CN203465330U - 示波器前端处理电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种示波器前端处理电路，包括依次顺序连接的耦合电路、衰减电路、阻抗变换电路、可变增益放大电路和输出缓冲电路，所述阻抗变换电路包括运算放大器U1和电阻R14、R15、R16，运算放大器U1为FET输入型运算放大器，运算放大器U1的同相输入端与电阻R15的一端连接、电阻R15的另一端与电阻R14的一端及衰减电路连接，电阻R14的另一端接地，运算放大器U1的脚1、2之间连接电阻R16，运算放大器U1的脚6为所述阻抗变换电路的输出端。与现有技术相比，由于本实用新型中阻抗变换电路是以FET输入型运算放大器为核心的电路，故具有更平坦的频率响应，对信号处理的失真度影响更小。

Description

示波器前端处理电路

技术领域

本实用新型涉及示波器技术领域，更具体地涉及一种示波器前端处理电路。

背景技术

当代数字示波器的基本组成主要包括：模拟前端、模数转换器、数据采集/存储/信号处理、显示与人机接口。其中模拟前端和模数转换器这两部分决定了数字示波器的绝大部分性能指标，即数字示波器的核心性能。而数字示波器的测试信号带宽一般情况下都是由模拟前端的带宽决定的，也就是模拟前端直接影响了数字示波器的本底噪声和量程。通常模拟前端可采用专用芯片或通用芯片进行搭建，由于采用专用芯片需投入较高的成本，故在考虑较低成本的情况下，一般采用通用芯片搭建。

当采用通用芯片搭建时，数字示波器的模拟前端电路一般由依次连接的无源衰减、阻抗变换、可选放大、可变增益放大这几部分组成，且其中的阻抗变换电路（如图7所示）通常采用JFET运算放大器和JFET三极管组成。如图7所示，阻抗变换电路采用JFET运算放大器和JFET三极管组成会导致高频和低频通路不一致，输入信号的高频成分由图中的Q1来提供缓冲。这种处理方法导致在某些频率点的信号分别经过高、低频通道输出后的相位不一致，以致合成后的波形失真，频率响应不平坦，即经过模拟前端电路后得到的信号存在较大失真。

因此，急需一种示波器前端处理电路来克服上述缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种示波器前端处理电路，以实现对示波器的输入信号进行处理从而得到频率响应平坦、失真度较小的适合模数转换器输入特性的信号。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种示波器前端处理电路，包括依次顺序连接的耦合电路、衰减电路、阻抗变换电路、可变增益放大电路和输出缓冲电路，所述阻抗变换电路包括运算放大器U1和电阻R14、R15、R16，所述运算放大器U1为FET输入型运算放大器，所述运算放大器U1的同相输入端与所述电阻R15的一端连接、所述电阻R15的另一端与所述电阻R14的一端及所述衰减电路的输出端连接，所述电阻R14的另一端接地，所述运算放大器U1的脚1、2之间连接所述电阻R16，所述运算放大器U1的脚6为所述阻抗变换电路的输出端。

与现有技术相比，由于本实用新型示波器前端处理电路中阻抗变换电路是以FET输入型运算放大器为核心的电路，故相对于以低频高输入阻抗运算放大器和JFET晶体管为核心的阻抗变换电路，前者具有更平坦的频率响应，对信号处理的失真度影响更小，即经阻抗变换电路处理后得到的信号具有更平坦的频率响应。

较佳地，所述示波器前端处理电路还包括与所述阻抗变换电路的输出端及所述可变增益放大电路的输入端连接的直流偏移电路，所述直流偏移电路对所述阻抗变换电路的输出信号进行直流偏移处理并将处理得到的信号输出至所述可变增益放大电路。当输入信号有较大的直流成分时，可能导致输入信号的信号值范围不在后级电路（如模数转换器）的动态范围内，从而导致输入信号可能因饱和而失真，影响信号处理精度，从而设置直流偏移电路可以消除直流偏移量进而得到适失真度较小的信号。

较佳地，所述直流偏移电路包括运算放大器U2、电阻R19和电阻R20，所述运算放大器U2的同向输入端接收所述阻抗变换电路的输出信号，所述运算放大器U2的输出端与反向输入端之间连接电阻R19，所述运算放大器U2的脚4通过电阻R20外接控制电压量，所述控制电压量为所述直流偏移电路的偏移量设定值。

