CN102156209B - 一种宽带数字示波器通道偏置调节电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带数字示波器通道偏置调节电路，耦合电容C₁和电阻R₄组合形成一个高通信号路径，被测输入信号的高频信号部分经耦合电容C₁、电阻R₄输出；被测输入信号中的低频信号分量经过电阻R₂和R₃分压，与偏置调节电压V_adj进行叠加相减后，在低噪声高精度运算放大器输出端通过电阻R₅输出。由于被测输入信号V_i中的高频信号分量与低频信号分量分成不同的路径，高频分量直接经过耦合电容C₁和电阻R₄直接输出，而只有低频信号分量才通过低噪声高精度运算放大器与偏置调节电压为V_adj相减，形成的直流分量和低频分量经R₅输出，与高频分量叠加，因此，克服了现有偏置调节电路中，很容易受到寄生电容的影响，高频信号的频率响应，平坦度不好，严重时候高频波形失真的缺陷。

Description

一种宽带数字示波器通道偏置调节电路

技术领域

本发明属于数字示波器技术领域，更为具体地讲，涉及一种宽带数字示波器的通道偏置调节电路。

背景技术

国内数字存储示波器起步较晚，主要是低带宽、低采样率的低端示波器为主，中高端市场被美国三大示波器厂商垄断，并且禁止一些高速器件的出口。近年来随着国内技术的不断进步和积累，国产示波器带宽开始进入1GHz时代，要实现对更高频率信号的精确测量，就对模拟通道调理电路提出了新的要求。

通常示波器输入接口采用的是BNC(Bayonet Nut Connector)或兼容BNC的形式，示波器的输入端有通常两种输入阻抗模式：1M欧姆或50欧姆的输入。从电压测量的角度来说，为了对被测电路影响小，示波器可以采用1M欧姆的高输入阻抗，但是由于高阻抗电路的带宽很容易受到寄生电容的影响，所以1M欧姆的输入阻抗广泛应用于低于500MHz的波形信号测量。对于更高频率的测量，要对被测信号进行阻抗匹配，通常采用50欧姆匹配。

偏置调节功能是数字示波器的重要功能之一，偏置调节的范围大小也是衡量数字示波器性能的重要指标之一。当需要观察的交流信号上叠加了较大的直流电压，而我们又需要看到整体情况时，就需要数字示波器有较大的偏置调节范围，比如LVDS，即低电压差分信号是广泛应用于高速传输的逻辑电平标准，其差分电路有通常1.2V的直流偏置，而信号摆幅是350mVpp，交流摆幅比直流分量小的多。测量LVDS此类高速信号时，为了能够更加理想的观测波形，就需要通过偏置调节抵消该直流分量，使得用户能够以更加合适的方式观察波形。

图1是现有技术数字示波器模拟通道调理电路的原理框图。

如图1所示，模拟通道调理电路包括无源衰减网络、阻抗变换网络、程控增益放大网络、偏置调节电路、偏置调节电压DAC以及控制电路。

无源衰减网络对输入信号进行衰减，由R、C等无源器件构成，能够有效弥补数控衰减芯片动态范围有限的缺点。阻抗变换网络用来隔离前后级电路之间的影响，增加对后级的驱动能力。程控增益放大网络实现对衰减和阻抗变换后输出的小信号的放大。控制电路包括状态控制和电平的调节，如通道的交流直流耦合的控制，触发电平的调节等。偏置调节电压DAC(数模转换器)输出偏置调节电压。偏置调节电路通常设计在后级，偏置调节电压与程控增益放大网络输出的放大信号做完加减法处理后直接送入ADC(模数转换器)，偏置调节电路同时也起到缓冲驱动的作用，进行电平转换以满足ADC(模数转换器)输入要求。这种偏置调节电路设计简单方便，但是偏置调节的范围却非常有限。

图2是现有技术数字示波器模拟通道调理电路的另一具体实施方式的原理框图。

如图2所示，偏置调节电路放在前级，即无源衰减网络与程控增益放大电路之间，这样，一方面可以解决偏置调节范围有限的问题，另一方面也起到了图1中阻抗变换网络的作用，隔离前后级电路影响。但是偏置调节电路中的噪声和集成器件的温漂，在后级宽带的程控增益放大电路中放大时，也会一起被放大，严重影响对输入信号的观测。放大的输入信号经过缓冲驱动电路后，送往ADC。

