CN113295901A

CN113295901A - 一种数字示波器的前端调整电路和数字示波器

Info

Publication number: CN113295901A
Application number: CN202110855389.8A
Authority: CN
Inventors: 陈希辰
Original assignee: Foshan Linkage Technology Co ltd
Current assignee: Foshan Linkage Technology Co ltd
Priority date: 2021-07-28
Filing date: 2021-07-28
Publication date: 2021-08-24

Abstract

本发明公开了一种数字示波器的前端调整电路和示波器，前端调整电路包括：信号输入端、第一电阻、第二电阻、可调电容、高阻抗BUF电路、差分放大器和零位校准模块；信号输入端与第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端分别与第二电阻的一端、可调电容的一端和高阻抗BUF电路的输入端连接，第二电阻的另一端、可调电容的另一端分别对地连接；第一电阻对外部信号进行衰减，通过第二电阻得到采样电压，高阻抗BUF电路将采样电压得到输入信号；可调电容通过调整其的电容值对输入电容和分布电容进行匹配；输入信号通过差分放大器转换成差分信号，差分信号输入到零位校准模块。示波器包括上述前端调整电路。本发明主要用于数据采集技术领域。

Description

一种数字示波器的前端调整电路和数字示波器

技术领域

本发明涉及高速数据采集技术领域，特别涉及一种数字示波器的前端调整电路和数字示波器。

背景技术

传统的示波器前端模拟电路都是采用交直流分离的做法。交流通过电容隔离，输入到晶体管做高速BUF。外部信号（测量信号）则通过电阻输入到高阻抗运放做缓冲，再通过电阻输出到晶体管的输入端进行放大。此种方法会导致交流增益与直流增益难以调整一致，导致输出信号失真。

发明内容

本发明的目的是提供一种数字示波器的前端调整电路和数字示波器，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

本发明解决其技术问题的解决方案是：一方面，提供一种数字示波器的前端调整电路，包括：信号输入端、第一电阻、第二电阻、可调电容、高阻抗BUF电路、差分放大器和零位校准模块；

所述信号输入端与第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端分别与第二电阻的一端、可调电容的一端和高阻抗BUF电路的输入端连接，所述第二电阻的另一端、可调电容的另一端分别对地连接；所述信号输入端用于输入外部信号；

所述第一电阻通过对外部信号进行等比例衰减，所述第二电阻对通过第一电阻衰减后的外部信号进行电压采样得到采样电压，所述采样电压输入到高阻抗BUF电路，所述高阻抗BUF电路用于将所述采样电压进行缓冲得到输入信号；所述可调电容通过调整其的电容值对所述高阻抗BUF电路中的输入电容和第一电阻的分布电容进行匹配，以消除测量信号的脉冲边沿的过冲或者不足；

所述输入信号通过差分放大器转换成差分信号，差分信号输入到零位校准模块，零位校准模块采用二分逐次逼近法将差分信号进行调零输出。

进一步，所述高阻抗BUF电路包括：正电压端、负电压端、第一二极管、第二二极管、第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、三极管、第三电阻、第四电阻、第五电阻和运算放大器；

所述第一二极管的阴极分别与第一场效应晶体管、三极管的集电极和正电压端连接；

所述第一二极管的阳极分别与第二电阻的一端、第二二极管的阴极和第一场效应晶体管的栅极连接，

所述第二二极管的阳极分别与第二场效应晶体管的栅极、第二场效应晶体管的源极、负电压端和第三电阻的一端连接；

所述第一场效应晶体管的源极分别与三极管的基极和第二场效应晶体管的漏极连接；

所述第三电阻的另一端分别与三极管的发射极和第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端与运算放大器的同相信号输入端连接，所述运算放大器的反相信号输入端与第五电阻的一端连接，所述第五电阻的另一端分别与运算放大器的输出端和差分放大器的输入端连接。

进一步，本数字示波器的前端调整电路还包括第六电阻，所述第六电阻作为耦合电阻分别连接第二电阻的一端和第一场效应晶体管的栅极。

进一步，本数字示波器的前端调整电路还包括补偿电容，所述补偿电容与第一电阻并接。

进一步，所述可调电容由第一固定电容和第一微调电容串联而成。

进一步，所述补偿电容由第二固定电容和第二微调电容串联而成。

另一方面，提供一种数字示波器，包括上述技术方案任一项所述的一种数字示波器的前端调整电路。

本发明至少具有以下有益效果：在本发明中，外部信号的直流成分和交流成分都可以直接通过阻容衰减网络进入到高阻抗BUF电路。从而使得高阻抗BUF电路以相同的增益对所述直流成分和交流成分进行处理，避免了信号失真。避免了因为直流成分和交流成分的分离而导致高阻抗BUF电路对两者增益产生差别，不同步的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。

