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單/多蹤示波器轉換電路的設計
2014-12-23
引言
在實際應用中,常常需要用示波器同時觀測多個信號,或需要比較同一電路中不同點之間信號的頻率、幅值和相位,以及觀測電信號通過網絡后的相移和失真等情況。為了對侮號進行測量和比較研究,需要把不同信號或同一信號的不同部分同時顯示在熒光屏上。這些都需要在熒光屏上能同時顯示幾個波形。為了實現這一目的,通常采用雙掃描示波顯示、多線顯示或多蹤顯示。本文介紹的將單蹤示波器改為多蹤顯示的一種裝置,制作簡單,與原有的示波器一起使用,既節約了開支,又提高了實驗技術水平。
典型電路設計與分析
轉換電路由NE555時基振蕩器、74LS169組成的計數器和MAX309多路開關等芯片構成,通過1個Y通道能同時顯示多蹤信號,電路簡單、穩定、可靠,波形顯示效果好,便于對信號進行分析和研究,其電路如圖1所示。
本電路采用555芯片作為振蕩器,其3腳輸出的方波作為切換電路的控制信號,控制信號直接接在16進制的計數器 上作為多路開關的選通信號。
MAX309為雙回路開關芯片,一路為直流通道,另一路為信號通道,兩路信號通過力日戰器后在示波器水平位置上同時顯示四路不同的信號。由于輸入信號為交流信號,故使用雙電源供電,除保證交流信號正常傳輸外,同時也擴大了引號輸出的動態范圍。
圖1 單/多蹤示波器轉換電路
外部電源僅需要+5V的電源電壓、+5V電壓輸入至IC1(ICL7660)的8腳,在其5腳輸出-5V的電壓,對多路開關芯片與運放進行供電。IC2(NE555)接成多諧振蕩器的形式,產生35kHz的方波作為16進制計數器IC3(74LS169)的時基幣號。取74LS169的低兩位Qa、Qb,連接到IC4(MAX309)自A0、A1端作為多路開關的選通信號。MAX309為雙回路自模擬開關芯片。其中一路是由2K、lK、1K、1K組成的電阻分壓網絡,分別取出3V、2V、lV、0V的直流電壓作為信號所要顯示波形的直流分量,使其在示波器的不同位置上顯示出來。另一路則為信號源的四個輸入端,通過Qa、Qb對E路開關的控制,分別對回路信號進行選通(兩路選通信號同步進行)。信號由多路開關輸出后再由運放電路IC5(LF353)進行放大或衰減處理。信號通過改變反饋電阻10K、10K、40K、60K、60K對其進行放大或衰減。用四路波段開關分別選擇不同反饋電阻，實現不同增益的控制，便攜式紅外測溫儀最終完成與直流分量重疊相加后輸出的目的。
電路調試
電路焊接完畢后,首先進行外觀檢查,檢查無誤后,再進行通電測試。用萬用表測ICL7660的5腳是否為-5V,如果輸出正確,進行下一步的測量,否則馬上斷電檢查,是否有短路或電路焊錯等問題;用示波器觀察555輸出的波形是否正確,其頻率值是否與計算值相同,其次再用示波器觀到計數器的Qa、Qb端的波形是否為555時基信號的二分頻、四分頻,最后觀察第一路開關的輸出是否為階梯波信號,臺階數值分別為0V、lV、2V、3V。然后分別接人4路不同的信號,用示波器觀察其最終輸入波形是否在示波器水平位置顯示出來,改變波段開關即可改變其幅值的大小。
振蕩電路與模擬開關電路的分析
NE555時基振蕩器輸出頻率的精度對由74LS169所組成計數器的可靠性影響較大,因此,必須給予重視。如圖1所示,NE555組成的時基振蕩器產生的振蕩周期T=0.693(R1+2R2)·C,振蕩頻率f=1/T,即f=1.443/(Rl+2R2)·c,輸出振蕩頻率波形的占空比D=t1/T=(R1+R2)/(R1+2R2)
注:t1為輸出脈沖的持續時間
t1=0.693(R1+R2)·C
當R2>R1時,則D約等于50%,即輸出振蕩波形為方渡。由上述有關公式的推導,得出以下結論。
