CN103795371A - 具有低频频响补偿电路的信号处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有低频频响补偿电路的信号处理装置，包括：输入端子，用于接收外部输入信号；输入耦合网络，用于对外部输入信号的直流和低频进行衰减和误差放大或对中频和高频进行衰减和前馈放大并得到一个误差放大信号与一个前馈放大信号的叠加信号；第一放大器，用于对叠加信号进行放大，输出一个放大信号；模数转换器，用于将放大信号转换为数字信号；处理器系统，用于产生一个第一控制信号；可变增益放大器，用于依据第一控制信号调节信号处理装置的频率响应平坦度。本发明通过调节可变增益放大器就可以调节信号处理装置的频率响应平坦度，解决现有技术中调节复杂的问题；同时解决了补偿电路高宽带和高精度互相矛盾的问题。

Description

具有低频频响补偿电路的信号处理装置

技术领域

本发明涉及电变量测试领域，尤其涉及一种具有低频频响补偿电路的信号处理装置。

背景技术

在通常的信号处理装置中，如台式示波器、虚拟示波器和数据采集卡等，一般期望信号处理装置的频率响应比较平坦，但是由于设计误差、元器件误差，环境影响等客观因素会造成频率响应不平坦。参照图1，是现有技术美国专利US12/571236公开的一种频率响应补偿电路的电路示意图，该方案包括依次串联的输入衰减器226，补偿放大电路224。输入衰减器226由电阻227以及由电阻231和电容229串联组成的阻容网络并联而成。补偿放大电路224包括补偿放大器238，补偿放大器238的反相输入端耦合到衰减器226，补偿放大器238的同相输入端耦合到地。补偿放大电路224还包括可调反馈电阻242、可调电阻254、可调电容256、可调电阻250、可调电容252，及可变增益元件248。可调电阻242、254、250，可调电容256、252及可调增益元件248被一组可变寄存器控制。可调反馈电阻242组成的反馈回路确定DC和低频增益。可调电阻250、可调电容252、可调电阻254和可调电256组成的串联反馈回路设置成一对分裂的零极点对。可调电容252和256的总容值确定中频段增益，并联的可调电阻250和254的阻值确定高频增益。由可调电阻250和可调电容252组成的零极点对和由可调电阻254和可调电容256组成的零极点对互相独立可调，以提供平坦度校正来补偿电路中其它部分引起的中频和高频的剩余失配误差。由具有增益K的可调增益元件248，电阻元件244和电容元件246串联组成的反馈回路用于校正由电路低频增益和中频增益失配引起的低频段和中频段之间的剩余误差，以得到平坦的频响。控制信号258用来设定可调电阻、电容和增益元件的控制寄存器。

现有技术方案存在如下不足：

1、该方案存在两个分裂的零极点对，在调整频响时，需要同时调节可调反馈电阻242、可调电阻250、可调电容252、可调电阻254，可调电容256及可调增益元件248，导致该方案的频响调整方法复杂并且反馈回路电路结构复杂。

2、该方案中补偿放大器238既是直流和低频通路，也是中频和高频通路。在带宽很高并且要求直流精度很高的应用中，要求补偿放大器238既要有很好的直流精度也要保证有很大的带宽。如本领域人员公知，放大器的高宽带和高精度是互相矛盾的两个指标，这使得该方案不容易同时实现高带宽和高精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是简化频响调整方法；解决补偿电路中高带宽和高精度相互矛盾的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种具有低频频响补偿电路的信号处理装置，所述低频频响补偿电路包括一个输入端子，一个输入耦合网络，一个第一放大器，一个模数转换器，一个可变增益放大器，一个处理器系统，所述输入端子，用于接收外部输入信号；

所述输入耦合网络，用于对所述外部输入信号的直流和低频进行衰减和误差放大或对中频和高频进行衰减和前馈放大并得到一个误差放大信号与一个前馈放大信号的叠加信号；

所述第一放大器，用于对所述叠加信号进行放大，输出一个放大信号；

所述模数转换器，用于将所述放大信号转换为数字信号；

所述处理器系统，用于依据所述数字信号获取所述数字信号的特征参数值，对所述特征参数值与一个标准特征参数值进行比较，依据比较结果产生一个第一控制信号；

所述可变增益放大器，用于依据所述第一控制信号调整放大增益，并按照调整后的放大增益对所述放大信号进行增益调节并产生一个反馈信号，将产生的反馈信号输入至所述输入耦合网络，进而调节所述信号处理装置的频率响应平坦度。

