数字存储示波器模拟通道设计

摘要：高性能的模拟通道设计已成为数字示波器数据采集的关键技术之一。本文给出了一种高带宽，大动态范围的模拟通道设计方法。该模拟通道可实现信号衰减，阻抗变换，信号放大等功能。经实践表明，该设计能够有效的对输入信号进行调理。

关键词：模拟通道 射频衰减 阻抗变换

1引言

模拟通道是数据采集系统的重要组成部分。其后端ADC的电压输入范围有限，对于示波器大幅度待测信号需要进行衰减，对于小幅度信号¬，为了提高测量信噪比需要进行放大。通道电路的基本功能就是将模拟信号经过放大/衰减等预处理后无失真输出，以达到ADC的最佳输入要求。

数据采集对模拟通道的带宽、动态输入范围、输入输出阻抗都有较高的要求。高性能的模拟通道设计已成为数据采集的关键技术问题。

2模拟通道总体方案设计

模拟通道主要有以下几个部分组成：

1）射频衰减电路

射频衰减电路是模拟通道的重要组成部分，当外部大信号进入模拟通道后，由于数控衰减器的衰减范围有限，无法满足大档位的设计要求，而且为了后级电路的安全，输入信号要小于有源元件所能承受的最大电压，所以将射频衰减电路作为模拟通道的第一级。

2）阻抗变换电路

阻抗变换电路的输入阻抗非常高，通常为兆欧以上；输出阻抗较低，通常在50欧以下。阻抗变换的作用是隔离前后级电路之间的影响，增加对后级电路的驱动能力。

3）数控衰减器

数控衰减器由衰减和控制两部分组成，通过对芯片写入控制字，进行内部开关的切换，达到衰减效果。数控衰减器与射频衰减电路配合使用，以达到本文的要求。

4）可变增益放大器

可变增益放大器是一个双差分放大器，能够对放大器的增益进行细调，输出分成两路。一路经过缓冲放大、带宽限制选择和差动放大，传输到ADC驱动电路，进行A/D转换。另一路经过缓冲放大连接到高速触发同步比较器，与所设置的触发电平相比较，产生触发同步脉冲信号。

3主要电路设计

1）射频衰减电路设计

射频衰减电路为一无源网络，由无源电阻电容组成，电路如图1所示。

根据要求，当系统选择衰减档时，通道对地的输入阻抗为1MΩ，输入电阻R满足以下条件：

同时，应满足其衰减倍数：

射频衰减电路的衰减倍数K=10。当系统选择直通时，输入电阻R应满足：

此处对电阻的精度要求比较高，综上所述，R1、R2、R’选用高精密电阻，阻值分别为909KΩ、101KΩ、1MΩ。

2）阻抗变换电路设计

阻抗变换电路如图2所示，由一个运算放大器、两个场效应管、一个三极管和一些阻容元器件构成。

当前端射频衰减网络选择直通时，通道对地的输入阻抗R应为1MΩ，即：

这里的R1+R2即为衰减网络中的R’。

输入信号由无源衰减网络传输到阻抗变换网络，通过电容C1，将信号中的交流成分分离出来，进入到交流传输通道。图中，场效应管V1与三极管V3接成射随器形式，构成主信号通道，V2为恒流源。场效应管输入阻抗很高，能够很好的匹配衰减网络以满足对输入阻抗的要求；三极管的输出阻抗一般只有几十欧姆，此方案很好的实现了交流信号通道阻抗变换的目的。

输入信号中的直流成分通过深度负反馈运放的输入端耦合到输出端，再与交流信号合并。这样，输入信号就通过阻抗变换传输到了输出端。所选运放输入阻抗为80MΩ，输出阻抗只有几十欧姆，所以直流成分同样实现了阻抗变换。

4结束语

本文给出了数字存储示波器模拟通道的整体设计方案，并重点介绍了无源衰减网络与阻抗变换电路的实现方案。该电路已成功运用到多个示波器项目的通道电路中，满足后续AD采样所需幅度的范围，各项技术指标满足示波器对通道电路的要求。

参考文献

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[4] 刘兆庆，张洋，彭喜元.一种低速隔离A/D前端模拟通道设计[J].电子测量技术，2012（7）：81-83，99.

作者简介

吕增强（1983-），男，硕士研究生，主要从事示波器模拟通道的硬件研发。