 2 1 ) = 一 ( 夕一1 ) r l + 1 j w c 2l + i w r l c 2 一“ z ：= 丽r 6 而j w 忑c 4 = 丽r 6 ( 2 2 ) r 6 + 1 j w c 41 + i w r 6 c 4 7 从上述表达式可知，当r i c ：= r 6 c 。时，z ：( z + z ：) = r 6 ( r l + r 。) ，这时的衰减大 小与频率无关，此时达到最佳补偿。在实际设计p c b 时，由于引线电容、分布电 容等的影响，导致r c ：不等于r 。c 。，因此需要加一些补偿电容来适当的调节，使他 们相等。改进后的原理图如图2 4 所示，其中c 1 、c 2 、c 3 、c 4 为高频补偿电容， 7 07 07 0 图2 - 4 衰减电路原理图 r 2 、r 5 为高频补偿电阻，c 3 是可调电容，通过调节其大小，就可以达到最佳补偿。 2 1 2 阻抗变换与带宽限制电路原理设计 为了保证前级的衰减电路与后级的放大电路能够正常的工作，在这两级 6 第二章d s o 通道与触发电路原理设计 之间加入了阻抗变换电路。将高的输入阻抗变换成低的输出阻抗。其基本原理是 用运算放大器组成的跟随电路来实现。由于本通道的频带带宽为d c 2 0 0 m h z ，因 此需要将2 0 0 m h z 以上的信号滤除掉。我们选用二阶有源低通滤波器来实现，其电 路原理图如图2 - 5 所示。其中u l 必须是一款具有高输入阻抗、低输出阻抗的集成 运算放大器，而且其单位增益带宽要远大于2 0 0 m h z 。与用分立的场效应管搭成的 阻抗变换电路相比，电路结构简单易于调试，而且同时完成滤波和阻抗变换的功 能。而且所需器件也减少，降低了电路的设计成本。 2 - 5 阻抗变换与带宽限制电路原理图 在卜图中协3 ，设输入、输出以及m 点、p 点、n 点处的电压分别为明( s ) 、u o ( s ) 、 u m ( s ) 、u p s ) 、州5 ) ，为方便讨论，令r i = t l 2 = r ，c i = c 2 = c 。则可以得到m 点的 电流方程为 u ( s ) 一溉( s ) r 把p 点的电流方程为 代入上式2 - 3 可以得到 u m ( s ) 一u o ( s ) 溉( s ) 一u p ( s ) 1 r ( 2 - 3 ) s c u g ( s ) 一协( s ) 协( s ) - - - - - - 一= 一r 1 s c u ( s ) 一u m ( s ) u m ( s ) 一u o ( s ) u p ( s ) 尺 11 s cs c 根据运放虚短的概念可以得到 己届( s ) = u n ( s ) = u o ( s ) 代入到式2 5 可以得到 7 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 电子科技大学硕士学位论文 删5 锹= 上i + 2 s r c + ( s r c ) 2 由于 s = j w = j 2 1 r f 同时令 厂。= 丽1 代入到式2 - 7 可以得到电压增益函数为 a “。 l 1f 1 + ，五 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 由此可以得到电压幅度为 4 。：l 1 + f ，甜 - 1 1 ) l ，0 根据此式可以得到h 3 ： ( 1 ) 当厂 确时，彳。( 石矿) 2 ，用分贝表示为2 0 1 9 a 。= 2 0 1 9 ( 矗f ) 2 = 4 0 1 9 ( j 舀f ) 。这 是一条斜率为4 0 d b 1 0 倍频程的斜线，与0 分贝线在频率矗处相交，所以局也称 为转折频率。考虑到实际情况，可以得到如图2 - 6 所示的幅频特性。 2 0 1 9 a 。 图2 - 6 滤波器幅频特性 在实际设计中，根据2 0 0 m h z 的带宽要求，即要求3 d b 衰减相当于0 7 0 7 倍 的衰减处频率为2 0 0 m h z 。 8 第二章d s o 通道与触发电路原理设计 2 1 3v g a 运放与输出驱动电路原理设计 由于通道板的档位较多，从最小的5 m y 档位到最大的5 v 档位，按照1 - 2 - 5 步 进多达1 0 个档位。若按传统的设计，则需要好几级的放大，或者衰减，不仅电路 复杂，而且还会影响通道的性能指标，需要用继电器来控制增益，无形中增加了 电路板的面积，大大增加了成本，也增加了调试的难度。本文采用t i 公司的v g a 运算放大器v c a 8 2 4 嵋1 ，不仅电路结构简单，增益范围调节范围也较大。