作为一种举例，所述输入耦合网络包括一个输入衰减模块，一个电容模块，一个积分电路模块，一个电阻模块，

所述输入衰减模块用于对所述外部输入信号进行衰减得到一个衰减输入信号；

所述电容模块用于滤除所述外部输入信号中的直流分量，得到中高频交流信号的前馈放大信号；

所述积分电路模块用于对所述衰减输入信号、反馈信号在直流、低频时进行误差放大，得到一个误差放大信号，在中频时，进行前馈放大，得到一个中频时的前馈放大信号；

所述电阻模块用于耦合所述中高频的前馈放大信号、误差放大信号及中频时的前馈放大信号，获得所述叠加信号。

作为一种举例，所述第一放大器的增益依据所述处理器系统输出的第二控制信号可调。

作为一种举例，外部输入信号为正弦波高频信号时，所述处理器系统获取所述数字信号的第一特征参数值将其作为标准特征参数值；

所述外部输入信号为正弦波低频信号时，所述处理器系统获取所述数字信号的第二特征参数值；

计算所述第一特征参数值与第二特征参数值的差值，当判断所述差值处于预设偏差范围之外，则根据偏差产生所述第一控制信号；

当所述第一特征参数值大于第二特征参数值时，所述第一控制信号控制所述可变增益放大器的增益变小，使得直流和低频增益增大；

当所述第一特征参数值小于第二特征参数值时，所述第一控制信号控制所述可变增益放大器的增益变大，使得直流和低频增益减小；

再次获取所述数字信号的第二特征参数值，计算所述第一特征参数值与第二特征参数值的差值，当判断所述差值处于第一预设偏差范围内时，保存当前第一控制信号的设置值，以备下次调用；；

校准完成。

作为一种举例，所述处理器系统获取所述数字信号的第一特征参数值将其作为标准特征参数值之前，先将处理器系统的第一控制信号恢复至初始值。

作为一种举例，当判断所述差值处于预设偏差范围之外，还有一个判断校准是否超时的步骤；如果不超时，则根据偏差产生所述第一控制信号；如果超时，将所述处理器系统的第一控制信号恢复至初始值，提示校准失败。

作为一种举例，外部输入信号为标准边沿信号时，所述处理器系统获取所述标准边沿信号的特征参数值，将其作为标准特征参数值，所述处理器系统获取所述数字信号的第三特征参数值；

计算所述特征参数值与第三特征参数值的差值，当判断所述差值处于预设偏差范围之外，则根据偏差产生所述第一控制信号；

当所述特征参数值大于第三特征参数值时，所述第一控制信号控制所述可变增益放大器的增益变小，使得直流和低频增益增大；

当所述特征参数值小于第三特征参数值时，所述第一控制信号控制所述可变增益放大器的增益变大，使得直流和低频增益减小；

再次获取所述数字信号的第三特征参数值，计算所述特征参数值与第三特征参数值的差值，当判断所述差值处于第二预设偏差范围内时，保存当前第一控制信号的设置值，以备下次调用；

校准完成。

作为一种举例，所述处理器系统获取标准边沿信号的特征参数值，并将其作为标准特征参数值之前，先将处理器系统的第一控制信号恢复至初始值。

作为一种举例，当判断所述差值处于预设偏差范围之外，还有一个判断校准是否超时的步骤；如果不超时，则根据偏差产生所述第一控制信号；如果超时，将所述处理器系统的第一控制信号恢复至初始值，提示校准失败。

本发明的技术方案通过调节可变增益放大器就可以调节信号处理装置的频率响应平坦度，本发明通过选择合适的电路参数（参考式5.4），简化了零极点对的数量，使得低频频响校准方法简化。解决了现有技术方案频响调整方法复杂、反馈回路电路结构复杂的问题。此外，本发明的技术方案，高频路径和低频路径是分离的，本发明的低频和高频汇合点可以很低，而不像现有技术方案中存在中频频点，因此本发明低频频响自动调整所用的标准信号的带宽可以较低，降低了标准信号的性能要求。使得本发明相对现有技术方案更易于实现。解决了补偿电路高宽带和高精度互相矛盾的问题。

附图说明

图1是现有技术一种频率响应补偿电路的电路示意图

图2是本发明具有低频频响补偿电路的优选实施例信号处理装置200的结构示意图

图3是本发明具有低频频响补偿电路的优选实施例信号处理装置300的结构示意图

图4是本发明具有低频频响补偿电路的信号处理装置的处理器系统优选方案1的补偿方法示意图

图5是本发明具有低频频响补偿电路的信号处理装置的处理器系统优选方案2的补偿方法示意图

图6是本发明具有低频频响补偿电路的信号处理装置的处理器系统优选方案3的补偿方法示意图

图7是本发明具有低频频响补偿电路的信号处理装置的处理器系统优选方案4的补偿方法示意图

图8是本发明具有低频频响补偿电路的优选实施例信号处理装置800的结构示意图

图9是本发明实施例一种输入耦合网络302A的结构示意图

图10是本发明实施例又一种输入耦合网络302B的结构示意图

图11是本发明实施例再一种输入耦合网络302C的结构示意图

图12是本发明实施例又一种可变增益放大器900的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

参照图2，示出了具有低频频响补偿电路的信号处理装置优选实施例1的结构示意图。本优选实施例的信号处理装置200包括输入端子201，输入耦合网络202，第一放大器203，模数转换器204，可变增益放大器206，处理器系统205，

