示波器信号前级处理.docx

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示波器信号前级处理

示波器信号前级处理

0052018

摘要

由交直流耦合选择、电压衰减、高阻隔离放大、程控放大、电压偏移等组成的信号调理部分的功能是将各种幅值的被测信号按照确定比例，转换到A/D可处理的电压之内.光耦继电器作为选择直流耦合或者交流耦合的开关．采用阻容分压将电压衰减1/50,.程控增益放大电路增益范围在0～40dB之间，偏移电路将交流信号抬升为AD可以测量的直流信号，

关键字：

交直流耦合；程控放大；光耦继电器

一．方案论证与比较

信号调理部分的功能是将各种幅值的被测信号按照确定比例，转换到A/D可处理的电压之内.主要有交直流耦合选择、电压衰减、高阻隔离放大、程控放大、电压偏移等组成。

1.开关的选择：

方案一：

74HC4051是一款高速CMOS器件，引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列．74HC4051是8通道模拟多路选择器/多路分配器，带有3个数字选择端，1个低有效使能端，8个独立输入/输出端和1个公共输入/输出端．具有速度高、价格便宜、寿命长的优点．但是导通电阻大（约几十

），不宜作为输入信号通道的开关．在这里我们用它作为TL431输出的电压基准的分配开关，使用单片机可方便的控制通道的切换．

方案二：

光耦继电器是用光耦来控制开关状态的固态继电器，无机械触点，使用寿命长，安静环保防震抗摔，体积小，安全可靠，高速切换，低放电电压，低动作电流，输入输出间完全绝缘，可控制各种负载．NAIS公司的光耦继电器210EH导通电阻

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，可以作为选择直流耦合或者交流耦合的开关．

方案三：

普通继电器可以实现电气隔离，可靠导通．但是开关动作慢，体积大，寿命有限，不宜作为频繁开断的开关．SRS-05VDC-SL耐压250VAC、30VDC，耐流3A，导通时导通电阻接近为零，可以作为衰减倍数选择的开关．

方案四：

干簧继电器主要由干式舌簧片与励磁线圈组成。

干式舌簧片（触点）是密封的，由铁镍合金做成，舌片的接触部分通常镀有贵重金属（如金、铑、钯等），接触良好，具有优良的导电性能。

触点密封在充有氮气等惰性气体的玻璃管中，因而有效地防止了尘埃的污染，减少了触点的腐蚀，提高了工作可靠性。

结构简单，体积小。

吸合功率小，灵敏度高，一般吸合与释放时间均在0.5～2ms以内。

触点密封，不受尘埃、潮气及有害气体污染，动片质量小，动程小，触点电寿命长。

方案论证及选定：

由各方案的优缺点及器件的选择考虑，最终选择了方案二作为交直流耦合的选择开关.

2.程控增益放大电路

由电压控制不同的增益,将输入信号调理为ADC的额定电压范围.程控增益调整放大器AD603，是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆率为275V/μs.管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-10～+30dB时的带宽为90Mhz，增益在,0～40dB时具有30MHz带宽，增益在+10～+50dB时具有9MHz带宽.改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内.该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统.

模式一：

将VOUT与FDBK短路，即为宽频带模式（90MHz宽频带），AD603的增益为40Vg+10，这时的增益范围在-10～30dB。

（AD603管脚图和功能表如图1）

模式二：

VOUT与FDBK之间外接一个电阻REXT，FDBK与COMN端之间接一个5.6uF的电容频率补偿。

根据放大器的增益关系式，选取合适的REXT，可获得所需要的模式一与模式三之间的增益值。

其增益为40Vg+20，这时的增益范围在0～40dB.当REXT=2.15千欧时，增益范围为-1~+41dB。

模式三：

VOUT与FDBK之间开路，FDBK对COMN连接一个18uF的电容用于扩展频率响应，该模式为高增益模式，其增益为40Vg+30，这时的增益范围为10～50dB。

AD603的增益控制接口的输入阻抗很高，在多通道或级联应用中，一个控制电压可以驱动多个运放；同时，其增益控制接口还具有差分输入能力，设计时可根据信号电平和极性选择合适的控制方案。

