單/多蹤示波器轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

引言

　　為了對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和比較研究,需要把不同信號(hào)或同一信號(hào)的不同部分同時(shí)顯示在熒光屏上。這些都需要在熒光屏上能同時(shí)顯示幾個(gè)波形。為了實(shí)現(xiàn)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(jiǎn)單,與原有的示波器一起使用,既節(jié)約了開(kāi)支,又提高了實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平。

　　典型電路設(shè)計(jì)與分析

　　轉(zhuǎn)換電路由NE555時(shí)基振蕩器、74LS169組成的計(jì)數(shù)器和MAX309多路開(kāi)關(guān)等芯片構(gòu)成,通過(guò)1個(gè)Y通道能同時(shí)顯示多蹤信號(hào),電路簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠,波形顯示效果好,便于對(duì)信號(hào)進(jìn)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(hào),控制信號(hào)直接接在16進(jìn)制的計(jì)數(shù)器上作為多路開(kāi)關(guān)的選通信號(hào)。

　　MAX309為雙回路開(kāi)關(guān)芯片,一路為直流通道,另一路為信號(hào)通道,兩路信號(hào)通過(guò)加法器后在示波器水平位置上同時(shí)顯示四路不同的信號(hào)。由于輸入信號(hào)為交流信號(hào),故使用雙電源供電,除保證交流信號(hào)正常傳輸外,同時(shí)也擴(kuò)大了信號(hào)輸出的動(dòng)態(tài)范圍。

　　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(duì)多路開(kāi)關(guān)芯片與運(yùn)放進(jìn)行供電。IC2(NE555)接成多諧振蕩器的形式,產(chǎn)生35kHz的方波作為16進(jìn)制計(jì)數(shù)器IC3(74LS169)的時(shí)基信號(hào)。取74LS169的低兩位Qa、Qb,連接到IC4(MAX309)的A0、A1端作為多路開(kāi)關(guān)的選通信號(hào)。MAX309為雙回路的模擬開(kāi)關(guān)芯片。其中一路是由2K、1K、1K、1K組成的電阻分壓網(wǎng)絡(luò),分別取出3V、2V、1V、0V的直流電壓作為信號(hào)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(lái)。另一路則為信號(hào)源的四個(gè)輸入端,通過(guò)Qa、Qb對(duì)四路開(kāi)關(guān)的控制,分別對(duì)回路信號(hào)進(jìn)行選通(兩路選通信號(hào)同步進(jìn)行)。信號(hào)由多路開(kāi)關(guān)輸出后再由運(yùn)放電路IC5(LF353)進(jìn)行放大或衰減處理。信號(hào)通過(guò)改變反饋電阻10K、10K、40K、60K、60K對(duì)其進(jìn)行放大或衰減。用四路波段開(kāi)關(guān)分別選擇不同反饋電阻,實(shí)現(xiàn)不同增益的控制,最終完成與直流分量重疊相加后輸出的目的。

　　電路調(diào)試

　　電路焊接完畢后,首先進(jìn)行外觀檢查,檢查無(wú)誤后,再進(jìn)行通電測(cè)試。用萬(wàn)用表測(cè)ICL7660的5腳是否為-5V,如果輸出正確,進(jìn)行下一步的測(cè)量,否則馬上斷電檢查,是否有短路或電路焊錯(cuò)等問(wèn)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(jì)算值相同;其次再用示波器觀察計(jì)數(shù)器的Qa、Qb端的波形是否為555時(shí)基信號(hào)的二分頻、四分頻,最后觀察第一路開(kāi)關(guān)的輸出是否為階梯波信號(hào),臺(tái)階數(shù)值分別為0V、1V、2V、3V。然后分別接入4路不同的信號(hào),用示波器觀察其最終輸入波形是否在示波器水平位置上顯示出來(lái),改變波段開(kāi)關(guān)即可改變其幅值的大小。

