CN102053172B - 一种高阻宽带衰减电路及使用该电路的示波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高阻宽带衰减电路，同时也公开了使用该高阻宽带衰减电路的数字示波器。该高阻宽带衰减电路包括第一继电器、第二继电器、高频补偿电路、第一RC网络和第二RC网络。第一继电器的动触点连接输入端，第二继电器的动触点连接输出端，第一继电器和第二继电器的控制端连接到一起；第一继电器的第二静触点与高频补偿电路和第一RC网络相连接，高频补偿电路的另一端接地，第一RC网络的另一端连接第二RC网络；第二RC网络一方面接地，另一方面通过电阻连接第二继电器的第二静触点。本高阻宽带衰减电路在高频时受等效串联电感的影响很小；高频信号分量对地泻放充分；输出信号的带宽大、信号过冲小，频率响应好。

Description

一种高阻宽带衰减电路及使用该电路的示波器

技术领域

本发明涉及一种用在数字示波器中的高阻宽带衰减电路，同时也涉及使用该高阻宽带衰减电路的数字示波器，属于电磁测量仪器技术领域。

背景技术

数字示波器是由数据采集单元、A/D转换器、扫描振荡器等组成的新型示波器，在科研、生产中发挥着十分重要的作用。在数字示波器采集信号的过程中，模拟信号输入端需要根据信号幅度的大小进行一定倍数的衰减和放大，以便使信号处于一个适合A/D转换器进行采样的信号范围，并在示波器屏幕上显示出一个合适观察的波形。模拟信号输入端的衰减器能够增加示波器信号输入的范围，因此在数字示波器中对模拟信号输入端的衰减器的要求很高，需要实现高阻输入，并实现频率响应较好的宽带响应。

在专利号为ZL 200720154314.2的中国实用新型专利中，公开了一种具有双衰减器的示波器。该示波器的电路原理如图1所示，包括衰减模块A、放大跟随模块、衰减模块B、放大模块、A/D转换模块、控制处理模块、输入模块、存储模块、显示模块。输入信号经过衰减模块A进行第一次衰减，经过放大跟随模块以增强信号驱动能力，经过衰减模块B进行第二次衰减，通过放大模块再次放大，最后通过A/D转换模块，被转换成数字信号输出到控制处理模块。其中，衰减模块A为输入端的主要衰减电路，根据输入信号的幅度，控制衰减模块选择不衰减和衰减。

衰减模块A的电路原理如图2所示，包括一个双刀双掷继电器RL1和由电阻电容构成的分压网络，实现包括衰减、不衰减切换，以及衰减时的示波器输入电阻。其中，RL1继电器内部两个继电器分别为pin2、3、4和pin5、6、7，pin3和pin6为继电器公共端。输入信号连接到继电器RL1的引脚3，输出连接到引脚6，pin2和pin7直接连接，当选择不衰减时，控制继电器切换到静触点，信号输入经过pin2、pin7和输出连接，构成直通。当选择衰减时，信号输入连接到继电器pin4，输出连接到pin5。pin4连接到电阻R6、R1、R4的一端，R6的另一端连接到C4的一端，C4另一端接地。R1另一端连接到R2的一端，R4的另一端连接到C1的一端，R2和C1的另一端共同连接到R3、R5、R7的一端，R3另一端接地，R5另一端连接到C2、C3的一端，C2、C3的另一端接地，R7的另一端连接到RL1的pin5，连接到输出。R6、C4作为输入端的高频补偿，R1、R2串联和R4、C1串联的并联，与R3、R5、C2、C3的串并联构成分压网络。在DC和低频时，C1、C2、C3的容抗近似开路，分压由R1、R2、R3实现，衰减比为R3/(R1+R2+R3)，同时R1+R2+R3构成示波器衰减时的输入电阻，一般为高阻1MΩ。当频率升高时，C1、C2、C3的容抗降低，衰减由R1、R2、R4、C1和R3、R5、C2、C3构成的RC补偿网络实现，其中R4、R5作为高频时的补偿，调节高频时的衰减倍数。