较佳地，所述可变增益放大电路为程控可变增益放大电路。

较佳地，所述程控可变增益放大电路包括可变增益放大器U3、电容C16以及电阻R28、R30、R31，所述可变增益放大器U3的脚16接收所述直流偏移电路的输出信号，所述可变增益放大器U3的脚12、13、14外接控制信号以调整所述可变增益放大器U3的放大倍数，所述可变增益放大器U3的脚8、9之间连接相互串联的所述电阻R30、R28，所述电阻R30和电阻R28相互连接的一端形成所述可变增益放大电路的直流偏移设置端，所述电容C16和电阻R31并联后的一端与所述直流偏移设置端及一恒定电压连接、另一端接地。

较佳地，所述耦合电路包括继电器K2、三极管Q2以及电容C2，所述耦合电路的输入信号与所述继电器K2的脚4及所述电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端与所述继电器K2的脚1连接形成所述耦合电路的输出端，所述继电器K2的脚2与+5V电源连接，所述继电器K2的脚3与所述三极管Q2的集电极连接，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的基极外接控制信号。

较佳地，所述衰减电路包括驱动单元和衰减单元，所述驱动单元外接控制信号并驱动所述衰减单元对所述耦合电路的输出信号进行衰减。

较佳地，所述驱动单元包括继电器K3和三极管Q3，所述耦合电路的输出端与所述继电器K3的脚3连接，所述继电器K3的脚6与所述阻抗变换电路连接，所述继电器K3的脚8与+5V电源连接，所述继电器K3的脚1与所述三极管Q3的集电极连接，所述三极管Q3的发射极接地，所述三极管Q3的基极与所述中央处理器连接，所述继电器K3的脚2、脚7连接，所述继电器K3的脚4、5与所述衰减单元连接。

较佳地，所述衰减单元包括电容C3、C4和电阻R6、R7、R8、R9、R10，所述电阻R6、R7串联，所述电阻R9和电容C3串联，所述电阻R10和所述电容C4串联，所述电阻R6、R9的一端与所述继电器K3的脚4连接，所述电容C3、电阻R7、电容C4和电阻R8的一端连接并与所述继电器K3的脚5连接，所述电阻R8的另一端和所述电阻R10的一端接地。

通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本实用新型的实施例。

附图说明

图1为本实用新型示波器前端处理电路在中央处理器的控制下工作时一实施例的结构框图。

图2为图1中耦合电路、衰减电路的电路图。

图3为图1中阻抗变换电路的电路图。

图4为图1中直流偏移电路的电路图。

图5为图1中可变增益放大电路的电路图。

图6为图1中输出缓冲电路的电路图。

图7为现有技术中阻抗变换电路的电路图。

具体实施方式

现在参考附图描述本实用新型的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

请参考图1，描述了本实用新型示波器前端处理电路100以及控制示波器前端处理电路100工作的中央处理器一实施例的结构框图。如图1所示，示波器前端处理电路100包括依次顺序连接的耦合电路10、衰减电路12、阻抗变换电路14、直流偏移电路15、可变增益放大电路16以及输出缓冲电路18，本实施例中由中央处理器200为耦合电路10、衰减电路12以及可变增益放大电路16提供控制信号，且中央处理器200为直流偏移电路15提供控制电压量。其中耦合电路10的输入端即为示波器前端处理电路100的输入端、用于接收示波器的输入信号Vin，输出缓冲电路18的输出端即为示波器前端处理电路100的输出端、用于将处理得到的信号Vout输出；耦合电路10与中央处理器200连接、用于接收中央处理器200的控制信号并在控制信号的的控制下实现输入信号Vin的交直流耦合，衰减电路12与中央处理器200连接、用于接收中央处理器200的控制信号并在控制信号的控制下对来自耦合电路10的信号进行衰减处理，阻抗变换电路14与衰减电路12连接、用于进行阻抗变换，直流偏移电路15与阻抗变换电路14连接、用于对来自阻抗变换电路14的信号进行直流偏移处理，可变增益放大电路16与中央处理器200及直流偏移电路15连接、用于在中央处理器200的控制信号作用下对来自直流偏移电路15的信号进行增益可调的放大处理。由于阻抗变换电路14以FET型输入运算放大器为核心进行阻抗变换，因而具有更平坦的频率响应，对信号处理的失真度影响更小，同时，直流偏移电路的设置消除了输入信号的直流成分，提高了信号处理精度。

