在电子测量中,为了研究电路中不同测试点信号波形的频率、幅值以及相位等关系, 常常需要用多踪示波器同时显示多个被测信号,然而现今的电子示波器中,以双踪通用示波器为多数,四踪示波器几乎没有。在缺少多踪示波器的情况下,用单-四踪示波器转换系统来解决多波形的关系测试问题仍然是一种简捷、高效的方法。
1 单-四踪示波器转换系统的构成
单-四踪示波器转换系统由Y1~Y4前置放大器,通道控制开关KA~KD,垂直位移电位产生电路,信号叠加与反相放大电路,触发放大电路,双稳态触发器,8倍分频电路,4(3)倍分频/脉冲分配电路等构成,其结构如图1所示。由图1可知,用波形变换与分频的方法获得触发信号,用模拟开关控制信号的切换,用线性运放对信号进行叠加与放大,再结合通用示波器,即可实现多路信号的波形显示与观测。
图1 单-四踪示波器转换系统的构成
2 单-四踪示波器转换系统的工作原理
单-四踪示波器转换系统的电路原理如图2所示。
图2 单-四踪示波器转换系统原理
2.1 前置放大电路
在所有的示波器电路中,要求其Y通道输入电阻高、输出电阻低、通频带宽。单-四踪示波器转换系统的四个Y通道放大器均由高速运放NE5534组成,其中U1、U2,U3、U4,U5、U6,U7、U8分别构成Y1,Y2,Y3,Y4通道放大器,U1,U3,U5,U7分别构成电压跟随器,U2,U4,U6,U8构成放大倍数约为-6/5的电压放大器。
2.2 通道转换开关系统
通道转换开关系统包括矩形脉冲产生、被测信号8倍分频、Y通道转换开关及其驱动等电路。
2.2.1 矩形脉冲产生电路
示波器要测试的信号波形通常是随机的。由图2可以看出,单-四踪示波器转换系统的信号通道切换及其控制等电路需要的是矩形脉冲,因此需要将被测信号变换成与其频率相同的矩形脉冲。
矩形脉冲产生电路的输入信号来自Y1通道。把波形随机的被测信号变换成矩形脉冲,必须先对其进行放大;采用U9、U10(NE5534)运放对来自Y1通道的被测信号进行缓冲、放大,再运用U11(NE555)组成的双稳态电路整形,并在其③脚输出与被测信号频率相同的矩形脉冲。
2.2.2 触发脉冲产生电路
要在示波器屏幕上同步显示多个被测信号波形,并真实反映信号间的相位、电压幅值等关系,示波器应尽可能地工作在常态触发条件下,用与被测信号有确定相频关系的信号去触发示波器的X系统扫描发生器;测量时示波器屏幕上通常显示几个周期的被测信号波形,因此示波器的扫描信号周期应为被测信号周期的几倍。为实现单-四踪示波器转换,选择在示波器屏幕上最多显示约7个周期的被测信号波形。因此,与被测信号频率相同的脉冲波经过8倍分频之后用作为示波器扫描发生器的外触发信号。
8倍分频任务由U12(CD4017)完成。CD4017计数器采用异步清零方式构成8倍分频计数器。其Q7(6脚)输出的矩形脉冲便是通用示波器扫描发生器的外触发信号。
2.2.3 通道转换开关及其驱动电路
示波器在触发脉冲作用下进行X轴方向扫描,调节触发“电平”与“扫描因数”,使每个触发信号都能起触发作用。一般要求每次扫描大约显示2~8个周期的被测信号,其中的每个Y通道工作时长应为一个扫描周期,而且Y通道间依次轮流工作。因此Y通道的工作切换应与Y通道的被测信号的路数相关,当被测信号为3路(即示波器应为3通道)时,开关驱动信号频率应为触发信号频率的1/3,即应有3路脉宽等于触发周期的Y通道切换驱动信号依次产生;当被测信号为4路(即示波器应为4通道)时,开关驱动信号频率应为触发信号频率的1/4,即应有4路脉宽等于触发周期的Y通道切换驱动信号依次产生。
基于上述原理,应根据被测信号的路数对触发脉冲进行3倍或4倍分频,并依次产生Y通道切换信号,用U13十进制计数/脉冲分配器(CD4017)完成这一任务,利用CD4017的异步复位端作用构成3(4)倍分频器,从CD4017的Q0、Q1、Q2、Q3端依次输出脉宽为触发周期的矩形脉冲,开关S5决定3倍或是4倍分频,即示波器工作在3通道或是4通道状态。