但是，以上述衰减模块A为代表的现有技术存在以下的问题：

1.高频串扰严重

高频信号容易通过PCB和继电器内部，从继电器的一边串扰到另一边，使得输出端的高频分量幅度偏大，信号过冲大。

2.分压网络受等效串联电感(ESL)影响大

由于分压网络对地的补偿只有R5、C2、C3，当频率较高时，电阻R5、C2、C3的等效串联电感的影响就不能忽略了，容易引起信号上升沿的振铃过大，使上升沿变慢，带宽降低。

3.分压电路接地点少，高频信号分量对地的泻放不充分，引起输出信号过冲过大。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种高阻宽带衰减电路。该衰减电路在减少高频串扰、提高高频信号分量对地的泻放等方面获得了显著的改善。

本发明所要解决的另外一个技术问题在于提供一种使用该高阻宽带衰减电路的数字示波器。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种高阻宽带衰减电路，其特征在于：

所述高阻宽带衰减电路包括第一继电器、第二继电器、高频补偿电路、第一RC网络和第RC网络；

所述第一继电器和所述第二继电器分别具有两个静触点和一个动触点，其中所述第一继电器的第一静触点与所述第二继电器的第一静触点连接，所述第一继电器的动触点连接输入端，所述第二继电器的动触点连接输出端，所述第一继电器和所述第二继电器的控制端连接到一起；

所述第一继电器的第二静触点与所述高频补偿电路和所述第一RC网络相连接，所述高频补偿电路的另一端接地，所述第一RC网络的另一端连接所述第二RC网络；

所述第二RC网络一方面接地，另一方面通过电阻连接所述第二继电器的第二静触点。

其中，所述第一继电器和所述第二继电器分别为两个双刀双掷继电器RL1和RL2的一部分。

所述高频补偿电路由电阻R4和电容C5串联而成。

所述第一RC网络由电阻R1、R2、R3和电容C1组成，其中电阻R1、R2、R3串联，所述电容C1并联在电阻R2和R3的两端。

所述第二RC网络由电阻R7、R5、R6、R8和电容C2、C3、C4组成，其中电阻R7和电容C2串联，电阻R5和R6串联，电阻R8和电容C4串联。

所述电容C2和C4分别接地；所述电容C3的一端连接所述电阻R5，另外一端接地。

一种数字示波器，包括衰减模块、输入缓冲模块、可变增益放大器、A/D转换模块、控制处理模块和输入模块，所述衰减模块的输出端连接所述输入缓冲模块，所述输入缓冲模块的输出端连接所述可变增益放大器，该可变增益放大器与所述A/D转换模块相连接，所述A/D转换模块连接所述控制处理模块，所述输入模块与所述控制处理模块相连接，其特征在于：

所述衰减模块由上述的高阻宽带衰减电路构成。

所述控制处理模块连接所述高阻宽带衰减电路中的第一继电器和第二继电器的控制端。

所述数字示波器中还具有显示模块，所述显示模块与所述控制处理模块相连接。

所述数字示波器中还具有存储模块，所述存储模块与所述控制处理模块相连接。

与现有技术相比较，本发明所提供的高阻宽带衰减电路具有以下优点：衰减网络输入端和输出端之间的串扰小；分压网络在高频时受等效串联电感的影响很小；分压电路接地点多，高频信号分量对地泻放充分；高频的衰减性能好，输出信号的带宽大、信号过冲小，频率响应好。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为作为现有技术的一种具有双衰减器的示波器的电路原理图；