请参考图2，描述了图1中耦合电路10、衰减电路12的电路图。如图2所示，耦合电路10包括继电器K2、三极管Q2、二极管D2、电容C2以及电阻R4、电阻R5；输入信号Vin与继电器K2的脚4及电容C2的一端连接，电容C2的另一端与继电器K2的脚1连接在一起构成耦合电路10的输出端Out1，耦合电路10的输出端Out1的输出信号Vout即为衰减电路12的输入信号Vin，继电器K2的脚2与+5V电源及二极管D2的负极连接，二极管D2的正极与继电器K2的脚3以及三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的发射极接地（DGND），电阻R5和电阻R4相互串联且串联后的一端接地、另一端与中央处理器200连接并接收中央处理器200的输出信号AcDcSel，电阻R4和电阻R5连接处的端点与三极管Q2的基极连接。工作时，来自中央处理器200的控制信号AcDcSel经过电阻R4和电阻R5分压后，将通过电阻R4的电压接入三极管Q2的基极进而控制三极管Q2的导通或截止，通过三极管Q2的导通或截止以及+5V电源进而控制继电器K2的通断、从而实现控制输入信号Vin的交直流耦合。

如图2所示，衰减电路12包括驱动单元121和衰减单元123，驱动单元121与中央处理器200和衰减单元123连接、用于在中央处理器200的控制下驱动衰减单元123，衰减单元123用于对输入信号进行衰减。驱动单元121包括继电器K3、三极管Q3、二极管D3和电阻R11、R12，衰减单元123包括电容C3、C4和电阻R6、R7、R8、R9、R10，其中继电器K3为双刀双掷继电器;耦合电路10的输出端Out1与继电器K3的脚3连接，继电器K3的脚6为衰减电路12的输出端并与阻抗变换电路14连接，继电器K3的脚8与+5V电源及二极管D3的负极连接，二极管D3的正极与继电器K3的脚1以及三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的发射极接地（DGND），电阻R11和电阻R12相互串联且串联后的一端接地、另一端与中央处理器200连接并接收中央处理器200的控制信号AttenSel，电阻R11和电阻R12连接处的端点与三极管Q3的基极连接，继电器K3的脚2、脚7连接在一起；电阻R6、R7串联，电阻R9和电容C3串联，电阻R10和电容C4串联，电阻R6、电阻R9的一端与继电器K3的脚4连接，电容C3、电阻R7、电容C4和电阻R8的一端连接在一起并与继电器K3的脚5连接，电阻R8的另一端和电阻R10的一端接地。工作时，来自中央处理器200的控制信号AttenSel经过电阻R11和电阻R12分压后，将通过电阻R11的电压接入三极管Q3的基极进而控制三极管Q3的导通或截止，通过三极管Q3的导通或截止以及+5V电源进而控制继电器K3的通断、继电器K3的通断控制是否选通衰减单元123，当选通衰减单元123时，可以对输出衰减电路12的输入信号进行衰减处理，反之，不进行衰减处理；不同的阻抗值对应于不同等级的衰减，本实施例中衰减单元123可以实现20倍衰减。

请参考图3，描述了图1中阻抗变换电路14的电路图。如图3所示，阻抗变换电路14以FET输入型运算放大器作为核心，阻抗变换电路14包括运算放大器U1、二极管Q4、电容C5以及电阻R13、R14、R15、R16，其中二极管Q4为双开关二极管，本实施例中运算放大器U1具体为单通道运算放大器，运算放大器U1是具有FET输入的单位增益稳定、超高速电压反馈型放大器。衰减电路12的输出端与运算放大器U1的脚3（同向输入端）连接、用于将衰减电路12输出的信号输入阻抗变换电路14，具体为：衰减电路12的输出端与电阻R13、电容C5并联后的一端连接，电阻R13、电容C5并联后的另一端与二极管Q4的脚3、电阻R14和电阻R15的一端连接，二极管Q4的脚1、2分别与-5V、+5V电源连接，电阻R14的另一端接地，电阻R15的另一端与运算放大器U1的脚3连接，实现了衰减电路12的输出端与运算放大器U1的脚3连接，运算放大器U1的脚1、2通过电阻R16连接在一起，运算放大器U1的脚7、8与+5V电源连接，运算放大器U1的脚6为阻抗变换电路14的输出端。工作时，阻抗变换电路14可以对来自衰减电路12的信号进行阻抗变换以使信号的输入阻抗达到预定值，如1MΩ，与现有技术采用低频高输入阻抗运算放大器和FET驱动相比，以单通道运算放大器为核心的电路进行阻抗变换具有更平坦的频率响应，对信号处理的失真度影响更小。