在AD603的应用中要注意以下几点：

（1）供电电压一般应选为±5V，最大不得超过±7.5V。

（2）在±5V供电情况下，加在输入端VINP的额定电压有效值应为1V，峰值为±1.4V，最大不得超过±2V。

如要扩大测量范围，应在AD603的前面加一级衰减。

这样可使输出电压峰值的典型值达到±3.0V。

因此AD603后面通常要加一级放大才能接A/D转换器。

（3）电压控制端所加的电压必须非常稳定，否则将造成增益的不稳定，从而增加放大信号的噪声。

　　（4）信号必须直接连在放大器的脚3，否则将由于阻抗较大而引起放大器精度的降低。

图1AD603管脚图和功能表

2．系统方案设计

1.交直流耦合选择电路

光耦继电器是用光耦来控制开关状态的固态继电器，开关闭合时选择直流耦合，开关断开为交流耦合。

（如图2所示）

图2交直耦合选择电路

2.衰减电路

采用阻容分压（电路图如图3所示）.由于采用了程控增益运放AD603，它的输入电压峰峰值不能超过正负1V，所以对输入信号前级衰减分两个档位，1/2档和1/50档。

由电阻分压进行信号衰减。

电容C3，C5,C12在衰减器中起补偿作用，以改善频率响应，避免自激.（衰减后波形见附录四）

图3衰减电路

3.高阻隔放大电路

采用AD8056作为衰减信号的缓冲，可以提高输出阻抗，减小后级电路对信号的影响。

为了避免冲击电压对运放的危害，加入二极管钳位保护电路。

二极管采用4148快恢复二极管。

4.电压基准电路

TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。

它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图2）。

该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。

（内部结构图见附录三）稳压基准电路如图4，VR为基准电压（VR=2.5V），要得到V1=0.5V电压，R2与（R3+R4）分2.5V电压，则

图4稳压基准电路

5.程控增益放大电路

AD603选择模式二，VOUT与FDBK之间外接一个电阻REXT，FDBK与COMN端之间接一个5.6uF的电容频率补偿。

其增益为40Vg+20，增益范围在0～40dB，则Vg的范围为-0.5V到+0.5V.AD603的3管脚输入信号，2管脚由TL431产生基准电压0.5V,

1管脚由TL431产生0到1V电压。

调节1、2管脚的压差Vg，产生不同的增益。

使用74HC4051作为TL431输出的电压基准的分配开关，使用单片机可方便的控制通道的切换．（电路图见附录一）

6.电压偏移电路

电平变换电路及测频电路AD的输入电压0～2V（参考基准为2V），为了使之适应双极性信号，在A/D前加入电平变换电路，将信号变换到0～2V。

频率测量选用高速电压比较器（响应时间28ns），被测量信号经比较器后，产生方波，给AD采样。

电路见附录一.

三.测试数据

输入电压

是否衰减

压控电压增益

实际放大倍数

10mV-50mV

否

20倍-100倍

20倍-100倍

5V

是衰减44.64倍到112mV

8.93倍

0.2倍

10V

是衰减44.64倍到224mV

4.46倍

0.1倍

15V

是衰减44.64倍到336mV

2.98倍

0.07倍

20V

是衰减44.64倍448mV

2.23倍

0.03倍

四．总结

通过努力，我们终于完成示波器信号前级处理。

对于大学生电子设计竞赛这样的过程是最重要的，在比赛和培训过程中我们收获了很多宝贵的知识和经验。

这场训练不仅仅让我们在理论知识和动手能力方面有很大的提高更让我们明白了团队的意义。

这对我们今后的学习和工作有很大的影响，也更激发了我们对电子设计的热情。

附录一整体电路图

附录二AD603内部结构图

AD603利用了X-AMP由一个0~-42.14dB的可变衰减器及一个固定增益放大器构成。

其中，可变衰减器由一个七级R-2R梯形网络构成，每级的衰减量为6.02dB，可对输入信号提供0~-42.14dB的衰减。

X-AMP结构的一个重要优点是优越的噪声特性，在1MHz宽带，最大不失真输出为1Vrms时，输出x信噪比为86.6dB。

附录三TL431内部电路

其中V1V2构成输入级,V3V4V5构成稳压基准,V6V7V8V9构成差分放大器,V10V11形成复合管,构成输出级。

D1D2均为反向极向保护。

引线端子1为参考电压输入端R,2为公共阳极端A,3为输出阴极端K。

附录四衰减波形