图2为图1所示的示波器中，衰减模块A的电路原理图；

图3为本发明所提供的高阻宽带衰减电路的电路原理图；

图4为本高阻宽带衰减电路的一个具体实施例的电路原理图；

图5为使用该高阻宽带衰减电路的数字示波器的电路原理图。

具体实施方式

如图3所示，本发明所提供的高阻宽带衰减电路由两个双刀双掷继电器RL1、RL2和多个阻容元件构成。其中，继电器RL1和RL2的控制端连接到一起，由RELAY_ATT信号进行控制。双刀双掷继电器RL1和RL2分别只使用其中一侧的继电器，另一侧继电器接地。在本实施例之中，RL1使用左侧的pin5、6、7组成的继电器，RL2使用右侧的pin2、3、4组成的继电器。这两个继电器均为具有一个动触点和两个静触点的转换型(Z型)继电器，其中pin3、pin6为动触点。pin2、4、5、7为静触点。pin3、pin6上一般为一个金属臂，平时和pin2、pin7相连，如果pin1和pin8之间的线圈通电，产生的磁力将金属臂吸住，使pin3和pin4连接、pin6和pin7连接。

外部的信号输入连接到继电器RL1的pin6，输出连接到继电器RL2的pin3，RL1的静触点pin5和RL2的静触点pin4相连接。当选择不衰减时，继电器切换到静触点，信号由输入端经过RL1pin5和RL2pin4连接到输出端，信号直通，不发生衰减。当选择衰减时，继电器切换到下触点，输入连接到RL1的pin7，输出连接到RL2的pin2，RL1的pin7连接到R1、R4的一端。R4、C5接地，是衰减时的高频补偿电路。R4的另一端连接到C5的一端，C5的另一端接地，R1的另一端连接到R2和C1的一端，R2的另一端连接到R3的一端，R3的另一端连接到C1的另一端，同时连接到R7、R5、R8、R9的一端，R7的另一端连接到C2的一端，C2的另一端接地，R8的另一端连接到C4的一端，C4的另一端接地，R5的另一端连接到R6和C3的一端，R6和C3的另一端接地，R9的另一端连接到RL2的pin2，连接到输出。

在本高阻宽带衰减电路中，由R1、R2、R3、C1组成第一RC网络，与R7、C2、R5、R6、C3、R8、C4组成的第二RC网络构成分压电路。其中R1一般作为分压前的高频补偿，R7、C2为分压后输出点的高频补偿，R8、C4为分压后输出点的高频补偿，R5为分压后输出点的高频补偿。当面对信号的直流和低频分量时，C1、C2、C3、C4的容抗近似开路，分压由R1、R2、R3、R5构成，分压比为R5/(R1+R2+R3+R5)，R1、R2、R3、R5同时形成了衰减时的示波器输入电阻，一般为高阻1MΩ。当面对信号的高频分量时，C1、C2、C3、C4的容抗变小，高频分量会经过电容进行分压。假设R2、R3、C1的阻抗Z1，R7、C2的阻抗Z2，R5、R6、C3的阻抗Z3，R8、C4的阻抗Z4，分压比由Z1和Z2、Z3、Z4的并联构成，为(Z2||Z3||Z4)/(Z1+Z2||Z3||Z4)。

本高阻宽带衰减电路在发生信号衰减时，使用两个继电器的各一侧作为输入输出的切换，增加了输入输出的距离，同时避免了继电器内部两侧继电器之间的高频串扰。该高阻宽带衰减电路提供了3个接地路径，分别是R7、C2接地，R8、C4接地，以及R5、C3接地。这样使高频分量对地的泻放充分，从而使输出信号的过冲不至于很大，分压电路的频响好。另外，R7、C2接地，R8、C4接地，以及R5、C3接地，形成了并联电路。这样总的等效串联电感为R7、R5、R8上的等效串联电感的并联，比一条路径接地时小，从而不容易引起信号上升沿的振铃，不影响带宽。

图4显示了本高阻宽带衰减电路的一个具体实施例。在该实施例之中，分压比由(R1+R2+R3)/(R5+R6)，接近于21.6∶1，输入电阻为R1+R2+R3+R5+R6，等于1.003MΩ。C1与C2、C3、C4的并联值接近于21.6∶1，使高频分量的分压值和低频分压值一致，使分压电路的频率响应平坦。高频补偿电阻R1、R7、R5、R8一般为几十～几百欧姆，需要根据具体设计调整。输入端补偿R4、C5也需要根据分压网络的实际频率响应调整。C1、C5选择500V耐压的电容，使输入电压能够很大。