利用EDA软件Protel99SE中的TTL模拟开关可以完成Y通道的切换。U13的Q0、Q1、Q2、Q3端依次输出的矩形脉冲驱动模拟开关S11、S12,S21、S22,S31、S32,S41、S42,它们分别控制Y1、Y2、Y3、Y4通道的被测信号、垂直位移电位VD1、VD2、VD3、VD4的切换。
2.3 信号垂直位置电位的产生
要使Y1~Y4通道的被测信号波形在屏幕上依次自上而下显示出来,必须以不同的直流电位信号与被测信号分别叠加,这一组直流电位的产生由R30~R34、±5V直流电源构成的串联电路完成,其输出电位VD1<VD2<VD3<VD4,并且VD1、VD2、VD3、VD4经放大后分别与Y1、Y2、Y3、Y4通道的被测信号相叠加,由于末级放大器U14为反相放大器,所以直流电平VD1~VD4能确保Y1~Y4通道的被测信号在示波器屏幕上自上而下依次错开,通过改变R30~R34值可以调节VD1~VD4的大小,使被测信号波形在垂直方向上的间距发生变化。
2.4 叠加与末级放大电路
叠加与末级放大电路由U14、R17、R35~R42构成,电路的任务是将垂直位置电位VD1、VD2、VD3、VD4放大后分别与Y1、Y2、Y3、Y4通道的被测信号叠加并使其反相,本级的反相与Y放大器的反相共同作用完成对被测信号的同相放大。
当系统工作在单-四踪转换状态,uo1为高平,uo2~uo4为低电平时,模拟开关S11、S12接通,Y1通道被测信号uy1及其对应的垂直位置电位VD1向末级传送,其余模拟开关均断开,受控的被测信号及其对应的垂直位置电位均被阻断,叠加与末级放大电路对uy1、VD1进行运算输出,示波器屏幕仅在上部显示Y1通道的被测信号;之后,一个触发周期结束,当uo2为高平,uo1、uo3、uo4为低电平时,模拟开关S21、S22接通,Y2通道被测信号uy2及其对应的垂直位置电位VD2向末级传送,其余模拟开关均断开,受控的被测信号及其对应的垂直位置电位均被阻断,叠加与末级放大电路对uy2、VD2进行运算输出,示波器屏幕仅在中上部显示Y2通道的被测信号;同理,uo3、uo4依次为高电平,Y3、Y4通道的被测信号波形依次分别显示在示波器屏幕上的中下部、下部位置。
3 电路系统仿真
3.1 用电子设计自动化软件Protel99E对电路进行仿真
单-四踪示波器转换系统的功用是将单踪示波器转换成为四踪示波器,对转换系统进行仿真,必须首先构建一组频率、相位相关的四路信号源。现用图3所示的单稳态触发器及脉冲信号源产生频率、相位相关的一组四路信号ui、ut、uc、uo。根据单稳态触发器的电路参数要求,脉冲信号源ui的频率、脉冲占空比、电压幅度分别取5kHZ、0.5、5V。仿真时,先在Protel99SE原理图编辑环境中按仿真要求将图2、图3画在一起,四路信号ui、ut、uc、uo分别联接至四踪示波器转换系统的输入端Y1、Y2、Y3、Y4即可。
图3 单稳态触发器
电路仿真测试采用“动态/傅立叶特性分析”模式。测试的设置步骤是,在编辑原理图窗口,执行“仿真”菜单下“设置……”命令,进入“分析设置”窗口,在“常态”标签中选中“动态/傅立叶特性分析”,在“Collect Data For.....”收集信号参数栏中选择“Nod Voltage, Supply Current, Device Current”,在“有效信号”栏中选择信号“ui”、“ut”、“uc”、“uo”、“uo1”、“uo2”、“uo3”、“uo4”、“uy”、“uth”,在“仿真浏览设置”栏中选中“显示激活信号”;再单击“动态/傅立叶特性分析”标签,删去“默认设置”、“傅立叶特性分析”选项,选择“动态/傅立叶特性分析”选项,取“起点时间”、“停止时间”、“仿真步长”、“最大仿真步长”分别为:“0”、“6.5”毫秒、“50”微秒、“50”微秒,然后单击“运行仿真”便可完成仿真测试。
