原创 【博客大赛】示波器梦想之硬件电路设计（一）

1 耦合电路设计

图1耦合电路

所设计的耦合电路如上图1所示：

数字示波器的输入信号从BNC无源探头输入，由于输入的模拟信号中有交流成分和直流成分在里面，所以此部分电路用来供用户选择是否需要测量输入信号的直流成分。C35是耦合电容，用来隔离输入信号的直流成分。耦合电容的值是根据后级输入阻抗来计算，耦合电容与后面的负载电阻构成了RC高通滤波器，由RC高通滤波器的截止频率计算公式（式1）

                                                            式1

后级信号调理电路的输入阻抗是1M欧姆，所以为了使输入信号能够低至1Hz的交流信号，所以截止频率应该低于1Hz，所计算而得的C电容值 应该大于0.16uF ，所以这里耦合电容的值取1uF 。

由交流输入到直流输入的切换用继电器来实现，为了尽量减小继电器切换时所引入的机械噪声以免影响输入信号，这里继电器选用松下的小型信号继电器TQ2-5V。由电路可知，继电器断开时为交流耦合方式，继电器吸合时为直流耦合方式。

2信号调理电路设计

信号调理电路可分为两个部分，第一部分是衰减网络电路，第二部分是程控放大电路。

（1）衰减网络电路设计

图2衰减网络电路

所设计的衰减网络电路如图2 所示。利用电阻串联的分压原理，衰减网络电路实现两级衰减，当继电器K2断开时，输入信号被衰减到原来的0.5，即衰减2倍；当继电器K2吸合时，输入信号被衰减到原来的0.02，即衰减50倍。电阻旁边的电容起频率补偿作用。之所以选择的是可调电容，那是因为未知的待测信号的频率是在可变的一个范围里，如果输入信号频率很低，输入电容对其还不会有多大影响，如果频率上升，待测点的等效电阻和示波器输入端的输入电容会形成一个积分电路，如此便会造成高频失真。所以为了避免此失真情况出现，在电阻旁边并联进容值可调的电容来形成一个微分电路，去抵消积分电路的效应。同样的，为了减小机械噪声，继电器选用了松下电器的信号继电器TQ2-5V。

（2）程控放大电路设计

图3 程控放大电路

所设计的程控放大电路如图3所示，衰减后的信号先经过的是由高性能、低噪声的电压反馈型放大器AD8066组成的电压跟随器，然后经过限流电阻R27进入到压控增益放大器AD603。AD603是ADI公司生产的低噪声、90MHz带宽的可变增益放大器，增益以dB为线性，经过精密校准，而且不随温度和电源电压而变化。增益由高阻抗(50 MΩ)、低偏置(200 nA)差分输入控制；比例因子为25 mV/dB，因此仅需要1 V的增益控制电压就能覆盖增益范围的中间40 dB。所以改变AD603的控制电压即可改变该器件的放大倍数。1号引脚恒定输入1.25V电压，2号引脚的电压由一片D/A转换器TLV5618A来输出。

由于AD603的高度灵敏性，控制电压稍微不稳即可能引起震荡，所以电阻R38和电容C51组成截止频率为7.2Hz的低通滤波器，避免过多高频噪声的引入；然后用AD8066运算放大器组成的电压跟随器输出到AD603。TLV5618A是德州仪器生产的双路串行12位分辨率的D/A转换器，两路D/A输出，输出A是控制AD603的放大倍数。

       由于后级A/D转换器ADS830的输入模拟电压范围是1.5V~3.5V，基线输入电压是2.5V，为了尽量利用A/D转换器的量程，所以需要给前端输入的模拟信号加上2.5V的偏置电压。双路D/A转换器TLV5618A的另外一路输出OUTB就是为了给输入信号加入2.5V的偏置电压而设计的。同样的，为了保证这2.5V电压的稳定，中间加入反相电压跟随器。

       由于衰减网络至少是衰减了0.5倍，为了得到增益为1时的信号，所以在程控放大电路的最后一级设计了同相放大器，放大倍数是2倍，如此一样 ，原输入信号就能原封不动地进入到A/D转换器。所用运放是增益带宽比高达145MHz的电压反馈型放大器AD8065，其极高的输入阻抗和极低的噪声大大保证了信号的可靠传输。