请参考图4，描述了图1中直流偏移电路15的电路图。如图5所示，直流偏移电路15包括运算放大器U2、电容C6以及电阻R17、R18、R19、R20，本实施例中运算放大器U2具体为AD8009。运算放大器U2的脚3（同向输入端）为直流偏移电路15的输入端、与阻抗变换电路14的输出端连接，用于将来自阻抗变换电路14的信号输入至运算放大器U2，具体为：阻抗变换电路14的输出端与电阻R18和电容C6的一端连接，电阻R18的另一端与电阻R17的一端以及运算放大器U2的脚3连接，电容C6和电阻R17的另一端接地；运算放大器U2的脚1（输出端）与脚4（反向输入端）通过电阻R19连接在一起，运算放大器U2的脚2、5分别连接-5V、+5V电源，运算放大器U2的脚1即为直流偏移电路15的输出端，运算放大器U2的脚4通过电阻R20外接一路控制电压量Vdriff，该控制电压量Vdriff是由中央处理器200控制的、直流偏移电路15的偏移量设定值。工作时，若输入信号Vin中有较大的直流成分，则通过直流偏移电路15可以实现消除输入信号中的直流成分。其中将直流偏移电路15设置在阻抗变换电路14以及可变增益放大电路16之间，与将直流偏移电路15设置在可变增益放大电路16之后相比，前者可进行的直流偏移范围更大，具有更好的效果。

请参考图5，描述了图1中可变增益放大电路16的电路图。如图5所示，可变增益放大电路16为程控可变增益放大电路，包括可变增益放大器U3、电容C15、电容C16以及电阻R26、R27、R28、R29、R30、R31，其中可变增益放大器U3具体为AD8370。可变增益放大器U3的脚16为可变增益放大电路16的输入端，与直流偏移电路15的输出端连接、用于接收来自直流偏移电路15的信号，可变增益放大器U3的脚12（LTCH）、13（CLK）、14（DATA）为设置放大倍数的设置端口、与中央处理器200的控制IO口连接以接收来自中央处理器200的控制信号，不同的控制信号对应不同的放大倍数，从而可变增益放大器U3对来自直流偏移电路15的信号进行放大时的放大倍数是由中央处理器200控制并且可以调节的，可变增益放大器U3的脚2、7、10、15接地，可变增益放大器U3的脚3、6、11接+5V电源，可变增益放大器U3的脚1通过电阻R26接地、脚5通过电容C15接地，可变增益放大器U3的脚8、9通过依次串联的电阻R29、R30、R28、R27连接在一起，电阻R29与可变增益放大器U3的脚8连接，电阻R27与可变增益放大器U3的脚9连接，电阻R27和电阻R28相互连接的一端形成可变增益放大器U3的输出端以与输出缓冲电路18连接，电阻R30和R28相互连接的一端形成可变增益放大电路16的直流偏移设置端VT_offset，电容C16和电阻R31并联后的一端与直流偏移设置端VT_offset连接、另一端接地，直流偏移设置端VT_offset同时与某一恒定电压连接以设定经可变增益放大电路16后输出的信号的直流偏移。与现有技术中采用DAC电压控制的压控可变增益放大电路相比，本实施例中采用AD8370构成的程控可变增益放大电路的增益稳定度更高，不会受外部干扰而导致可变增益部分的部分增益不稳定，因而可以实现更好的噪声抑制性，达到较低的噪声。

请参考图6，描述了图1中输出缓冲电路18的电路图。如图6所示，输出缓冲电路18包括运算放大器U4和电阻R32，本实施例中运算放大器U4具体为AD8009。运算放大器U4的脚3（同相输入端）为输出缓冲电路18的输入端、与可变增益放大电路16的输出端连接，用于接收来自可变增益放大电路16的信号，运算放大器U4的脚1（输出端）与脚4（反相输入端）通过电阻R32连接在一起，运算放大器U4的脚2、5分别与-5V、+5V电源连接，运算放大器U4的脚1为输出缓冲电路18的输出端、也即示波器前端处理电路100的输出端，用于将输入信号Vin经过耦合电路10、衰减电路12、阻抗变换电路14、直流偏移电路15、可变增益放大电路16、输出缓冲电路18后得到的信号输出。