所述输入端子201，接收外部输入信号a；

所述输入耦合网络202，对所述外部输入信号a的直流和低频进行衰减和误差放大或对中频和高频进行衰减和前馈放大并得到一个误差放大信号与一个前馈放大信号的叠加信号e。

所述第一放大器203，对所述叠加信号e进行放大，输出一个放大信号f；

所述模数转换器204，将所述放大信号f转换为数字信号g；

所述处理器系统205，依据所述数字信号g获取所述数字信号f的特征参数值，对所述特征参数值与一个标准特征参数值进行比较，依据比较结果产生一个第一控制信号k1；

所述可变增益放大器206，依据所述第一控制信号k1调整放大增益，并按照调整后的放大增益对所述放大信号f进行增益调节并产生一个反馈信号d，将产生的反馈信号d输入至所述输入耦合网络202，进而调节所述信号处理装置200的频率响应平坦度。

参照图3，示出了具有低频频响补偿电路的信号处理装置优选实施例2的结构示意图。本优选实施例的信号处理装置300包括输入端子301，输入耦合网络302，放大器303，模数转换器304，可变增益放大器306，处理器系统305，

输入耦合网络302包括输入衰减模块3021，电容模块3022，积分电路模块3023，电阻模块3024。所述输入端子301，接收一个外部输入信号a，所述输入衰减模块3031对所述外部输入信号a进行衰减得到一个衰减输入信号b；所述电容模块3022滤除所述外部输入信号a中的直流分量，得到高频时的前馈放大信号c；所述积分电路模块3023对所述衰减输入信号b、反馈信号d在直流、低频时进行误差放大，得到一个误差放大信号，在中频时，进行前馈放大，得到一个中频时的前馈放大信号；所述电阻模块3024耦合所述高频时的前馈放大信号c、误差放大信号及中频时的前馈放大信号，获得所述叠加信号e。

所述放大器303，对所述叠加信号e进行放大，输出一个放大信号f；

所述放大器303的增益依据所述处理器系统305输出的第二控制信号k2可调。作为举例说明，放大器303可以是固定增益的放大器。

所述模数转换器304，将所述放大信号f转换为数字信号g；

所述处理器系统305，依据所述数字信号g获取所述数字信号f的特征参数值，对所述特征参数值与一个标准特征参数值进行比较，依据比较结果产生一个第一控制信号k1；

所述可变增益放大器306，依据所述第一控制信号k1调整放大增益，并按照调整后的放大增益对所述放大信号f进行增益调节并产生一个反馈信号d，将产生的反馈信号d输入至所述输入耦合网络302，进而调节所述信号处理装置300的频率响应平坦度，调节原理如下：

电容模块3022和放大器303的增益决定信号处理装置300的高频增益，若忽略电路板上的寄生以及放大器303的输入电容，则输入耦合网络302的高频增益为式5.1所述：

Gain2(HF)＝1·K3＝K3                          ---式5.1

其中K3为放大器303的增益。

当电路板上的寄生电容以及放大器303的输入电容不可忽略时，则式5.1需要作相应的修正。

例如：假设电路板上的寄生电容为Cp，放大器303的输入电容为Ca，则式5.1修正为：Gain2(HF)=C1*K3/(Ca+Cp+C1)

对于低频和直流信号，电容模块3022和电容C2可以认为开路。依据负反馈运算放大器电路分析方法，运算放大器U1B的同相输入端子5和反相输入端子6虚短路，由此得到信号处理装置300的DC和低频增益如式5.2所示：

$\mathrm{Gain}2\left(\mathrm{DC}\right)=\frac{R3}{R1+R3}\·\frac{1}{K4}$ ---式5.2

其中K4为可变增益放大器306的增益。

为了使得信号处理装置300频率响应平坦并且输入端子301至放大器303输入端的频率响应平坦，需要满足式5.3所述的关系：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Gain}2\left(\mathrm{HF}\right)=\mathrm{Gain}2\left(\mathrm{DC}\right)\\ \frac{R4}{R5}=\frac{R1}{R3}\end{array}\right.$ ---式5.3

