电路才是“硬”道理
——硬件电路简述
通过我的“蛊惑”，想必大家都想自制一台示波器玩玩，那就继续跟着我走吧！ 所有的电子设备都离不开硬件，首先让我来对它的硬件结构进行一下简述：
总体电路如系统框图所示（图1），前面已讲过，为了提高性能本电路采用“双核”结构，两片AVR单片机协同工作，MCU1用于控制和频率测量，MCU2用于数据处理和显示控制，两片单片机采用SPI总线通信。
信号从探头输入，进入程控放大（衰减）电路进行放大（衰减），再对被放大（衰减）的信号进行电平调整后送入高速AD转换器对信号进行采样，采样所得的数据存入FIFO存储器中，当FIFO存满后通知MCU2，MCU2从FIFO存储器中读出数据进行处理，将波形显示在LCD模块上。时钟电路为高速AD转换器和FIFO存储器提供从600Hz~60MHz的8种不同的频率信号作为不同水平扫速时的采样时钟频率。从程控放大器输出的信号一路送入AD转换器，另一路送入整形电路对输入信号进行整形，作为测频率的待测信号送入MCU1的16位计数器外部触发引脚T1（PD5），进行频率测量，程控放大器的放大（衰减）倍数和时钟电路的输出频率均由MCU1控制。MCU1将被测信号的频率、程控放大器的放大倍数和时钟电路的输出频率等数据通过SPI总线发送给MCU2，MCU2以这些数据作为频率、水平扫速、灵敏度和峰峰值计算、显示的依据。
09-01-07, 21:46320*240LCDX10/X1探头程控衰减放大器高速AD转换FIFO存储器MCU2Mega32-16整形电路时钟电路按键MCU1Mega8-16SPI 图1：系统框图
下面就各个模块电路做以简单介绍。
1.程控放大电路和电源电路：
将程控放大电路与电源电路放在一块讲，是因为他们不仅有着密切的联系，而且还是做在一块电路板上的。
程控放大器的作用是对输入信号进行衰减或放大调整，使输出信号电压在AD转换器输入电压要求范围内，达到最好的测量与观察效果，所以程控放大器电路在规定带宽内的增益一定要平坦，故对运算放大器的要求比较高，在本电路中我选用的是NSC公司生产的高速运算放大器LM6172双运放，带宽为100MHz，转换速率3000v/μs,每通道消耗电流2.3mA，输出电流可达50mA，完全满足本电路的要求，选择该芯片的另一个原因是价格，邮购价格为8元一片，相比ADI,MAX等公司几十元一片的高速运放芯片来说算是很廉价了，电源采用正负双电源供电，由于整个电路总的电源输入为单8v，所以专门用一片dc/dc电路MC34063为其构成了负压转换器再经稳压得到-5v电压，+5v通过对输入电压稳压得到。
程控放大器电路如图1所示，被测信号从BNC插孔输入，S0继电器决定输入耦合方式，S0吸合为直流偶和方式，S0断开为交流耦合方式。信号通过交直流耦合选择开关后被送入由R3~R5和C2~C4组成的X0.5/ X0.05的衰减电路，衰减倍数由S1控制，当S1未吸合时
接在“0”端，对应的衰减被数为
R4+R5
=0.5，当S1吸合时接在“1”端，对应的
R3+R4+R5
U3A*23R10360R932401R881.2K*46U1BLM6172IN7314R784*1S42*10R131K6527R1850T14S321*0.8R141KR151K8U2BLM6172INTo ADC410K18213R1710KC5Rw110K1uF-5VS22R16+5VNE5532AJGS0BNC21ACR2100KC3R45~60pF450KC4270pFR550KU1ALM6172IN1*0.0530033.3uF5~60pF3DC3C1C2R3500K*0.5S12R62115230032U2ALM6172IN14R12450R1150+5VC6100uFK0K1K2K3K4916151413121110COMU4ULN2003AD8C1C2C3C4C5C6C7B1B2B3B4B5B6B7S4ES312345678S2S1S0 图1：.程控放大器电路 衰减被数为
R5
=0.05，C2、C3对高频信号进行补偿。经过衰减的信号进入由高
R3+R4+R5
速运算放大器U1A组成的缓冲器缓冲，然后被送入由U1B组成的X-0.8/ X-2/ X-4的反相放大电路，放大倍数由S2和S3控制，当S2、S3均未吸合时对应的放大倍数为?
当S2吸合S3未吸合对应的放大倍数为?
R9
=?0.8，当S3吸合则不用考虑S2的情况，但R7
R8
=?4。输出信号又通过S4选择是否经R7
为降低功耗使S2断开，此时对应的放大倍数为?