以上结合最佳实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本实用新型的本质进行的修改、等效组合。

Claims (9)

1.一种示波器前端处理电路，包括依次顺序连接的耦合电路、衰减电路、阻抗变换电路、可变增益放大电路和输出缓冲电路，其特征在于，所述阻抗变换电路包括运算放大器U1和电阻R14、R15、R16，所述运算放大器U1为FET输入型运算放大器，所述运算放大器U1的同相输入端与所述电阻R15的一端连接、所述电阻R15的另一端与所述电阻R14的一端及所述衰减电路的输出端连接，所述电阻R14的另一端接地，所述运算放大器U1的脚1、2之间连接所述电阻R16，所述运算放大器U1的脚6为所述阻抗变换电路的输出端。 

2.如权利要求1所述的示波器前端处理电路，其特征在于，还包括与所述阻抗变换电路的输出端及所述可变增益放大电路的输入端连接的直流偏移电路，所述直流偏移电路对所述阻抗变换电路的输出信号进行直流偏移处理并将处理得到的信号输出至所述可变增益放大电路。 

3.如权利要求2所述的示波器前端处理电路，其特征在于，所述直流偏移电路包括运算放大器U2、电阻R19和电阻R20，所述运算放大器U2的同向输入端接收所述阻抗变换电路的输出信号，所述运算放大器U2的输出端与反向输入端之间连接电阻R19，所述运算放大器U2的脚4通过电阻R20外接控制电压量，所述控制电压量为所述直流偏移电路的偏移量设定值。 

4.如权利要求3所述的示波器前端处理电路，其特征在于，所述可变增益放大电路为程控可变增益放大电路。 

5.如权利要求4所述的示波器前端处理电路，其特征在于，所述程控可变增益放大电路包括可变增益放大器U3、电容C16以及电阻R28、R30、R31，所述可变增益放大器U3的脚16接收所述直流偏移电路的输出信号，所述可变增益放大器U3的脚12、13、14外接控制信号以调整所述可变增益放大器U3的放 大倍数，所述可变增益放大器U3的脚8、9之间连接相互串联的所述电阻R30、R28，所述电阻R30和电阻R28相互连接的一端形成所述可变增益放大电路的直流偏移设置端，所述电容C16和电阻R31并联后的一端与所述直流偏移设置端及一恒定电压连接、另一端接地。 

6.如权利要求1所述的示波器前端处理电路，其特征在于，所述耦合电路包括继电器K2、三极管Q2以及电容C2，所述耦合电路的输入信号与所述继电器K2的脚4及所述电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端与所述继电器K2的脚1连接形成所述耦合电路的输出端，所述继电器K2的脚2与+5V电源连接，所述继电器K2的脚3与所述三极管Q2的集电极连接，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的基极外接控制信号。 

7.如权利要求1所述的示波器前端处理电路，其特征在于，所述衰减电路包括驱动单元和衰减单元，所述驱动单元外接控制信号并驱动所述衰减单元对所述耦合电路的输出信号进行衰减。 

8.如权利要求7所述的示波器前端处理电路，其特征在于，所述驱动单元包括继电器K3和三极管Q3，所述耦合电路的输出端与所述继电器K3的脚3连接，所述继电器K3的脚6与所述阻抗变换电路连接，所述继电器K3的脚8与+5V电源连接，所述继电器K3的脚1与所述三极管Q3的集电极连接，所述三极管Q3的发射极接地，所述三极管Q3的基极外接控制信号，所述继电器K3的脚2、脚7连接，所述继电器K3的脚4、5与所述衰减单元连接。 

9.如权利要求8所述的示波器前端处理电路，其特征在于，所述衰减单元包括电容C3、C4和电阻R6、R7、R8、R9、R10，所述电阻R6、R7串联，所述电阻R9和电容C3串联，所述电阻R10和所述电容C4串联，所述电阻R6、R9的一端与所述继电器K3的脚4连接，所述电容C3、电阻R7、电容C4和电阻R8的一端连接并与所述继电器K3的脚5连接，所述电阻R8的另一端和所述电 阻R10的一端接地。 

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