　　振蕩電路與模擬開(kāi)關(guān)電路的分析

　　NE555時(shí)基振蕩器輸出頻率的精度對(duì)由74LS169所組成計(jì)數(shù)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(shí)基振蕩器產(chǎn)生的振蕩周期T=0.693(R1+2R2)·C,振蕩頻率f=1/T,即f=1.443/(R1+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(xù)時(shí)間

　　t1=0.693(R1+R2)·C

　　當(dāng)R2>>R1時(shí),則D約等于50%,即輸出振蕩波形為方波。由上述有關(guān)公式的推導(dǎo),得出以下結(jié)論。

　　● 振蕩周期與電源電壓VDD無(wú)關(guān),主要取決于充電放電的總時(shí)間常數(shù),即僅與R1、R2和C的數(shù)值有關(guān)。

　　● 振蕩信號(hào)的占空比與電容C的大小無(wú)關(guān),而僅與R1、R2的大小比值有關(guān)。

　　模擬開(kāi)關(guān)和多路轉(zhuǎn)換器的作用主要用于信號(hào)的切換,目前集成模擬電子開(kāi)關(guān)在小信號(hào)領(lǐng)域已成為主導(dǎo)產(chǎn)品,與以往的機(jī)械觸點(diǎn)式電子開(kāi)關(guān)相比,集成電子開(kāi)關(guān)有許多優(yōu)點(diǎn),例如,切換速率快、無(wú)抖動(dòng)、耗電省、體積小、工作可靠且容易控制等。但它也有若干缺點(diǎn),如導(dǎo)通電阻較大,輸入電流容量有限,動(dòng)態(tài)范圍小等。因而集成模擬開(kāi)關(guān)主要使用在高速切換,要求系統(tǒng)體積小的場(chǎng)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(kāi)關(guān)時(shí)需要重點(diǎn)注意以下指標(biāo)：

　　● 通道數(shù)量。集成模擬開(kāi)關(guān)通常包括多個(gè)通道,通道數(shù)量對(duì)傳輸信號(hào)的精度和開(kāi)關(guān)切換速率有直接的影響,通道數(shù)量越多,寄生電容和泄漏電流就越大。

　　● 泄漏電流。一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)要求導(dǎo)通時(shí)電阻為零,斷開(kāi)時(shí)電阻趨于無(wú)限大,漏電流為零,常規(guī)的CMOS漏電流約1nA。如果信號(hào)源內(nèi)阻很高,傳輸信號(hào)是電流量時(shí),就特別需要考慮模擬開(kāi)關(guān)的泄漏電流,一般希望泄漏電流越小越好。

　　● 導(dǎo)通電阻。導(dǎo)通電阻會(huì)損失信號(hào),使精度降低,尤其是當(dāng)開(kāi)關(guān)串聯(lián)的負(fù)載為低阻抗時(shí)損失會(huì)更大。因此,導(dǎo)通電阻的一致性越好,系統(tǒng)在采集各路信號(hào)時(shí)由開(kāi)關(guān)引起的誤差也就越小。

　　● 開(kāi)關(guān)速度。指開(kāi)關(guān)接通或斷開(kāi)的速度。對(duì)于需要傳輸快變化信號(hào)的場(chǎng)合,要求模擬開(kāi)關(guān)的切換速度快,同時(shí)還應(yīng)考慮與后級(jí)采樣保持電路A/D轉(zhuǎn)換器的速度相適應(yīng),從而以最優(yōu)的性能價(jià)格比來(lái)選擇器件。

　　除上述指標(biāo)外,芯片的電源電壓范圍也是一個(gè)重要參數(shù),它與開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻和切換速度等有直接關(guān)系,電源電壓越高,切換速度越快,導(dǎo)通電阻越小,反之,導(dǎo)通電阻越大。

　　結(jié)語(yǔ)

　　在電路設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn),對(duì)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(wěn)定性,要想在示波器上得到完整而穩(wěn)定的波形,頻率不能偏低,幅度不宜過(guò)小。