为了简化信号处理装置300在低频段的零极点对数量，R13、C2、C1、R2的选取满足式5.4。

R13·C2≤C1·(R2||R_iK3)                  ---式5.4

其中R_iK3是放大器303的输入阻抗。

模数转换器304的低频频响可以认为是理想的，当放大器303的增益K3一定时，调节可变增益放大器306的增益K4使得式5.3成立，则能够使得信号处理装置300的低频频响平坦。

本领域的技术人员可以联想到，上述方案也可以用于所述放大器303的增益可以通过控制信号控制的情况。

作为一种举例说明，所述放大器303可以是固定增益的放大器，也可以是增益可调的放大器，当放大器303选用增益可调的放大器时，处理器系统输出一个第二控制信号来调节放大器303的增益，改变放大器303的增益K3，并调节可变增益放大器306的增益K4使得反馈回路的低频频响平坦后，还能够改变反馈回路的增益。

当本方案用于示波器时，调节增益K3的目的是调节示波器的垂直灵敏度；使得示波器垂直灵敏度可以调节，可以扩大示波器的测量范围。更普遍地说，增益K3可以调节的好处是可以扩大信号处理装置的测量范围。

作为一种举例，处理器系统305可以根据手动调节或者自动设置来改变K3的增益。手动调节可以是通过按键、旋钮等人机接口或者USB、GPIB等远程接口向处理器系统发出调节指令，处理器系统305根据指令改变可变增益放大器的增益K3。自动设置可以是处理器系统305根据当前波形的特征参数搜索出最佳的K3增益设置值，例如：处理器系统根据模数转换器给出的数据，计算出被测信号的峰峰值，然后处理器搜索出最佳的K3增益值，使得模数转换器能够不失真的转换被测信号。

参照图4，是本发明优选实施例的处理器系统优选方案1的补偿方法示意图，

步骤S401：首先将外部输入信号设为正弦波高频信号，所述处理器系统采集所述正弦波高频信号的数字信号的特征参数值将其作为标准特征参数值，作为举例，所述特征参数值可以是有效值、峰峰值等特征参数。

步骤S402：将外部输入信号设为正弦波低频信号，所述处理器系统采集所述正弦波低频信号的数字信号的特征参数值；作为举例，所述特征参数值可以是有效值、峰峰值等特征参数。但如果正弦波高频信号的特征参数值选用的是有效值，则正弦波低频信号的特征参数值也应该选用有效值。下面，将所述正弦波低频信号的数字信号的特征参数值简称为：正弦波高频信号的特征参数值，将正弦波低频信号的数字信号的特征参数值简称为：正弦波低频信号的特征参数值。

步骤S403：计算所述正弦波高频信号的特征参数值与所述正弦波低频信号的特征参数值的差值。

步骤S404：判断偏差是否在预设偏差范围内。

步骤S405：当判断所述差值处于预设偏差范围之外，则根据偏差产生所述第一控制信号；本实施例中，所述预设偏差范围是0.4％，作为举例，当系统要求精度高时，偏差可以再选小，当系统要求精度低时，偏差可以再选大。

根据偏差产生所述第一控制信号具体如下；

当所述正弦波高频信号的特征参数值大于正弦波低频信号的特征参数值时，所述第一控制信号控制所述可变增益放大器的增益变小，使得式5.2所示的直流和低频增益增大；

当所述正弦波高频信号的特征参数值小于正弦波低频信号的特征参数值时，所述第一控制信号控制所述可变增益放大器的增益变大，使得式5.2所示的直流和低频增益减小。

再次回到步骤S402、S403、S404当判断所述差值处于预设偏差范围内时，转到步骤S406保存当前处理器系统的设置；

S407提示校准成功。

本实施例中的处理器系统是由单片机构成的。

作为一种举例，所述处理器系统也可以由单片机联合PC机构成，由单片机采集所述正弦波高频信号的数字信号的特征参数值将其作为标准特征参数值并送入PC机；单片机再采集所述正弦波低频信号的数字信号的特征参数值并送入PC机；下面，将所述正弦波低频信号的数字信号的特征参数值简称为：正弦波高频信号的特征参数值，将正弦波低频信号的数字信号的特征参数值简称为：正弦波低频信号的特征参数值。由PC机计算所述正弦波高频信号的特征参数值与所述正弦波低频信号的特征参数值的差值；判断偏差是否在预设偏差范围内；当判断所述差值处于预设偏差范围之外，则控制所述单片机根据偏差产生所述第一控制信号。

参照图5，是本发明优选实施例的处理器系统优选方案2的补偿方法示意图，与图4中相同的步骤采用了相同的标号标示。

在本优选方案中，还包括步骤S501：处理器系统的第一控制信号恢复至初始值，所述初始值一般是调节可变增益放大器使可变增益放大器处于其正常增益值范围时的控制信号的状态，本方案优选使可变增益放大器处于中间增益值时的控制信号的状态为初始值。