·振蕩周期與電源電壓VDD無關,主要取決于充電放電的總時間常數,即僅與R1、R2和C的數值有關。
·振蕩信號的占空比與電容C的大小無關,而僅與R1、R2的大小比值有關。
模擬開關和多路轉換器的作用主要用于信號的切換,目前集成模擬電子開關在小信號領域已成為主導產品,與以往的機械觸點式電子開關相比,集成電子開關有許多優點,例如,切換速率快、無抖動、耗電省、體積小、工作可靠且容易控制等。但它也有若干缺點,如導通電阻較大,輸入電流容量有限,動態范圍小等。因而集成模擬開關主要使用在高速切換,要求系統體積小的場合。在較低的頻段上(f<10Hz),則廣泛采用雙極晶體管工藝。
選擇開關時需要重點注意以下指標:
·通道數量。集成模擬開關通常包括多個通道,通道數量對傳輸信號的精度和開關切換速率有直接的影響,通道數量越多,寄生電容和泄漏電流就越大。
·泄漏電流。一個理想的開關要求導通時電阻為零,斷開時電阻趨于無限大,漏電流為零,常規的CMOS漏電流約1nA。如果信號源內阻很高,傳輸信號是電流量時,就特別需要考慮模擬開關的泄漏電流,一般希望泄漏電流越小越好。
·導通電阻。導通電阻會損失信號,使精度降低,尤其是當開關串聯的負載為低阻抗時損失會更大。因此,導通電阻的一致性越好,系統在采集各路信號時由開關引起的誤差也就越小。
·開關速度。指開關接通或斷開的速度。對于需要傳輸快變化信號的場合,要求模擬開關的切換速度快,同時還應考慮與后級采樣保持電路A/D轉換器的速度相適應,從而以最優的性能價格比來選擇器件。
除上述指標外,芯片的電源電壓范圍也是一個重要參數,它與開關的導通電阻和切換速度等有直接關系,電源電壓越高,切換速度越快,導通電阻越小,反之,導通電阻越大。
結語
在電路設計和調試過程中發現,對波形顯示效果影響最大的因素是NE555振蕩器的振蕩頻率和幅度的穩定性,要想在示波器上得到完整而穩定的旅形,頻率不能偏低,幅度不宜過小。
在實際應用中,常常需要用示波器同時觀測多個信號,或需要比較同一電路中不同點之間信號的頻率、幅值和相位,以及觀測電信號通過網絡后的相移和失真等情況。為了對侮號進行測量和比較研究,需要把不同信號或同一信號的不同部分同時顯示在熒光屏上。這些都需要在熒光屏上能同時顯示幾個波形。為了實現這一目的,通常采用雙掃描示波顯示、多線顯示或多蹤顯示。本文介紹的將單蹤示波器改為多蹤顯示的一種裝置,制作簡單,與原有的示波器一起使用,既節約了開支,又提高了實驗技術水平。
典型電路設計與分析
轉換電路由NE555時基振蕩器、74LS169組成的計數器和MAX309多路開關等芯片構成,通過1個Y通道能同時顯示多蹤信號,電路簡單、穩定、可靠,波形顯示效果好,便于對信號進行分析和研究,其電路如圖1所示。
本電路采用555芯片作為振蕩器,其3腳輸出的方波作為切換電路的控制信號,控制信號直接接在16進制的計數器 上作為多路開關的選通信號。
MAX309為雙回路開關芯片,一路為直流通道,另一路為信號通道,兩路信號通過力日戰器后在示波器水平位置上同時顯示四路不同的信號。由于輸入信號為交流信號,故使用雙電源供電,除保證交流信號正常傳輸外,同時也擴大了引號輸出的動態范圍。
圖1 單/多蹤示波器轉換電路
外部電源僅需要+5V的電源電壓、+5V電壓輸入至IC1(ICL7660)的8腳,在其5腳輸出-5V的電壓,對多路開關芯片與運放進行供電。IC2(NE555)接成多諧振蕩器的形式,產生35kHz的方波作為16進制計數器IC3(74LS169)的時基幣號。取74LS169的低兩位Qa、Qb,連接到IC4(MAX309)自A0、A1端作為多路開關的選通信號。MAX309為雙回路自模擬開關芯片。其中一路是由2K、lK、1K、1K組成的電阻分壓網絡,分別取出3V、2V、lV、0V的直流電壓作為信號所要顯示波形的直流分量,使其在示波器的不同位置上顯示出來。另一路則為信號源的四個輸入端,通過Qa、Qb對E路開關的控制,分別對回路信號進行選通(兩路選通信號同步進行)。信號由多路開關輸出后再由運放電路IC5(LF353)進行放大或衰減處理。信號通過改變反饋電阻10K、10K、40K、60K、60K對其進行放大或衰減。用四路波段開關分別選擇不同反饋電阻，實現不同增益的控制，便攜式紅外測溫儀最終完成與直流分量重疊相加后輸出的目的。