图1是数字示波器的前端调整电路的电路结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

实施例1，参考图1，提供一种数字示波器的前端调整电路，包括：信号输入端100、第一电阻200、第二电阻300、可调电容400、高阻抗BUF电路600、差分放大器700和零位校准模块800；

所述信号输入端100与第一电阻200的一端连接，所述第一电阻200的另一端分别与第二电阻300的一端、可调电容400的一端和高阻抗BUF电路600的输入端连接，所述第二电阻300的另一端、可调电容400的另一端分别对地连接；所述信号输入端100用于输入外部信号；

所述第一电阻200通过对外部信号进行等比例衰减，所述第二电阻300对通过第一电阻200衰减后的外部信号进行电压采样得到采样电压，所述采样电压输入到高阻抗BUF电路600，所述高阻抗BUF电路600用于将所述采样电压进行缓冲得到输入信号；所述可调电容400通过调整其的电容值对所述高阻抗BUF电路600中的输入电容和第一电阻200的分布电容进行匹配，以消除测量信号的脉冲边沿的过冲或者不足；

所述输入信号通过差分放大器700转换成差分信号，差分信号输入到零位校准模块800，零位校准模块800采用二分逐次逼近法将差分信号进行调零输出。

本前端调整电路的工作原理为：通过信号输入端100接收外部信号，第一电阻200、第二电阻300和可调电容400组成阻容衰减网络，外部信号通过信号输入端100进入到阻容衰减网络，此时，第一电阻200作为衰减电阻，其的电阻值比较大。第二电阻300作为采样电阻，用于衰减后的外部信号进行采样，得到采样电压。采样电压通过高阻抗BUF电路600进行缓冲得到输入信号。

外部信号的直流成分和交流成分都可以直接通过阻容衰减网络进入到高阻抗BUF电路600。从而使得高阻抗BUF电路600以相同的增益对所述直流成分和交流成分进行处理，避免了因为直流成分和交流成分的分离而导致高阻抗BUF电路600对两者增益产生差别，不同步的情况。

差分放大器700对输入信号进行转换成差分信号，由于高阻抗BUF电路600存在一个缺点，即容易受到温度或者其他因素的影响，会发生零点漂移，从而影响测量信号的零位，造成误差。故零位校准模块800通过控制差分放大器700的负向信号输入端100，控制差分放大器700在输入信号为0的时候，抵消高阻抗BUF电路600的零位漂移，以达到调零的效果。具体的调零方法则采用二次逐次逼近法将差分信号进行调零。

所述二次逐次逼近的方法举例为：假设零位校准模块800需要调零采集到的电压到0V，零位校准模块800调零输出量程为+-1V。二分法第一次输出电压就是（1V + -1V）/2 =0V。此时读取差分放大器700的输出端的输出值，如果大于零，零位校准模块800调零第二次输出电压就为（1V+ 0V）/ 2 = 0.5V。再次读取差分放大器700的输出值，如果此时小于0，第三次输出电压就为（0.5V+ 0V）/ 2 = 0.25V,……，依此类推，直到差分放大器700的输出值接近0为止，理论上只需要16次调零，就可以达到30uV的调零输出精度。而且不需要判读此时电压测量挡位是否正确，只需要测量是否大于或者小于0就可以进行自动调零，速度快精度高。

其中，零位校准模块800包括处理单元803、AD转换单元801和DA转换单元802。AD转换单元801用于将差分放大器700输出的差分信号转换成数字信号，处理单元803对该数字信号进行处理，即执行二次逐次逼近法，同时得到的处理结果通过DA转换单元802转成模拟信号，该模拟信号输入到差分放大器700的负向信号输入端100，从而控制差分放大器700来实现调零。