当判断所述差值处于预设偏差范围之外，还有一个判断校准是否超时的步骤S502，设置步骤S502是为了避免进入死循环，通常判断校准是否超时是判断校准的次数，例如：最多校准10次；也可以是最长的校准时间，例如：最多校准10分钟。

如果不超时，转到步骤S405根据偏差产生所述第一控制信号；如果超时，转到步骤S502将所述处理器系统的控制信号恢复至初始值，S504提示校准失败。

参照图6，是本发明具有低频频响补偿电路的信号处理装置的处理器系统优选方案3的补偿方法示意图，

步骤S601：当外部输入信号是标准边沿信号时，计算所述标准边沿信号的原始特征参数值，将其作为标准特征参数值，存入处理器系统。作为举例，所述特征参数值可以是该标准边沿信号的边沿波形或者过冲、上升时间等特征参数。

步骤S602：采集标准边沿信号的数字信号的特征参数值（简称标准边沿信号的特征参数值）；作为举例，所述特征参数值可以是该标准边沿信号的边沿波形或者过冲、上升时间等特征参数。但如果标准边沿信号的原始标准特征参数值选用的是上升时间，则采集的标准边沿信号的特征参数值也应该选用上升时间。

步骤S603：计算标准边沿信号的原始特征参数值和采集的标准边沿信号的特征参数值的偏差。

步骤S604：判断偏差是否在预设偏差范围内。

步骤S605：当判断所述差值处于预设偏差范围之外，则根据偏差产生所述第一控制信号；本实施例中，所述预设偏差范围是0.4％，作为举例，当系统要求精度高时，偏差可以再选小，当系统要求精度低时，偏差可以再选大。

根据偏差产生所述第一控制信号具体如下；

当所述标准边沿信号的原始特征参数值大于所述采集的标准边沿信号的特征参数值时，所述第一控制信号控制所述可变增益放大器的增益变小，使得式5.2所示的直流和低频增益增大；

当所述标准边沿信号的原始特征参数值小于所述采集的标准边沿信号的特征参数值时，所述第一控制信号控制所述可变增益放大器的增益变大，使得式5.2所示的直流和低频增益减小。

再次回到步骤S602、S603、S604当判断所述差值处于预设偏差范围内时，转到步骤S606保存当前处理器系统的设置；

S607提示校准成功。

参照图7，是本发明具有低频频响补偿电路的信号处理装置的处理器系统优选方案4的补偿方法示意图，与图6中相同的步骤采用了相同的标号标示。

在本优选方案中，还包括步骤S701：处理器系统控制信号恢复至初始值，所述初始值一般是调节可变增益放大器使可变增益放大器处于其正常增益值范围时的控制信号的状态，本方案优选使可变增益放大器处于中间增益值时的控制信号的状态为初始值。

当判断所述差值处于预设偏差范围之外，还有一个判断校准是否超时的步骤S702，设置步骤S702是为了避免进入死循环，通常判断校准是否超时是判断校准的次数，例如：最多校准10次；也可以是最长的校准时间，例如：最多校准10分钟。

如果不超时，转到步骤S605根据偏差产生所述第一控制信号；如果超时，转到步骤S702将所述处理器系统的第一控制信号恢复至初始值，S704提示校准失败。

参照图8，示出了具有低频频响补偿电路的信号处理装置优选实施例3的结构示意图，与图3中相同的模块采用了相同的标号标示。本优选实施例的信号处理装置800包括输入端子301，输入耦合网络302，可变增益放大器模块801，模数转换器304，可变增益放大器模块802，处理器系统305，

输入耦合网络302包括输入衰减模块3031，电容模块3022，积分电路模块3023，电阻模块3024。所述输入端子301，接收一个外部输入信号a，所述输入衰减模块3031对所述外部输入信号a进行衰减得到一个衰减输入信号b；所述电容模块3022滤除所述外部输入信号a中的直流分量，得到高频时的前馈放大信号c；所述积分电路模块3023对所述衰减输入信号b、反馈信号d在直流、低频时进行误差放大，得到一个误差放大信号，在中频时，进行前馈放大，得到一个中频时的前馈放大信号；所述电阻模块耦合所述高频时的前馈放大信号、误差放大信号及中频时的前馈放大信号，获得所述叠加信号e。