由U2A组成的同相放大器放大，当S4未吸合，则不经过同相放大，当S4吸合，则信号被放大
R11+R12
最后信号被送入由U2B组成的放大倍数为-1倍的反相放大器来消掉=10倍，
R11
由第一级反相放大器所带来的负号，与此同时U3A送来的反相基线电压由U2B反相后作为AD转换器的输入中点电压被叠加在被测信号上被送入AD转换器，因为ADS830E的模拟
109-01-07, 21:46
R9+R10
=?2，R7
输入电压范围是1.5V~3.5V，输入中点电压为2.5V，所以基线电压应为2.5V。调节可变电位器Rw1将调整基线电压的值，从而调整基线的位置。程控放大电路的放大倍数以及垂直电压灵敏度与S1~S4的关系见表1： 放大倍数 灵敏度 0.04 0.1 0.2 0.4 1 2 4 10 20
5V 2V 1V 0.5V 0.2V 0.1V 50mV 20mV 10mV
S1 H H H L L L L L L
S2 H L L H L L H L L
S3 L L H L L H L L H
S4 L L L L L L H H H
表1：程控放大电路的放大倍数
“L”代表继电器未吸合，“H”代表继电器吸合，确定继电器的常闭触点和常开触点很重要，因为继电器的吸合需要消耗一定电流，我选用的继电器型号为TO2-5V，吸合电流为15mA。在常用的3个灵敏度上（0.5V/div，0.2V/div，0.1V/div）最多只有一个继电器吸合，继电器的驱动由ULN2003担任。这种由运算放大器构成组合程控放大器的思想也可用于别的放大电路，平时多总结积累电路模型对提高电路设计能力非常有帮助，这个电路你记下了吗？
U18LM7805CT+8VC38470uFC390.01uFC40L4L6100uFU19LM317T100uH100uH3INOUTADJR291KRw21K12+5VAnalog PowerC46220uFC470.01uFC410.01uF1INOUTGND23C42100uFC430.01uF+5VDigital PowerC44220uFC450.01uF09-01-07, 21:46C48220uFU20875R311K4R306.8KDRV COLLVCCIPKIN-SW COLLSW EMGNDTIM CAPMC34063ADC50470p220uF100uH0.01uF220uF0.01uF1KRw310K0.01uF220uF6123R321D1ISS14C51C52L52L3100uHC53C54U21LM337TINOUTADJR3313-5VAnalog PowerC55C56C490.01uF
图2：电源电路
电源电路为整个示波器提供能源，作用非常重要！电路见图2所示。
该示波器电路中供电分为数字和模拟两部分。为避免相互干扰，所以将数字部分的供电与模拟部分的供电分开，分别用独立的稳压电路，并用电感与电容做成的滤波器隔离。数字部分需要单+5V电源，由一片LM7805对8V电源电压稳压得到。模拟部分主要是程控放大器电路和AD转换器的模拟输入电路，程控放大器电路需要±5V双电源，AD转换电路的模拟部分需要+5V的单电源，+5V电压由LM317T对8V电源电压稳压得到，而-5V电压专门用一片DC/DC芯片MC34063将+8V转换成约-8.3V，DC/DC输出电压由R30和R31决定，
VOUT=?
R30+R31R+R31
输出的负电压×1.25V=?8.25VVOUT=?30×1.25V=?8.25V，
R31R31
由负压稳压芯片LM337稳压得到-5V，为避免DC/DC电路对其他电路产生干扰，在其输入和输出端分别串联L4和L5进行隔离，在选择元件时蓄能电感L3选择磁罐封装带屏蔽的电感，使干扰降到最低。
2. 高速AD转换与FIFO存储电路
数字示波器中最重要的电路是AD转换电路，它的作用是将被测信号采样并转换成数字信号存入存储器，说它是数字示波器的咽喉一点也不为过，因为它直接决定着数字示波器所能测量的最高频率，根据乃奎斯特定理，采样频率至少是被测信号最高频率的2倍才能复现出被测信号。而在数字示波器中采样频率至少应该是被测信号频率的5~8倍才行，否则根本观察不到信号的波形。在本电路中我选用的AD转换芯片为BB公司的8位高速AD转换器ADS830E,官方资料给出的采样频率为10kSa/s~60MSa/s, 通过实验发现转换速率在1K以下工作也很正常，所以本示波器的最低采样频率为600Sa/s，要说明的一点是高速AD转换器一般都有高低端转换速率的限制，比如TLC5540，8位AD转换器，转换速率为5MSa/s~40MSa/s，我试过当转换频率降到2M以下时就不能正常工作，所以选择AD转换芯片时不仅要注意最高转换速率还要关注最低转换速率，否则可能导致电路无法正常工作。有朋友也许会问8位转换精度会不会有点太低？其实8位转换器对于示波器来说是够用的，就拿这个电路来说，我选用的LCD显示模块的分辨率为320*240，垂直分辨率为240格，而8为转换精度的分辨率为256格，比显示器的分辨率还高，所以绝对够用。还有就是价格及电路的设计，在最高采样率相同的情况下10位AD转换芯片的价格是8位AD转换芯片的几倍，而且位数的增加也使电路的复杂程度大大增加，将直接影响处理速度，导致屏幕刷新过慢，反而影响性能。所以本着够用的原则本示波器选用60M的8位AD转换芯片ADS830E。
电路才是硬道理 - 硬件电路简述 - 图文