完全满足 设计要求。对于输出驱动电路，也选用了t i 公司的t h s 4 3 0 2 ，该芯片内部封装了 反馈电阻和增益电阻，电路结构简单，且输出电流较大，可以达到1 8 0 m a 。整个原 理图设计如图2 - 7 所示。由于u 2 内部有增益电阻和反馈电阻，把其反相输入端接 图2 - 7v g a 运放与输出放大电路原理图 地便得到一固定增益的放大器。电阻r g 和r f 是增益电阻和反馈电阻，二者的大 小决定u 1 的增益变换范围、可以达到的最大增益、输入电压范围以及增益控制电 压的范围。适当的选择二者的值对整个设计具有十分重要的作用。 2 2 触发电路原理设计 触发电路的作用就是保证每次时基扫描或采集的时候，都从输入信号上与定 义的相同的触发条件开始，这样每一次扫描或采集的波形就同步，可以每次捕获 的波形相重叠。触发信号调理电路的任务就是将来自不同通道，有不同频率和幅 度的触发信号转变成可接受的触发脉冲。图2 8 是触发电路的结构框图，其中无 9 2 2 1 触发源和触发方式选择 触发源选择电路包括通道1 触发、通道2 触发、外信号触发和5 0 h z 工频信号 触发。触发耦合选择电路包括直流耦合、交流耦合、低频抑制和高频抑制。触发 源的选择要根据测量信号本身的特性来决定，以保证被测信号能够在示波器上稳 定的显示。各触发源的功能特征如下： ( 1 ) 通道1 和通道2 触发：将被测信号本身作为触发源； ( 2 ) 外信号触发：用外接的、与被测信号有严格同步关系的信号作为触发源， 这种触发源适合用于比较两个信号之间的同步关系，或者当被测信号不适合作触 发源时使用； ( 3 ) 5 0 h z 工频信号触发：用5 0 h z 的正弦信号作为触发源，这种触发源适用于 观测与5 0 h z 信号有同步关系的信号。 触发源和触发方式选择电路原理图如图2 9 所示。 通道1 通道2 外信号 5 0 h z 信号 触 一d c 耦合卜_ 触 发 发 一a c 耦合卜-耦 源 厶 选 - - h f 抑制l 口 选 择 - t l f 抑制卜_ 择 触发信号输出 多路选择器多路选择器 图2 - 9 触发源和触发方式选择电路原理图 触发耦合是触发信号与触发电路的耦合方式，可为触发信号选择各种耦合方 式。这些设置对消除触发噪声很有用处，噪声的消除可以避免错误的触发。触发 耦合方式： 1 0 第二章d s o 通道与触发电路原理设计 ( 1 ) d c 耦合：触发信号直接连到触发电路。 ( 2 ) a c 耦合：触发信号通过一个串联的电容连到触发电路起到隔直流作用。 ( 3 ) h f 抑制：使触发信号通过低通滤波器以抑制高频分量，这意味即使一个 低频信号中包含很多高频噪声，仍能使其按低频信号触发。 ( 4 ) l f 抑制：使触发源信号通过一个高通滤波器以抑制其低频成分。这意味 即使一个高频信号中包含很多低频噪声，仍能使其按低频信号触发。这对于显示 包含很多电源交流信号时情况是很有用处的。 2 2 2 视频触发与边沿触发 从图2 - 7 可知触发信号经过触发源选择、触发方式选择以及放大之后，分成 两路，一路送到边沿触发，另一路送到视频触发。 边沿触发：通过比较器，将触发信号与预先设置好的电平进行比较，输出的 信号即为边沿触发信号，然后送到后端的数据采集系统。边沿触发的作用是使每 一次扫描起始都从信号的相同触发位置开始，不断的显示输入信号的相同部分， 并使每次捕获的波形相重叠显示。 视频触发：通过视频同步分离器提取出视频信号中的奇偶场信号、场同步信 号以及复合同步信号，将它们作为视频触发信号。 其电路原理框图如图2 1 0 所示。 触 触 广 厂 厂 广 厂一 广一 图2 1 0 视频与边沿触发 触发信号经过处理之后，分成两路，一路送到视频同步分离器，得到复合同步 信号( c s o u t ) 、场同步信号( v s o u t ) 、奇偶场信号( 0 d d e v e n ) 。另一路送到t 匕较 器，通过控制触发参考电平与触发信号进行比较得到占空比不同的方波 ( p u l s e o u t ) 。 电子科技大学硕士学位论文 2 3 通道控制电路设计 通道控制电路是整个d s o 通道的控制平台。它接受d s o 采集控制板的信息， 经过处理后，产生多个控制信号，来控制整个信号通道和触发通道的工作。其中 信号通道有衰减网络的开断、放大级的增益大小等；触发通道有衰减网络的开断、 触发源的选择、触发方式的选择、触发电平的调节等。