所述可变增益放大器模块801包括依次串联的源极跟随器8011、射极跟随器8012和可变增益放大器8013，作为一种举例，源极跟随器811和可变增益放大器8013之间也可以不串联射极跟随器8012。源极跟随器8011由场效应晶体管Q1和电流源I1组成，如本领域人员所知Q1也可以用双极晶体管、绝缘栅双极晶体管等替代。射极跟随器8012由双极晶体管Q2和电流源I2组成，如本领域人员所知Q2也可以用场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管等替代。可变增益放大器8013包括可变增益差分放大器K5以及电压源V1，可变增益差分放大器K5的增益可以通过控制信号3051控制。可变电压源V1用来提供差分转单端的参考电平，作为一种举例该电压可以取-2.5V（以COM端子电压为0V参考）。

所述可变增益放大器模块802由差分转单端放大器8021以及电阻元件R14、R17、R21、R16、R19、R20、R27和R28，程控电位器R28，开关元件S1、S2和S3组成。差分转单端放大器8021用于将可变增益放大器模块801输出的差分信号转换成单端信号，作为一种举例，差分转单端放大器8021的增益为1.79倍。开关元件S2和电阻元件R14，R17，R21组成第一级程控衰减电路，作为一种举例，开关S2的端子2和端子3接通时，其增益为1；开关元件S2的端子2和端子1接通时，其增益为0.307。开关元件S1、S3，电阻元件R19、R20、R16和程控电位器R28组成第二级程控衰减器，其中开关元件S1、S3和电阻元件R19、R20、R16用于将程控电位器R28所微调的增益范围扩展到4个区间。开关S1的端子2和端子1接通并且开关S3的端子2和端子1接通，为第一个增益区间；开关S1的端子2和端子1接通并且开关S3的端子2和端子3接通，为第二个增益区间；开关S1的端子2和端子3接通并且开关S3的端子2和端子1接通，为第三个增益区间；开关S1的端子2和端子3接通并且开关S3的端子2和端子3接通，为第四个增益区间；作为一种举例，程控电位器R28具有256步变化，结合差分转单端放大器8021、第一级程控衰减器和第二级程控衰减器，可变增益放大器模块802的增益变化范围可以从0.55变化到1.80，程控电位器R28每个步控制增益变化约0.002倍。本领域技术人员能够联想到，可变增益放大器模块802也可以使用乘法器、DAC、专门的可变增益放大器芯片等方案实现。

本优选实施例还包括一个由处理器系统305控制的数模转换器803，数模转换器803的输出端耦合到可变增益放大器模块802，用于调节由所述输入耦合网络302、可变增益放大器模块801和可变增益放大器模块802形成的反馈环路的直流偏移。具体的，处理器系统305向数模转换器803发送控制码，改变数模转换器803输出的电压信号的大小，进而改变直流偏移，以改变示波器的垂直位置。

所述数模转换器803的输出电压耦合到可变增益放大器模块802的电阻元件R28的一端，该输出电压叠加到可变增益放大器模块802的输出端用来调节反馈环路的直流偏移。数模转换器可以是集成的单片数模转换器，也可以是数字电位器或者基于PWM原理的数模转换器等。

可变增益放大器模块801对所述叠加信号e进行放大，模数转换器304将该放大后的信号转换成数字信号耦合到处理器系统305。

电容模块3022和可变增益放大器模块801的增益决定信号处理装置800的高频增益，若忽略电路板上的寄生以及可变增益放大器模块801的输入电容，则输入耦合网络302的高频增益为式5.1所述：

Gain2(HF)＝1·K3＝K3                     ---式5.1

其中K3为可变增益放大器模块801的增益。

当电路板上的寄生电容以及可变增益放大器模块801的输入电容不可忽略时，则式5.1需要作相应的修正。

对于低频和直流信号，电容模块3022和电容C2可以认为开路。依据负反馈运算放大器电路分析方法，运算放大器U1B的同相输入端子5和反相输入端子6虚短路，由此得到信号处理装置800的DC和低频增益如式5.2所示：

$\mathrm{Gain}2\left(\mathrm{DC}\right)=\frac{R3}{R1+R3}\·\frac{1}{K4}$ ---式5.2

其中K4为可变增益放大器模块802的增益。

为了使得信号处理装置800频率响应平坦并且输入端子301至可变增益放大器模块801输入端的频率响应平坦，需要满足式5.3所述的关系：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Gain}2\left(\mathrm{HF}\right)=\mathrm{Gain}2\left(\mathrm{DC}\right)\\ \frac{R4}{R5}=\frac{R1}{R3}\end{array}\right.$ ---式5.3