图4 系统仿真结果1
图4所示为仿真结果,其中“uth”为输入至示波器X系统的外触发信号,“uy”是输入至示波器垂直通道的被测信号。由图4可知,“uth”的上升沿与模拟开关控制信号“uo1”、“uo2”、“uo3”、“uo4”的边沿对齐;“uo1”为高电平时,屏幕(uy)显示通道Y1的被测信号“ui”;“uo2”为高电平时,屏幕(uy)显示通道Y2的被测信号“ut”;同理“uo3”、“uo4”为高电平时,屏幕(uy)分别显示通道Y3、Y4的被测信号“uc”、“uo”,四信号直流电位不同,使得它们在示波器屏幕垂直方向上均匀分布。
3.2 用电子设计自动化软件Multisim10对电路进行仿真
采用Mutisim10对图2所示电路系统进行测试,需要先对图2中的模拟开关S11、S12,S21、S22,S31、S32,S41、S42及其驱动信号进行适当地替换处理。
选用Mutisim10中的虚拟示波器对电路系统进行仿真测试,其测试步骤是,首先调出仿真仪器库中的虚拟示波器,联接图2中“uy”、U12的“Q7”分别至示波器的“A”通道、“Ext Trig”端,然后打开虚拟示波器的操作界面进行下列操作,“时间轴”区域“扫描因数”选择“50μS/Div”,“水平位置”选择“0”,功用选择“Y/T”;“通道A”区域“Y偏转因数”选择“5V/Div”,“垂直位置”选择“0”,耦合方式选择“DC”;“触发”区域触发“类型”选择“标准”,“边沿”选择“上升沿”或“下降沿”、“外部”,“电平”选择“1V”。之后点动仿真开关,便得到图5所示波形。
图5 系统仿真结果2
图5中的四个波形,自上而下依次为图3电路中的触发脉冲ui、微分信号ut、时间电容电压uc、输出电压uo波形,它们按设计要求依次显示在示波器屏幕上,真实重现了电路中不同点信号波形及其频率、幅值、相位情况,用通用示波器实现了多踪测量。
利用EDA软件对电路系统进行仿真,若遇到“Timestep too small run simulation(s) aborted”仿真错误,可反复调整“Stop Time”、“Step Time”、“Maximum Step”参数,若错误仍不能消除可适当减少测试信号,直至仿真成功。之后在仿真结果栏选择“Browse Simdata”标签,在“Waveforms”栏选中刚才去掉的测试点,点击“Show”按键,即可显示出需要的测试点波形,依次如此操作便可把所有减少的测试点波形显示出来;当电路中有大容量电容,遇到仿真错误时,可适当减小电容的容量,错误也可以避免。
4 单-四示波器转换系统的使用操作方法
将单踪示波器转换为四踪示波器前,应理解示波器“常态”情况下的触发扫描原理、“释抑时间”等知识、概念,同时能熟练掌握相应的操作技能。实际测试时分别将转换系统的信号“uy”、触发信号“uth”联至示波器的任一Y通道、外触发输入端“Trig In”,单-四示波器转换系统的“Y1”、“Y2”、“Y3”、“Y4”输入端(四通道工作状态)分别联接四路被测信号。
当转换系统工作在四通道状态时,S5开关置“4”位置;当转换系统工作在三通道状态时,S5开关置“3”位置。
通用示波器的垂直工作模式应选择“单通道”,耦合方式选“DC”,“Trig Source”选择“EXT”、“Trig Mode”选择“NORM”,选择合适的“Level”及X系统扫描因数Sx;当转换系统工作在四通道状态时,Y1通道的输入信号最低频率应大于800Hz,并且被测信号的周期Ty与Sx应确保32Ty大于10Sx;当转换系统工作在三通道状态时,Y1通道的输入信号最低频率应大于600Hz,Ty与Sx应保证24Ty大于10Sx,依此就可以稳定地显示出四(或三)个被测信号波形,否则,波形会呈现闪烁现象。
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