整个控制系统以a l t e r a 公 司的c p l d 为中心，采集控制板发给c p l d 的信号有c l o c k 信号、d a t a 信号、 l a t c h 信号，它们的时序关系如图2 1 l 所示。 乱o c k 1 几f 1 1 几f 门几f 1 1 几几f 1f 1 几几 。肌x 犯d x 灼似x 灼似x 固似虻 l a t c h 弋臣s s s 受爻函厂 图2 - 1 l 通道控制信号的时序 当c p l d 检测到l a t c h 信号有下降沿时，数据开始有效，在时钟的作用下， 开始接受数据。然后将数据转换成控制信号，来控制通道板的工作。为方便整个 通道板的控制，将控制信号分为两类，即数字控制和模拟控制。对于衰减网络的 开断、触发源、触发方式等的控制则只需要给出不同的高低电平，此类为数字控 制，例如当控制信号为高电平时，对信号衰减，而为低电平时则不需要衰减。而 对触发参考电平、v g a 运放的控制等则需要给出具体的电压。此时需要d a 转换 器。整个控制系统的结构框图如图2 1 2 所示。在c p l d 和数字控制之间加驱动器 采集控制板 c p l d 图2 - 1 2 通道控制结构图 是为了提高控制的输出电流，以便更好的控制。 1 2 模拟控 制 数字控 制 第二章d s o 通道与触发电路原理设计 2 4 运放的应用设计 由于在本课题设计中，用的最多的器件是集成运放，对运放的选择、应用、 分析对本课题至关重要。在选择运放时，应该对运放的性能指标要有一个较全面 的理解，尤其是一些较重要的指标，例如运放的带宽，是否满足本课题所要求的 带宽。而在应用分析时，则需要运用运放的两个黄金准则，即“虚断”和“虚短” 的概念，以及对不同结构( 电压反馈和电流反馈) 的运放有较深的理解。本章节主 要介绍这些概念，并重点讨论不同结构运放的区别。 集成运算放大器简称集成运放口3 ，是具有高放大倍数的集成电路。集成运放的 应用在于它能够构成各种运算电路，并因此而得名。在运算电路中，以输入电压 作为自变量，以输出电压作为函数；当输入电压变化时，输出电压将按照一定的 数学规律变化，即输出电压反映出输入电压的某种运算结果。因此，集成运放工 作在线性区时，在深度负反馈的条件下可以构成比例、加减、积分、微分、对数、 指数等基本运算电路。 利用集成运放作为放大电路，引入各种不同的反馈，就可以构成具有不同功 能的实用电路。在分析各种实用电路时，通常都将集成运放看成理想运放。理想 集成运放最重要的性能指标有： ( 1 ) 开环差模增益( 放大倍数) a 0 d = o o ； ( 2 ) 差模输入电阻r i d - - o o ； ( 3 ) 输出电阻r o = 0 ； ( 4 ) 共模抑制比k c m r - ； ( 5 ) 上限截至频率f = o o ； ( 6 ) 输入偏置电流为0 ； ( 7 ) 输出失调电压为o ； ( 8 ) 转换速率( s r ) 为。 实际应用中，集成运放的技术指标均为有限值，理想化后必然会产生分析误 差。但是在一般的工程应用中，这是允许的。随着技术的不断发展，各种新型的 运放不断推出，其性能指标越来越接近理想，其误差也就越来越小。当然其价格 成本也有所增加，本设计中，在考虑成本的情况下，根据不同级别的情况来选择 某些指标，而不是选择所有指标都较高的芯片。例如对于阻抗变换电路，重点选 择输入电阻较大、输出电阻较小的运放，而对于输出驱动电路，则需要选择输出 电流较大的运放。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 2 4 i 运放的应用准则 尽管集成运放的应用电路各种各样，但其工作区域只有两个，即线性区和非线 性区。由于在本课题设计中，所有的运放都是工作在线性区的，以下主要介绍工 作在线性区的运放。从而引出分析运放的两个最重要的准则。 如图2 1 3 所示，集成运放的同相输入端和反相输入端的电压分别是蜥和低， 4 a , n 钿 t n 图2 1 3 集成运放符号图 电流分别是k 和厶。当集成运放工作在线性区时，输出电压应与输入差模电压成 线性关系，即满足 4 , 4 , o = a o d ( 饰一) ( 2 一1 2 ) 由于讹为有限值，对于理想运放a o d = ，因此，净输入电压饰一低= o ，即有 u , p = ( 2 - 1 3 ) 称两个输入端“虚短路。所谓“虚短路是指集成运放的两个输入端电位无穷接 近，但又不是真正的短路。 因为净输入电压为零，以及理想运放的输入电阻为无穷大，所以两个输入端 的输入电流也为零，即 厶：厶= 0( 2 - 1 4 ) 从集成运放的输入端看进去相当于断路，称两个输入端“虚断路”。