電路調試
電路焊接完畢后,首先進行外觀檢查,檢查無誤后,再進行通電測試。用萬用表測ICL7660的5腳是否為-5V,如果輸出正確,進行下一步的測量,否則馬上斷電檢查,是否有短路或電路焊錯等問題;用示波器觀察555輸出的波形是否正確,其頻率值是否與計算值相同,其次再用示波器觀到計數器的Qa、Qb端的波形是否為555時基信號的二分頻、四分頻,最后觀察第一路開關的輸出是否為階梯波信號,臺階數值分別為0V、lV、2V、3V。然后分別接人4路不同的信號,用示波器觀察其最終輸入波形是否在示波器水平位置顯示出來,改變波段開關即可改變其幅值的大小。
振蕩電路與模擬開關電路的分析
NE555時基振蕩器輸出頻率的精度對由74LS169所組成計數器的可靠性影響較大,因此,必須給予重視。如圖1所示,NE555組成的時基振蕩器產生的振蕩周期T=0.693(R1+2R2)·C,振蕩頻率f=1/T,即f=1.443/(Rl+2R2)·c,輸出振蕩頻率波形的占空比D=t1/T=(R1+R2)/(R1+2R2)
注:t1為輸出脈沖的持續時間
t1=0.693(R1+R2)·C
當R2>R1時,則D約等于50%,即輸出振蕩波形為方渡。由上述有關公式的推導,得出以下結論。
·振蕩周期與電源電壓VDD無關,主要取決于充電放電的總時間常數,即僅與R1、R2和C的數值有關。
·振蕩信號的占空比與電容C的大小無關,而僅與R1、R2的大小比值有關。
模擬開關和多路轉換器的作用主要用于信號的切換,目前集成模擬電子開關在小信號領域已成為主導產品,與以往的機械觸點式電子開關相比,集成電子開關有許多優點,例如,切換速率快、無抖動、耗電省、體積小、工作可靠且容易控制等。但它也有若干缺點,如導通電阻較大,輸入電流容量有限,動態范圍小等。因而集成模擬開關主要使用在高速切換,要求系統體積小的場合。在較低的頻段上(f<10Hz),則廣泛采用雙極晶體管工藝。
選擇開關時需要重點注意以下指標:
·通道數量。集成模擬開關通常包括多個通道,通道數量對傳輸信號的精度和開關切換速率有直接的影響,通道數量越多,寄生電容和泄漏電流就越大。
·泄漏電流。一個理想的開關要求導通時電阻為零,斷開時電阻趨于無限大,漏電流為零,常規的CMOS漏電流約1nA。如果信號源內阻很高,傳輸信號是電流量時,就特別需要考慮模擬開關的泄漏電流,一般希望泄漏電流越小越好。
·導通電阻。導通電阻會損失信號,使精度降低,尤其是當開關串聯的負載為低阻抗時損失會更大。因此,導通電阻的一致性越好,系統在采集各路信號時由開關引起的誤差也就越小。
·開關速度。指開關接通或斷開的速度。對于需要傳輸快變化信號的場合,要求模擬開關的切換速度快,同時還應考慮與后級采樣保持電路A/D轉換器的速度相適應,從而以最優的性能價格比來選擇器件。
除上述指標外,芯片的電源電壓范圍也是一個重要參數,它與開關的導通電阻和切換速度等有直接關系,電源電壓越高,切換速度越快,導通電阻越小,反之,導通電阻越大。
結語
在電路設計和調試過程中發現,對波形顯示效果影響最大的因素是NE555振蕩器的振蕩頻率和幅度的穩定性,要想在示波器上得到完整而穩定的旅形,頻率不能偏低,幅度不宜過小。
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