通過前端將PC聲卡變成高速采樣示波器的方法

有多種軟件包可以使個人計算機（PC）中的立體聲聲卡提供類似示波器的顯示，但低采樣速率、高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和交流耦合前端最適合20 kHz及以下的可用帶寬。現(xiàn)在，這種有限的帶寬可以擴展——針對重復(fù)波形，可以在聲卡輸入前使用一個采樣前端。利用高速采樣保持器（SHA）對輸入波形進(jìn)行二次采樣，然后通過低通濾波器重建波形，并使其平滑，可以有效延展時間軸，使PC能夠用作高速采樣示波器。本文描述一種能夠?qū)崿F(xiàn)這種改造的前端和探頭。

圖1所示為一個插入式附件的原理圖，它可以配合典型PC聲卡采樣使用。每個示波器通道使用一個高速采樣保持放大器 AD783 SHA的采樣信號由時鐘分頻器電路的數(shù)字輸出提供，下文將通過一個例子說明。AD783輸入由一個FET緩沖，因此可以使用簡單的交流/直流輸入耦合。在所示的兩個通道中，當(dāng)直流耦合跳線開路且輸入為交流耦合時，1 MΩ電阻（R1和R3）提供直流偏置。采樣輸出由圖中所示的雙極點有源RC網(wǎng)絡(luò)低通濾波。該濾波器不必是一個有源電路，但所示的濾波器能夠提供有益的緩沖低阻抗來驅(qū)動PC聲卡輸入。

圖1. 雙通道模擬采樣電路

AD783 SHA提供高達(dá)數(shù)MHz的可用大信號帶寬。輸入端的有效壓擺率約為100 V/micro;s以上。采用±5 V電源時，輸入/輸出擺幅至少為±3 V。對于500 mV p-p以下的擺幅，小信號3 dB帶寬接近50 MHz。

利用圖1所示的前端電路以及采用Visual Analyser1 軟件的PC聲卡，可以得到一個以1 MHz頻率重復(fù)的2 MHz單周期正弦波，如圖2的屏幕截圖所示。采樣時鐘以80.321 kHz的采樣速率提供250 ns寬的采樣脈沖。這里的有效水平時基為333 ns/分頻比。例子中使用的PC聲卡采用SoundMax? 編解碼器，其采樣速率為96 kSPS。本例中，有效采樣速率約為40 MSPS。

圖2. 以1 MHz頻率重復(fù)的2 MHz單周期正弦脈沖

圖3中的屏幕截圖顯示的是一個以1 MHz頻率重復(fù)的高斯正弦脈沖。采樣時鐘速率同樣是80.321 kHz，采樣脈沖寬度為250 ns。

圖3. 以1 MHz頻率重復(fù)的4 MHz高斯正弦脈沖

采樣時鐘發(fā)生器示例

AD783要求一個寬度為150 ns至250 ns的窄正采樣脈沖。為使顯示的波形保持穩(wěn)定，無來回跳動，采樣脈沖必須非常穩(wěn)定，抖動很低。這一要求往往將可能的時鐘選擇限定于晶體振蕩器。另一個要求是采樣速率可以在略低于100 kHz到大約500 kHz的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整或調(diào)諧。為使下采樣信號落在聲卡的20 Hz到20 kHz音頻帶寬內(nèi)，采樣頻率間的調(diào)諧步進(jìn)必須較為精細(xì)。一個諸如圖4所示的N分頻電路和一個頻率介于10 MHz到20 MHz的晶體振蕩器（IC4），可以提供從80 kHz到350 kHz的多達(dá)200種或更多的不同采樣速率，步進(jìn)大小介于300 Hz到5 kHz之間。本例使用兩個4位二進(jìn)制升降計數(shù)器74HC191，N可以是4到256之間的任意整數(shù)。也可以使用74HC190等十進(jìn)制計數(shù)器，其引腳排列與74HC191相同，可以提供4到100的N值。分頻比利用兩個十六進(jìn)制開關(guān)S1和S2設(shè)置。開關(guān)S3設(shè)置計數(shù)器是遞增還是遞減計數(shù)。電阻R1 （250 Ω）和電容C1 （68 pF）給引腳計數(shù)輸出增加一個很短的延遲，經(jīng)過該延遲后，引腳計數(shù)輸出加載起始計數(shù)值。74HC00的四個NAND門用于實現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)模式，當(dāng)R12為2.7 kΩ且C2為68 pF時，單穩(wěn)態(tài)模式提供200 ns的采樣脈沖。

圖4. 采樣時鐘分頻器電路

IC4是固定頻率金屬帽殼晶體振蕩器。另一種方法是使用CMOS反相器（74HC04）和分立晶體X1來構(gòu)成一個振蕩器，如圖5所示。這種方法使用的元件雖然多于一體式金屬帽殼振蕩器，但它支持通過調(diào)整電容C1來調(diào)節(jié)晶體頻率，從而實現(xiàn)精密的頻率調(diào)諧。

圖5. 采用機械調(diào)諧方式的分立晶體振蕩器

為了消除機械可變元件，D1可以使用變?nèi)荻O管，其電容取決于電壓，如圖6所示。

圖6. 采用電壓調(diào)諧方式的分立晶體振蕩器

有源重構(gòu)濾波器示例

圖7和圖8所示為有源濾波器設(shè)計，它們應(yīng)能很好地代替簡單的無源RC濾波器。圖7顯示的是一個二階Sallen-Key濾波器，轉(zhuǎn)折頻率約為39 kHz，使用標(biāo)準(zhǔn)電阻和電容值。雙通道運算放大器AD8042 和AD822 具有低電源電壓和寬擺幅特性，是很好的選擇。該濾波器在通帶內(nèi)的增益為+1。

圖7. Sallen-Key 39 kHz低通濾波器

圖8顯示的是一個二階多路反饋（MFB）濾波器，轉(zhuǎn)折頻率約為33 kHz，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，使用該濾波器時，為使顯示的波形右側(cè)朝上，應(yīng)選擇示波器軟件上的“反相”按鈕。