所谓“虚断路 是指集成运放的两个输入端的电流趋于零，但又不是真正的断路。 “虚断 和“虚短 是非常重要的概念，是分析运放的两个黄金准则，也是分 析运放电路的基本出发点。 对于理想运放，由于a 0 d - - ，因而若在两个输入端加无穷小电压，则输出电 压就将超过其线性范围，当撕 时输出电压达到正向最大电压；当 一! 、； k t 一 ： 、口j t 龟一；知i 。- i - _ “r 一 丰飞；i 一i i 、龟 十一 a l o 5 硝 群撒锚嘲磊，氍弼 鬻7 - 错 _ 1 _ 傩一j 遍 t o 一_ _ 一- 【1 。m 一 m 【i _ 。” 了h ： l f 矗tl o o h =1 n k l 4 z1 0 k h 1 0 0 1 m 2 】o h w t 1 矗h z l o o h h 7 1o g h = co ： ov l r k ：2 j r r q l 坤n c y 图3 - 24 0 倍无源衰减电路幅频率特性 2 1 电子科技大学硕士学位论文 在图3 2 中，纵轴为幅度，变化范围从1 0 m v 到5 0 m v ；横轴为频率，变化范 围从1 h z 到1 g h z 。由于激励源的幅度为1 6 0 0 m v ，所以理想的输入应该为4 0 m y 。 根据可调电容c v a l 设置的步进值，图4 2 中从下到上的频率特性曲线对应c v a l 的 值分别为2 5 p f 、2 7 5 p f 、3 p f 、3 2 5 p f 、3 5 p f 。可以明显看出，当c v a l 为3 p f 时， 效果最理想。此时在低频时，输出信号幅度可达到4 0 0 0 9 m v ，几乎接近理想状态， 而在1 9 9 8 4 8 m h z 时，输出信号幅度为3 8 4 7 8 m v ，相当于4 0 m v 衰减0 3 4 d b 。从 图3 2 可以看出，当频率较低时，电容c v a l 在2 5 p f 到3 5 p f 之间变化的频率特性 曲线几乎相同，也就是说c v a l 对低频信号影响不大。而随着频率的增加，c v a l 的 变化对信号的幅度有着很明显的影响。可以看出电容c v a l 在整个衰减电路中的重 要性。其微小的变化，仅有0 5 p f 的变化，就会产生较大的影响，这也给实际中的 调试带来了潜在的困难，因为对电容值的精度要求较高，其可调范围非常小。 对图3 1 中的每个无源器件，都有一个准确的值，该值通常称为标称值。但在 不电跆胜用中，母i 、嵛仟州但个j 日e 刀怀孙但，乍| 疋甘、j 刀瞅1 2 1 ：o 剀川，一一i 欧姆的电阻，其生产厂家一般都会给出其精度，是1 、5 还是1 0 。且不同 蔓的电阻，其价格也不太一样，精度越高价格越贵。也就是说实际应用中的每 器件的值的大小都有一定的分散性。从而引起电路特性的分散性。利用p s p i c e 萎工具中的蒙托卡诺( m o n t ec a r l o ) 分析可以对电路的这种分散进行仿真。图3 3 时图3 - i 进行蒙托卡诺仿真分析的结果。 1 哳- - 3 t _ 。 0 h zi o h zl o o l l ：1 9 k h z10kh：lookhz 1o m h 7l o i x zi o o m h 2 lc h z 。 +一7v o i l ? ) 。 p r e q u q n e y 图3 - 34 0 倍衰减电路m c 仿真结果 上图是在电阻值采用标准值2 的情况下的仿真结果，同样的横坐标为频率， 坐标为幅度。从图中可以看出，电阻值的偏差对低频信号的影响要大于对高频 号的影响。由于激励源输入为1 6 0 0 m v ，其理论输出应为4 0 m v ，由于器件离散 造成正的最大的偏差为4 1 4 6 m v ( 2 0 * 1 9 4 1 4 6 4 0 = 0 3 1 d b ) ，负的最大偏差为 8 4 m v ( 2 0 * 1 9 3 9 8 4 4 0 = 0 0 3 5 d b ) 。可以明显看出器件的离散性对衰减电路频率响 2 2 第三章通道电路的仿真试验 应的影响。当将2 的标准值改成5 时，从仿真结果可以看出，上述最大偏差和 最小偏差会有明显的增加，而改为1 时，偏差会降低。因此，在实际电路设计中， 要想得到较好的频率响应，必须使用精度较高的元器件。同时也可以看出，要想 在精度不太高的情况下提高衰减电路的特性，可以通过反复试验一些器件，来得 到较好的频率响应。 3 1 2 阻抗变换与带宽限制电路仿真 在信号通道调理电路中，紧跟着网络衰减电路的是阻抗变化电路，本设计中， 在阻抗变换电路中加入了2 0 0 m h z 带宽限制电路，能够有效抑