图3是现有技术的偏置调节电路原理图。

如图3所示，设偏置调节电路的信号输入电压为V_in，偏置调节电压为V_adj，则输出电压V_o：

$V_o=(1+\frac{R2}{R1})*V_{\mathrm{in}}-\frac{R2}{R1}*V_{\mathrm{adj}}$

即输出电压与输入电压，偏置调节电压的关系，也就相当于在信号中加入了直流分量。这种直接采用运放做加减法的偏置调节电路实现起来较为方便，但存在以下问题：

对于被测输入信号中的高频信号，在偏置调节电路中，很容易受到寄生电容的影响，高频信号的频率响应，平坦度不好，严重时候高频波形失真，因此，该偏置调节电路主要应用在低带宽场合。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种受寄生电容的影响小，高频信号的频率响应、平坦度较好的宽带数字示波器通道偏置调节装置。

为实现上述目的，本发明宽带数字示波器通道偏置调节电路，其特征在于包括：

一50欧姆输入匹配阻抗电阻R₁，其一端接地，另一端接被测输入信号V_i，用于对被测输入信号V_i进行阻抗匹配；

串联分压电阻R₂和R₃，其电阻值远大于50欧姆，用于对被测输入信号V_i进行分压，被测输入信号V_i经过串联分压电阻R₂、R₃到地，电阻R₂、R₃的连接点为分压输出，串联分压电阻R₂∶R₃＝1∶1；

一低噪声高精度运算放大器，为低带宽运放，其正端接串联分压电阻R₂和R₃的连接点，负端一方面通过大阻值电阻R₆接来自偏置调节电压DAC输出的偏置调节电压V_adj，另一方面通过反馈电阻R_f连接到其输出端，输出端接电阻R₅，反馈电阻R_f与电阻R₆的比值为1∶1；被测输入信号中的低频信号分量经过电阻R₂和R₃分压，与偏置调节电压V_adj进行叠加相减后，在低噪声宽带运算放大器输出端通过电阻R₅输出；

耦合电容C₁和电阻R₄，被测输入信号中的高频信号分量经过耦合电容C₁、电阻R₄输出；电阻R₄输出的被测输入信号中的高频信号分量、电阻R₅输出的分别经过偏置电压调节的被测输入信号中的低频信号分量进行相加，得到宽带数字示波器通道偏置调节电路的输出V_o1。

本发明目的是这样实现的：

在本发明中，通道偏置调节电路的输入阻抗为R₁||(R₂+(R₃||R_U1))，输入匹配阻抗电阻R₁选为50欧姆，由于分压电阻R₂、R₃远大于输入匹配阻抗电阻R₁，运放R_U1的阻抗远大于分压电阻R₃，这样通过选择高精度输入匹配阻抗电阻R₁即可确定精确的50欧姆输入阻抗。

耦合电容C₁和电阻R₄组合形成一个高通信号路径，被测输入信号的高频信号分量经耦合电容C₁、电阻R₄输出；被测输入信号中的低频信号分量经过电阻R₂和R₃分压，与偏置调节电压V_adj进行叠加相减后，在低噪声高精度运算放大器输出端通过电阻R₅输出，其中低噪声高精度运放为低带宽运放，高频信号分量无法通过，另外电阻R₅阻值不能太大，避免与后级高阻运放形成分压。

通道偏置调节电路中串联分压电阻R₂∶R₃＝1∶1，反馈电阻R_f与电阻R₆的比值为1∶1，保证被测输入信号的低频信号分量不加偏置调节时与输出相等，基线位于数字示波器屏幕中央。

同时，通道偏置调节电路的输出等于被测输入信号V_i减去偏置调节电压V_adj，实现了宽带的被测输入信号的偏置电压调节。由于被测输入信号V_i中的高频信号分量与低频信号分量分成不同的路径，高频部分直接经过耦合电容C₁和电阻R₄直接输出，而只有低频信号分量才通过低噪声宽带运算放大器与偏置调节电压为V_adj相减，电阻R₆为大阻值电阻，能够滤除偏置调节电压V_adj的高频噪声，因此，克服了现有偏置调节电路中，很容易受到寄生电容的影响，高频信号的频率响应，平坦度不好，严重时候高频波形失真的缺陷。

附图说明

图1是现有技术数字示波器模拟通道调理电路的原理框图；

图2是现有技术数字示波器模拟通道调理电路的另一具体实施方式的原理框图；

图3是现有技术的偏置调节电路原理图；

图4是本发明宽带数字示波器通道偏置调节电路的一种具体实施方式的原理框图；

图5是本发明宽带数字示波器通道偏置调节电路的另一种具体实施方式的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例1

