前端將PC聲卡變成高速采樣示波器

各種軟件包使個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）中的立體聲聲卡能夠提供類似示波器的顯示，但低采樣率、高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和交流耦合前端針對(duì)20 kHz或更低的可用帶寬進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)于重復(fù)波形，可以通過在聲卡輸入之前使用采樣前端來擴(kuò)展此有限的帶寬。使用高速采樣保持放大器（SHA）對(duì)輸入波形進(jìn)行子采樣，然后使用低通濾波器重建和平滑波形，從而有效地延長時(shí)間軸，使PC可用作高速采樣示波器。本文介紹提供適當(dāng)調(diào)整的前端和探針。

圖1所示為插件附件的原理圖，可用于典型PC聲卡采樣。它為每個(gè)示波器通道使用一個(gè)高速采樣保持放大器AD783。SHA的采樣信號(hào)由時(shí)鐘分頻器電路的數(shù)字輸出提供;將描述一個(gè)例子。AD783輸入由FET緩沖，因此可以使用簡單的交流/直流輸入耦合。在所示的兩個(gè)通道中，當(dāng)直流耦合跳線斷開且輸入為交流耦合時(shí)，1MΩ電阻（R1和R3）提供直流偏置。采樣輸出由所示的兩極點(diǎn)有源RC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行低通濾波。濾波器不必是有源電路，但所示的濾波器可提供緩沖的低阻抗來驅(qū)動(dòng)PC聲卡輸入。

圖1.2通道模擬采樣電路。

AD783 SHA提供高達(dá)幾兆赫茲的可用大信號(hào)帶寬。輸入端的有效壓擺率高于100 V/μs。采用 ±5V 電源時(shí)的輸入/輸出擺幅至少為 ±3 V。擺幅小于500 mV p-p時(shí)，小信號(hào)3 dB帶寬接近50 MHz。

使用圖1所示的前端電路，以及采用可視化分析儀的PC聲卡1軟件中，圖 2 中的屏幕截圖顯示了在 1 MHz 頻率下重復(fù)的 2 MHz 單周期正弦波。采樣時(shí)鐘以 80.321kHz 采樣速率提供 250ns 寬的采樣脈沖。這里的有效水平時(shí)基是 333 ns/格。這些示例中使用的PC聲卡使用ADI公司的SoundMax編解碼器采樣，采樣速率為96 kSPS。在本例中，有效采樣速率約為40 MSPS。?

圖2.2MHz 單周期正弦脈沖，重復(fù)頻率為 1MHz。

另一個(gè)屏幕截圖拍攝的是重復(fù)頻率為 1MHz 的高斯正弦脈沖（圖 3）。采樣時(shí)鐘速率再次為80.321 kHz，采樣脈沖寬度為250 ns。

圖3.4MHz高斯正弦脈沖，1MHz重復(fù)率。

采樣時(shí)鐘發(fā)生器示例

AD783需要一個(gè)寬度在150 ns至250 ns之間的窄正采樣脈沖。采樣脈沖必須非常穩(wěn)定，抖動(dòng)低，以便顯示的波形穩(wěn)定而不來回跳躍。這一要求往往會(huì)將可能的時(shí)鐘選擇限制為基于晶體的振蕩器。另一個(gè)要求是采樣率在略低于100 kHz至約500 kHz的范圍內(nèi)可調(diào)或可調(diào)。采樣頻率之間的調(diào)諧步驟需要相對(duì)精細(xì)，以便下采樣信號(hào)落在聲卡的20 Hz至20 kHz音頻帶寬范圍內(nèi)。圖4所示的N分頻電路和頻率在10 MHz至20 MHz之間的晶體振蕩器（IC4）可提供80 kHz至350 kHz范圍內(nèi)多達(dá)200種或更多不同的采樣速率，步長為300 Hz至5 kHz。在此示例中，使用兩個(gè) 74HC191 4 位二進(jìn)制上/下計(jì)數(shù)器，N 可以是 4 到 256 之間的任何整數(shù)?；蛘?，可以使用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（例如 74HC190）與 74HC191 具有相同的引腳排列，以提供 4 到 100 的 N 范圍。分頻比使用兩個(gè)六角開關(guān) S1 和 S2 設(shè)置。開關(guān) S3 將計(jì)數(shù)器設(shè)置為向上計(jì)數(shù)或向下倒計(jì)時(shí)。電阻R1（250 Ω）和電容C1（68 pF）在異步加載起始計(jì)數(shù)值之前，會(huì)給端子計(jì)數(shù)輸出增加輕微的延遲。74HC00的四個(gè)NAND柵極用于實(shí)現(xiàn)單次采樣，當(dāng)R12為2.7 kΩ，C2為68 pF時(shí)，產(chǎn)生200 ns采樣脈沖。

圖4.采樣時(shí)鐘分頻器電路。

IC4是一款固定頻率的金屬罐晶體振蕩器。另一種方法是使用CMOS逆變器（74HC04）和分立晶體X1形成振蕩器，如圖5所示。這種方法雖然使用比一體式金屬罐振蕩器更多的元件，但通過調(diào)整電容C1來拉動(dòng)晶體頻率，允許少量的頻率調(diào)諧。