图5显示了使用该高阻宽带衰减电路的数字示波器的电路原理。该数字示波器包括由上述高阻宽带衰减电路构成的衰减模块、输入缓冲模块、可变增益放大器、A/D转换模块、控制处理模块、输入模块、显示模块和存储模块。其中，数字示波器所采集的信号输入给衰减模块，衰减模块的输出端连接输入缓冲模块。该衰减模块由控制处理模块控制，选择衰减还是不衰减。输入缓冲模块的输出端连接可变增益放大器。该可变增益放大器由控制处理模块控制，将处理后的模拟信号送入A/D转换模块，经A/D转换模块进行模数转换之后的数字信号送入控制处理模块进行处理，并由显示模块进行显示。该控制处理模块连接高阻宽带衰减电路中两个继电器的控制端，向其传送控制用的RELAY_ATT信号。控制处理模块连接到输入模块的输出端，用于接受来自示波器按键及各种接口的操作命令。另外，控制处理模块与存储模块相连接，用于存储处理后的数据。

以上对本发明所提供的高阻宽带衰减电路及使用该电路的示波器进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种高阻宽带衰减电路，其特征在于：

所述高阻宽带衰减电路包括第一继电器、第二继电器、高频补偿电路、第一RC网络和第二RC网络；

所述第一继电器和所述第二继电器分别具有两个静触点和一个动触点，其中所述第一继电器的第一静触点与所述第二继电器的第一静触点连接，所述第一继电器的动触点连接输入端，所述第二继电器的动触点连接输出端，所述第一继电器和所述第二继电器的控制端连接到一起；

所述第一继电器的第二静触点与所述高频补偿电路和所述第一RC网络相连接，所述高频补偿电路的另一端接地，所述第一RC网络的另一端连接所述第二RC网络；

所述第二RC网络的一端接地，另一端通过电阻连接所述第二继电器的第二静触点。

2.如权利要求1所述的高阻宽带衰减电路，其特征在于：

所述第一继电器和所述第二继电器分别为两个双刀双掷继电器(RL1)和(RL2)的一部分。

3.如权利要求1所述的高阻宽带衰减电路，其特征在于：

所述高频补偿电路由电阻(R4)和电容(C5)串联而成。

4.如权利要求1所述的高阻宽带衰减电路，其特征在于：

所述第一RC网络由第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一电容组成，其中第一电阻、第二电阻、第三电阻串联，所述第一电容并联在第二电阻和第三电阻的两端。

5.如权利要求1所述的高阻宽带衰减电路，其特征在于：

所述第二RC网络由第七电阻、第五电阻、第六电阻、第八电阻和第二电容、第三电容、第四电容组成，其中第七电阻和第二电容串联，第五电阻和第六电阻串联，第八电阻和第四电容串联。

6.如权利要求5所述的高阻宽带衰减电路，其特征在于：

所述第二电容和第四电容分别接地；所述第三电容的一端连接所述第五电阻，另外一端接地。

7.一种数字示波器，包括衰减模块、输入缓冲模块、可变增益放大器、A/D转换模块、控制处理模块和输入模块，所述衰减模块的 输出端连接所述输入缓冲模块，所述输入缓冲模块的输出端连接所述可变增益放大器，该可变增益放大器与所述A/D转换模块相连接，所述A/D转换模块连接所述控制处理模块，所述输入模块与所述控制处理模块相连接，其特征在于：

所述衰减模块由如权利要求1所述的高阻宽带衰减电路构成。

8.如权利要求7所述的数字示波器，其特征在于：

所述控制处理模块连接所述高阻宽带衰减电路中的第一继电器和第二继电器的控制端。

9.如权利要求7所述的数字示波器，其特征在于：

所述数字示波器中还具有显示模块，所述显示模块与所述控制处理模块相连接。

10.如权利要求7所述的数字示波器，其特征在于：

所述数字示波器中还具有存储模块，所述存储模块与所述控制处理模块相连接。 

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