零位校准模块800在完成调零后，则需要调整可调电容400，以对分布电容和输入电容进行匹配。在实际电路中，第一电阻200作为衰减电阻并不是理想电阻，因为其的阻值较大，故存在一定的分布电容。而且，高阻抗BUF电路600也存在一定的输入电容。这里的分布电容和输入电容在外部信号为直流信号时，对该直流信号的测试并没有影响，但是当外部信号为交流测试时，则存在一定的交流分压，造成交流信号的畸变。为了避免这种畸变，则需要通过调整可调电容400的电容值，使得可调电容400的电容值与该分布电容和输入电容进行匹配，以消除测量信号的脉冲边沿的过冲或者不足。

通过调零和消除脉冲边沿的过冲或者不足后，最终得到的示波器就可以很好的对外部信号进行波形显示。

本发明中，对于信号的总体调整方法为：通过零位校准模块800对外部信号进行调零，通过可调电容400调整其的电容值以消除测量信号的脉冲边沿的过冲或者不足。

在一些优选的实施例中，所述高阻抗BUF电路600包括：正电压端+VCC、负电压端-VCC、第一二极管D1、第二二极管D2、第一场效应晶体管Q1、第二场效应晶体管Q2、三极管Q3、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和运算放大器U2；

所述第一二极管D1的阴极分别与第一场效应晶体管Q1、三极管Q3的集电极和正电压端+VCC连接；

所述第一二极管D1的阳极分别与第二电阻300的一端、第二二极管D2的阴极和第一场效应晶体管Q1的栅极连接，所述第二二极管D2的阳极分别与第二场效应晶体管Q2的栅极、第二场效应晶体管Q2的源极、负电压端-VCC和第三电阻R3的一端连接；

所述第一场效应晶体管Q1的源极分别与三极管Q3的基极和第二场效应晶体管Q2的漏极连接；

所述第三电阻R3的另一端分别与三极管Q3的发射极和第四电阻R4的一端连接，所述第四电阻R4的另一端与运算放大器U2的同相信号输入端连接，所述运算放大器U2的反相信号输入端与第五电阻R5的一端连接，所述第五电阻R5的另一端分别与运算放大器U2的输出端和差分放大器700的输入端连接。

第一场效应晶体管Q1和第二场效应晶体管Q2组成共漏放大电路，将共漏放大电路与三极管Q3组成高阻抗射极跟随电路，此电路交直流输入阻抗极高，增益接近1，可以对减少对外部电路的影响，提高信号为了的精度以及带宽。

在一些优选的实施例中，本数字示波器的前端调整电路还包括第六电阻R6，所述第六电阻R6作为耦合电阻分别连接第二电阻300的一端和第一场效应晶体管Q1的栅极。通过第六电阻R6作为耦合，可以将采样电压很好的传递到第一场效应晶体管Q1中。

在一些优选的实施例中，本数字示波器的前端调整电路还包括补偿电容500，所述补偿电容500与第一电阻200并接。通过补偿电容500和第一电阻200进行并联，通过补偿电容500确定一个范围，使得将第一电阻200的分布电容落在这个范围内，方便可调电容400调整，使得与分布电容进行匹配。

在一些优选的实施例中，所述可调电容400由第一固定电容C1和第一微调电容C2串联而成。

在一些优选的实施例中，所述补偿电容500由第二固定电容C3和第二微调电容C4串联而成。

所述前端调整电路可以对外部信号进行一定的处理，使得示波器最终得到波形还原度好。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种数字示波器的前端调整电路，其特征在于，包括：信号输入端、第一电阻、第二电阻、可调电容、高阻抗BUF电路、差分放大器和零位校准模块；

2.根据权利要求1所述的一种数字示波器的前端调整电路，其特征在于，所述高阻抗BUF电路包括：正电压端、负电压端、第一二极管、第二二极管、第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、三极管、第三电阻、第四电阻、第五电阻和运算放大器；

3.根据权利要求2所述的一种数字示波器的前端调整电路，其特征在于，还包括第六电阻，所述第六电阻作为耦合电阻分别连接第二电阻的一端和第一场效应晶体管的栅极。

4.根据权利要求1所述的一种数字示波器的前端调整电路，其特征在于，还包括补偿电容，所述补偿电容与第一电阻并接。

5.根据权利要求1所述的一种数字示波器的前端调整电路，其特征在于，所述可调电容由第一固定电容和第一微调电容串联而成。

6.根据权利要求4所述的一种数字示波器的前端调整电路，其特征在于，所述补偿电容由第二固定电容和第二微调电容串联而成。

7.一种数字示波器，其特征在于，包括权利要求1至6任一项所述的一种数字示波器的前端调整电路。