圖5.具有機(jī)械調(diào)諧功能的分立晶體振蕩器。

為避免機(jī)械可變?cè)珼1使用具有電壓相關(guān)電容的變?nèi)?a target="_blank">二極管，如圖6所示。

圖6.帶電壓調(diào)諧功能的分立晶體振蕩器。

有源重建濾波器示例

圖7和圖8顯示了有源濾波器設(shè)計(jì)，可以很好地代替簡單的無源RC濾波器。圖7所示為二階Sallen-Key濾波器，轉(zhuǎn)折頻率約為39 kHz，采用標(biāo)準(zhǔn)電阻和電容值。AD8042和AD822雙通道運(yùn)算放大器具有低電源電壓和寬擺幅特性，是不錯(cuò)的選擇。濾波器在通帶中的增益為+1。

圖7.薩倫鑰匙 39kHz 低通濾波器。

圖8顯示了另一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率約為33 kHz的二階多反饋（MFB）濾波器，使用標(biāo)準(zhǔn)電阻和電容值。該濾波器的通帶增益為–1，因此，如果使用，請(qǐng)選擇示波器軟件上的反相按鈕，以使顯示的波形右側(cè)朝上。

圖8.MFB 33kHz 低通濾波器。

為電路供電

AD783和重建濾波器中使用的放大器需要雙電源。這些可以簡單地由六節(jié)AA電池提供，其中三節(jié)提供+4.5 V，另外三節(jié)提供–4.5 V?；蛘?，可以使用單個(gè) 9V 電池，電阻分壓器提供中間電源電壓作為接地，需要由運(yùn)算放大器緩沖以提供電路所需的任何接地電流;或者，可以使用可調(diào)線性穩(wěn)壓器相對(duì)于負(fù)電池端子產(chǎn)生約4.5 V的電壓，用作接地參考。

另一種選擇是使用備用PC或筆記本電腦USB端口提供的+5 V。–5 V可由DC-DC電壓反相器產(chǎn)生，例如采用表面貼裝封裝的ADI公司ADM8829或Intersil的DIP封裝的ICL7660。需要特別注意避免DC-DC電壓逆變器產(chǎn)生的開關(guān)噪聲的干擾。

輸入衰減器

AD783的小信號(hào)增益遠(yuǎn)高于其全擺幅帶寬。通過在采樣器前面插入一個(gè)10：1的阻性衰減器來限制最大信號(hào)擺幅，可用帶寬可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過20 MHz。

使用探頭

P2100 100-MHz 10×探頭，用于采集聲卡5圖10、圖11和圖12中的屏幕截圖可以補(bǔ)償10 pF至35 pF范圍內(nèi)的輸入電容。如果印刷電路板導(dǎo)線長度盡可能短，這似乎是建議電路的足夠調(diào)整范圍。使用10×探頭時(shí)，輸入看起來像10 MΩ和18 pF，可以支持高達(dá)±30 V的輸入電壓。

為了演示AD783采樣保持輸入級(jí)，首先使用1 kHz平頂方波調(diào)整探頭補(bǔ)償。屏幕截圖顯示了頻率為 1 MHz 和 50 MHz 的各種信號(hào)的響應(yīng)。圖 10 中的兩個(gè)屏幕截圖顯示了一個(gè)通道，具有 1 MHz、5 V 峰峰峰方波 （a） 和一個(gè) 50 MHz、5 V 峰峰峰方波 （b）。在每種情況下，采樣時(shí)鐘都針對(duì)約500 Hz的下采樣信號(hào)頻率進(jìn)行調(diào)整，以便消除任何聲卡響應(yīng)差異。因此，左側(cè)屏幕截圖的有效時(shí)間刻度為 500 ns/格，右側(cè)屏幕截圖的有效時(shí)間刻度為 10 ns/格。示波器軟件設(shè)置了聲卡輸入增益，以報(bào)告1 MHz輸入的1.072 V p-p幅度和50 MHz輸入的762.2 mV p-p幅度。0.7622/1.072 的比率接近 –3 dB。該測量表明，100 MHz 10×探頭和AD783的組合具有50 MHz、3 dB帶寬。

圖 10.單通道 10×探頭 1 MHz （a） 和 50 MHz （b） 5V p-p 輸入方波。

在圖 11 中，相同的 1 MHz （a） 和 50 MHz 信號(hào) （b） 應(yīng)用于兩個(gè)通道。從兩個(gè)通道的這兩個(gè)疊加屏幕截圖中，可以看到兩個(gè)通道之間存在良好的增益、偏移和延遲匹配。

圖 11.雙跡線 2 通道匹配、10× 探頭、1MHz （a） 和 50MHz （b） 5V p-p 輸入方波。

最終屏幕截圖（圖 12）是 375kHz、5V 峰峰值方波（紅色跡線）和 1.5 MHz 42 ns 寬的 5 V 峰峰值脈沖（綠色跡線）。水平刻度為 333 ns/格。AD783采樣器保持5 V全擺幅，即使對(duì)于這些42 ns窄窄脈沖也是如此。

圖 12.雙跡線 2 通道、10× 探頭、375kHz、5V 峰峰值方波和 1.5MHz、42 ns 5V 峰峰值脈沖。

審核編輯：郭婷