图4是本发明宽带数字示波器通道偏置调节电路的一种具体实施方式的原理框图。

在本实施例中，如图4所示，其电路结构与发明内容的描述一致，被测输入信号V_i的高频信号分量经过耦合电容C₁、电阻R₄组成的高频信号路径直接输出；而被测输入信号V_i的低频信号分量则经过电阻R₂和R₃分压，与偏置调节电压V_adj进行叠加相减后，在低噪声宽带运算放大器U₁输出端通过电阻R₅输出；电阻R₄、电阻R₅分别输出的被测输入信号V_i中的高频信号分量以及经过偏置电压调节的被测输入信号V_i中的低频信号分量进行相加，得到宽带数字示波器通道偏置调节电路的输出V_o1。

由于被测输入信号V_i的高频部分直接经过耦合电容C₁和电阻R₄直接输出，而只有低频信号分量才通过低噪声宽带运算放大器与偏置调节电压为V_adj相减，然后低噪声高精度运算放大器负端的电阻R₆滤除偏置调节电压V_adj产生的高频噪声，因此，克服了现有偏置调节电路中，很容易受到寄生电容的影响，高频信号的频率响应，平坦度不好，严重时候高频波形失真的缺陷。

实施例2

图5是本发明宽带数字示波器通道偏置调节电路的另一种具体实施方式的原理框图。

通常偏置调节电压来自数模转换器(DAC)，DAC输出的直流信号通常噪声系数也比较大，直接接入前级运放，在后级宽带运放放大的过程中，噪声也会被一起放大，严重影响对被测信号的观察和测量。

传统的通道偏置调节电路将被测输入信号V_i和偏置调节信号V_adj直接做加减法处理，电路实现简单，但是偏置调节电压DAC和运放等集成电路器件的温漂现象比较严重，对被测输入信号V_i进行测量时产生的偏差较大，电路稳定性不强。

温漂是偏置调节电压DAC和集成运放的关键指标之一，用于描述基准电压的温度漂移值大小，通常以ppm/℃表示。对于基准电压而言，1ppm/℃表示当环境温度在某个参考点(通常是25℃)每变化1℃，输出电压偏离其标称值的百万分之一。测量小信号时，温漂会造成信号的严重失真，影响偏置调节的精度。

在本实施例中，如图5所示，宽带数字示波器通道偏置调节电路在实施例1的基础上，还包括一高精度运放电路，偏置调节电压V_adj分成两路直流偏置调节电压V_adj1、V_adj2，V_adj＝V_adj1-V_adj2。如图5所示，高精度运放电路包括：

串联分压电阻R₇和R₈，用于对一路直流偏置调节电压V_adj1进行分压，直流偏置调节电压V_adj1经过串联分压电阻R₇和R₈到地，串联分压电阻R₇和R₈的连接点为分压输出，串联分压电阻R₇与电阻R₈的阻值相等；

一运算放大器，其正端接串联分压电阻R₇和R₈的连接点，负端一方面通过电阻R₉接另一路直流偏置调节电压V_adj2，另一方面通过反馈电阻R₁₀连接到其输出端，反馈电阻R₁₀与电阻R₉的阻值相等；运算放大器的输出电压作为直流偏置调节电压V_adj。

本实施例中，如图5所示，偏置调节电压DAC输出两路直流偏置调节电压V_adj1、V_adj2，接入运算放大器U₂的两个输入端，由上图可得偏置调节电压V_adj：

$V_{\mathrm{adj}}=\frac{{2R}_8}{R_7+R_8}*V_{\mathrm{adj}1}-\frac{R_{10}}{R_9}*V_{\mathrm{adj}2}---\left(1\right)$

从图5中，我们可以看出，高精度运放电路为差动放大，要求电阻严格配对，即串联分压电阻R₇与电阻R₈的阻值相等、反馈电阻R₁₀与电阻R₉的阻值相等，则上式变为：

V_adj＝V_adj1-V_adj2        (2)

来自偏置调节电压DAC的温漂根源在于DAC的参考电压温漂，通常为几个ppm/℃，其输出电压的漂移是参考电压的函数，二者是线性关系。设偏置调节电压DAC的温漂系数为L，偏置调节电压DAC输出参考电压为V_REF，V_adj1的分压系数为K₁，V_adj2的分压系数为K₂，则：

V_adj1＝L*V_REF+K₁*V_REF    (3)

V_adj2＝L*V_REF+K₂*V_REF    (4)