为了简化信号处理装置800在低频段的零极点对数量，R13、C2、C1、R2的选取满足式5.4。

R13·C2≤C1·(R2||R_iK3)                  ---式5.4

其中R_iK3是可变增益放大器模块801的输入阻抗，R13是可变增益放大器模块802的输出阻抗，图中未示出。

模数转换器304的低频频响可以认为是理想的，当可变增益放大器模块801的增益K3一定时，调节可变增益放大器模块802的增益K4使得式5.3成立，则能够使得信号处理装置800的低频频响平坦。改变可变增益放大器模块801的增益K3，并调节可变增益放大器模块802的增益K4使得反馈回路的低频频响平坦后，还能够改变反馈回路的增益。

本实施例中处理器系统305的校准方法参照上述处理器系统优选方案的补偿方法，这里不再重复说明。

参见图9，示出了一种输入耦合网络302A的结构示意图，与图3中相同的模块采用了相同的标号标示。

输入耦合网络302A具有一个输出叠加信号e的输出端子112，输入耦合网络302A中的电容模块302A2中增加了并联在输出端子112和公共端子COM之间的电容元件C3。电容元件C1和电容元件C3构成电容分压器结构，用来调节信号处理装置的高频增益。这种结构的反馈回路的高频增益由式5.5表述：

$\mathrm{Gain}3\left(\mathrm{HF}\right)=\frac{C1}{C3+C1}\·K3$ ---式5.5

其中K3为其中K3为放大器303的增益。

为了使得信号处理装置频率响应平坦并且为了使得输入端子301至输出端子112的频率响应平坦，需要满足式5.6的条件。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Gain}3\left(\mathrm{HF}\right)=\mathrm{Gain}2\left(\mathrm{DC}\right)\\ \frac{R3}{R1+R3}\·\frac{R4+R5}{R5}=\frac{C1}{C1+C3}\end{array}\right.$ ---式5.6

其中Gain2(DC)由式5.2定义。

参见图10，示出了又一种输入耦合网络302B的结构示意图，与图3中相同的模块采用了相同的标号标示。

输入耦合网络302B中的输入衰减网络302B1中增加了电容元件C9和开关元件S6的并联结构，以及连接在运算放大器U1B的同相输入端子5和公共端子COM之间的电阻元件R8。电容元件C9和开关元件S6的并联结构串联在电阻R1和电阻R8之间。开关元件S6受到控制信号501的控制。

控制信号501控制开关元件S6闭合时，输入端子301和输入衰减网络302B1的输出端子114之间建立直流耦合路径，输入耦合网络工作在直流耦合模式。

控制信号501控制开关元件S6断开时，输入端子111和输入衰减网络的输出端子114之间建立交流耦合路径，输入耦合网络工作在交流耦合模式。

参见图11，示出了再一种输入耦合网络302C的结构示意图，与图3中相同的模块采用了相同的标号标示。

输入耦合网络302C中的输入衰减网络302C1简化为增益为1的连接，积分电路模块302C3也简化增益为1的连接。

参见图12，示出了又一种可变增益放大器900的结构示意图。

可变增益放大器900包括运算放大器U4B和并联在运算放大器U4B的输出端子7和反相输入端子6之间的电阻元件R25，以及依次串联在运算放大器U4B的反相输入端子6和公共端子COM之间的开关元件S4和电阻元件R24，该方案还包括并联在串联的开关元件S4和电阻元件R24两端的开关元件S5和电阻元件R26。开关元件S4、S5分别由控制信号501-1、502-2控制，用来设置可变增益放大器的增益。运算放大器U4B的同相输入端子5耦合到可变增益放大器的输入端子901，运算放大器U4B的输出端子7还耦合到可变增益放大器的输出端子902。输入信号从输入端子901耦合到可变增益放大器，该信号经过可变增益放大器放大一定倍数后从耦合到输出端子902。

不考虑开关元件S4、S5的寄生参数时：

开关元件S4断开时，开关元件S5断开时，可变增益放大器的增益为1；

开关元件S4断开时，开关元件S5接通时，可变增益放大器的增益为(R25+R26)/R26；

开关元件S4接通时，开关元件S5断开时，可变增益放大器的增益为(R25+R24)/R24；

开关元件S4接通时，开关元件S5接通时，可变增益放大器的增益为[R25+(R24||R26)]/(R24||R26)；

本领域技术人员可以联想到，在所述串联的开关元件S4和电阻元件R24两端并联多于一组串联的开关元件和电阻元件，可以增加可变增益放大器的增益总数；还可以将串联的开关元件和电阻元件并联到运算放大器U4B输出端子7和运算放大器U4B的反相输入端子6之间，用来设置可变增益放大器的增益。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上优选实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有低频频响补偿电路的信号处理装置，其特征在于，所述低频频响补偿电路包括一个输入端子，一个输入耦合网络，一个第一放大器，一个模数转换器，一个可变增益放大器，一个处理器系统，