综合(2)(3)(4)分析可得，此高精度运放电路有效地抵消了偏置调节电压DAC产生的漂移，增强了通道偏置调节电路的稳定性。

在本实施例中，运算放大器U₂选用双路精密JFET放大器AD8512，它具有低失调电压、低输入偏置电流、低输入电压噪声和低输入电流噪声特性。

在本实施例中，如图5所示，宽带数字示波器通道偏置调节电路在实施例1的基础上，还包括一宽带高速运放电路。

宽带高速运放电路的作用为阻抗变换，增加信号的驱动能力。宽带高速运放电路为运算放大器U₂、反馈电阻R₁₁与电阻R₁₂构成的同相宽带固定增益运放大电路，输出V_o1接运算放大器U₂的正端，运算放大器U₂的负端通过电阻R₁₂接地并通过反馈电阻R₁₁接到其输出端，输出端再输出放大的、宽带数字示波器通道偏置调节电路的输出V_o。在本实施例中，输出端通过输出电阻R₁₃输出宽带数字示波器通道偏置调节电路的输出V_o。

在本实施例中，最优选择具有低噪声、高摆率、低失真的宽带固定增益运算放大器THS4302，其输入带宽高达2.4GHz。被测输入信号V_i叠加减去偏置调节电压V_adj后送入宽带高速运放电路进行放大输出宽带数字示波器通道偏置调节电路的V_o。宽带固定增益运算放大器THS4302的输入范围为±2Vpp，确保能够将来自两路叠加输出V_o1无失真地传输到后级。

从本实施例可以看出，本发明通道偏置调节电路克服了传统电路噪声大、温漂现象严重等问题，实现了宽带数字示波器固定偏置电压调节、高低频信号隔离传输功能，提升了数字示波器测量高速信号的能力。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种宽带数字示波器通道偏置调节电路，其特征在于包括：

一50欧姆输入匹配阻抗电阻R₁，其一端接地，另一端接被测输入信号V_i，用于对被测输入信号V_i进行阻抗匹配；

串联分压电阻R₂和R₃，其电阻值远大于50欧姆，用于对被测输入信号V_i进行分压，被测输入信号V_i经过串联分压电阻R₂、R₃到地，电阻R₂、R₃的连接点为分压输出，串联分压电阻R₂:R₃＝1:1；

一低噪声高精度运算放大器U₁，为低带宽运放，其正端接串联分压电阻R₂和R₃的连接点，负端一方面通过电阻R₆接来自偏置调节电压DAC输出的偏置调节电压V_adj，另一方面通过反馈电阻R_f连接到低噪声高精度运算放大器U₁输出端，输出端接电阻R₅，反馈电阻R_f与电阻R₆的比值为1:1；被测输入信号中的低频信号分量经过电阻R₂和R₃分压，与偏置调节电压V_adj进行叠加相减后，在低噪声高精度运算放大器输出端通过电阻R₅输出；

耦合电容C₁和电阻R₄，被测输入信号中的高频信号分量经过耦合电容C₁、电阻R₄输出；电阻R₄输出的被测输入信号中的高频信号分量、电阻R₅输出的分别经过偏置调节电压V_adj调节的被测输入信号中的低频信号分量进行相加，得到宽带数字示波器通道偏置调节电路的输出V_o1。

2.根据权利要求1所述的宽带数字示波器通道偏置调节电路，其特征在于还包括一高精度运放电路，偏置调节电压V_adj分成两路直流偏置调节电压V_adj1、V_adj2，V_adj＝V_adj1-V_adj2；

所述的高精度运放电路包括：

串联分压电阻R₇和R₈，用于对一路直流偏置调节电压V_adj1进行分压，直流偏置调节电压V_adj1经过串联分压电阻R₇和R₈到地，串联分压电阻R₇和R₈的连接点为分压输出，串联分压电阻R₇与电阻R₈的阻值相等；

一运算放大器U₂，其正端接串联分压电阻R₇和R₈的连接点，负端一方面通过电阻R₉接来另一路直流偏置调节电压V_adj2，另一方面通过反馈电阻R₁₀连接到运算放大器U₂输出端，反馈电阻R₁₀与电阻R₉的阻值相等；运算放大器的输出电压作为偏置调节电压V_adj。

3.根据权利要求1所述的宽带数字示波器通道偏置调节电路，其特征在于还包括一宽带高速运放电路，用于阻抗变换，增加输出V_o1的信号驱动能力；

所述的宽带高速运放电路为运算放大器U₃、反馈电阻R₁₁与电阻R₁₂构成的同相宽带固定增益运放大电路，输出V_o1接运算放大器U₃的正端，运算放大器U₃的负端通过电阻R₁₂接地并通过反馈电阻R₁₁接到运算放大器U₃输出端，输出端再输出放大的、宽带数字示波器通道偏置调节电路的输出V_o。

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