所述输入端子，用于接收外部输入信号；

所述输入耦合网络，用于对所述外部输入信号的直流和低频进行衰减和误差放大或对中频和高频进行衰减和前馈放大并得到一个误差放大信号与一个前馈放大信号的叠加信号；

所述第一放大器，用于对所述叠加信号进行放大，输出一个放大信号；

所述模数转换器，用于将所述放大信号转换为数字信号；

所述处理器系统，用于依据所述数字信号获取所述数字信号的特征参数值，对所述特征参数值与一个标准特征参数值进行比较，依据比较结果产生一个第一控制信号；

所述可变增益放大器，用于依据所述第一控制信号调整放大增益，并按照调整后的放大增益对所述放大信号进行增益调节并产生一个反馈信号，将产生的反馈信号输入至所述输入耦合网络，进而调节所述信号处理装置的频率响应平坦度。

2.根据权利要求1所述的信号处理装置，其特征在于，所述输入耦合网络包括一个输入衰减模块，一个电容模块，一个积分电路模块，一个电阻模块，

所述输入衰减模块用于对所述外部输入信号进行衰减得到一个衰减输入信号；

所述电容模块用于滤除所述外部输入信号中的直流分量，得到中高频交流信号的前馈放大信号；

所述积分电路模块用于对所述衰减输入信号、反馈信号在直流、低频时进行误差放大，得到一个误差放大信号，在中频时，进行前馈放大，得到一个中频时的前馈放大信号；

所述电阻模块用于耦合所述中高频的前馈放大信号、误差放大信号及中频时的前馈放大信号，获得所述叠加信号。

3.根据权利要求2所述的信号处理装置，其特征在于，所述第一放大器的增益依据所述处理器系统输出的第二控制信号可调。

4.根据权利要求1或2所述的信号处理装置，其特征在于，

外部输入信号为正弦波高频信号时，所述处理器系统获取所述数字信号的第一特征参数值将其作为标准特征参数值； 

所述外部输入信号为正弦波低频信号时，所述处理器系统获取所述数字信号的第二特征参数值；

计算所述第一特征参数值与第二特征参数值的差值，当判断所述差值处于预设偏差范围之外，则根据偏差产生所述第一控制信号；

当所述第一特征参数值大于第二特征参数值时，所述第一控制信号控制所述可变增益放大器的增益变小，使得直流和低频增益增大；

当所述第一特征参数值小于第二特征参数值时，所述第一控制信号控制所述可变增益放大器的增益变大，使得直流和低频增益减小；

再次获取所述数字信号的第二特征参数值，计算所述第一特征参数值与第二特征参数值的差值，当判断所述差值处于第一预设偏差范围内时，保存当前第一控制信号的设置值，以备下次调用；

校准完成。

5.根据权利要求4所述的信号处理装置，其特征在于，所述处理器系统获取所述数字信号的第一特征参数值将其作为标准特征参数值之前，先将处理器系统的第一控制信号恢复至初始值。

6.根据权利要求5所述的信号处理装置，其特征在于，当判断所述差值处于预设偏差范围之外，还有一个判断校准是否超时的步骤；如果不超时，则根据偏差产生所述第一控制信号；如果超时，将所述处理器系统的第一控制信号恢复至初始值，提示校准失败。

7.根据权利要求1或2所述的信号处理装置，其特征在于，外部输入信号为标准边沿信号时，所述处理器系统获取所述标准边沿信号的特征参数值，将其作为标准特征参数值，所述处理器系统获取所述数字信号的第三特征参数值；

计算所述特征参数值与第三特征参数值的差值，当判断所述差值处于预设偏差范围之外，则根据偏差产生所述第一控制信号；

当所述特征参数值大于第三特征参数值时，所述第一控制信号控制所述可变增益放大器的增益变小，使得直流和低频增益增大；

当所述特征参数值小于第三特征参数值时，所述第一控制信号控制所述可变增益放大器的增益变大，使得直流和低频增益减小；

再次获取所述数字信号的第三特征参数值，计算所述特征参数值与第三特征参数值的差值，当判断所述差值处于第二预设偏差范围内时，保存当前第一控制 信号的设置值，以备下次调用；

校准完成。

8.根据权利要求7所述的信号处理装置，其特征在于，所述处理器系统获取标准边沿信号的特征参数值，并将其作为标准特征参数值之前，先将处理器系统的第一控制信号恢复至初始值。

9.根据权利要求8所述的信号处理装置，其特征在于，当判断所述差值处于预设偏差范围之外，还有一个判断校准是否超时的步骤；如果不超时，则根据偏差产生所述第一控制信号；如果超时，将所述处理器系统的第一控制信号恢复至初始值，提示校准失败。 

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