通过前端将PC声卡变成高速采样示波器设计参考
有多种软件包可以使个人计算机（pc）中的立体声声卡提供类似示波器的显示，但低采样速率、高分辨率模数转换器（adc）和交流耦合前端最适合20 khz及以下的可用带宽。现在，这种有限的带宽可以扩展——针对重复波形，可以在声卡输入前使用一个采样前端。利用高速采样保持器（sha）对输入波形进行二次采样，然后通过低通滤波器重建波形，并使其平滑，可以有效延展时间轴，使pc能够用作高速采样示波器。本文描述一种能够实现这种改造的前端和探头。
图1所示为一个插入式附件的原理图，它可以配合典型pc声卡采样使用。每个示波器通道使用一个高速采样保持放大器 ad783 sha的采样信号由时钟分频器电路的数字输出提供，下文将通过一个例子说明。ad783输入由一个fet缓冲，因此可以使用简单的交流/直流输入耦合。在所示的两个通道中，当直流耦合跳线开路且输入为交流耦合时，1 mω电阻（r1和r3）提供直流偏置。采样输出由图中所示的双极点有源rc网络低通滤波。该滤波器不必是一个有源电路，但所示的滤波器能够提供有益的缓冲低阻抗来驱动pc声卡输入。
图1. 双通道模拟采样电路
ad783 sha提供高达数mhz的可用大信号带宽。输入端的有效压摆率约为100 v/µs以上。采用±5 v电源时，输入/输出摆幅至少为±3 v。对于500 mv p-p以下的摆幅，小信号3 db带宽接近50 mhz。
利用图1所示的前端电路以及采用visual analyser1 软件的pc声卡，可以得到一个以1 mhz频率重复的2 mhz单周期正弦波，如图2的屏幕截图所示。采样时钟以80.321 khz的采样速率提供250 ns宽的采样脉冲。这里的有效水平时基为333 ns/分频比。例子中使用的pc声卡采用soundmax® 编解码器，其采样速率为96 ksps。本例中，有效采样速率约为40 msps。
图2. 以1 mhz频率重复的2 mhz单周期正弦脉冲
图3中的屏幕截图显示的是一个以1 mhz频率重复的高斯正弦脉冲。采样时钟速率同样是80.321 khz，采样脉冲宽度为250 ns。
图3. 以1 mhz频率重复的4 mhz高斯正弦脉冲
采样时钟发生器示例
ad783要求一个宽度为150 ns至250 ns的窄正采样脉冲。为使显示的波形保持稳定，无来回跳动，采样脉冲必须非常稳定，抖动很低。这一要求往往将可能的时钟选择限定于晶体振荡器。另一个要求是采样速率可以在略低于100 khz到大约500 khz的范围内进行调整或调谐。为使下采样信号落在声卡的20 hz到20 khz音频带宽内，采样频率间的调谐步进必须较为精细。一个诸如图4所示的n分频电路和一个频率介于10 mhz到20 mhz的晶体振荡器（ic4），可以提供从80 khz到350 khz的多达200种或更多的不同采样速率，步进大小介于300 hz到5 khz之间。本例使用两个4位二进制升降计数器74hc191，n可以是4到256之间的任意整数。也可以使用74hc190等十进制计数器，其引脚排列与74hc191相同，可以提供4到100的n值。分频比利用两个十六进制开关s1和s2设置。开关s3设置计数器是递增还是递减计数。电阻r1 （250 ω）和电容c1 （68 pf）给引脚计数输出增加一个很短的延迟，经过该延迟后，引脚计数输出加载起始计数值。74hc00的四个nand门用于实现单稳态模式，当r12为2.7 kω且c2为68 pf时，单稳态模式提供200 ns的采样脉冲。
图4. 采样时钟分频器电路
ic4是固定频率金属帽壳晶体振荡器。另一种方法是使用cmos反相器（74hc04）和分立晶体x1来构成一个振荡器，如图5所示。这种方法使用的元件虽然多于一体式金属帽壳振荡器，但它支持通过调整电容c1来调节晶体频率，从而实现精密的频率调谐。
图5. 采用机械调谐方式的分立晶体振荡器
为了消除机械可变元件，d1可以使用变容二极管，其电容取决于电压，如图6所示。
图6. 采用电压调谐方式的分立晶体振荡器
有源重构滤波器示例
图7和图8所示为有源滤波器设计，它们应能很好地代替简单的无源rc滤波器。图7显示的是一个二阶sallen-key滤波器，转折频率约为39 khz，使用标准电阻和电容值。双通道运算放大器ad8042 和ad822 具有低电源电压和宽摆幅特性，是很好的选择。该滤波器在通带内的增益为+1。
图7. sallen-key 39 khz低通滤波器
图8显示的是一个二阶多路反馈（mfb）滤波器，转折频率约为33 khz，使用标准电阻和电容值。该滤波器的通带增益为–1，因此，使用该滤波器时，为使显示的波形右侧朝上，应选择示波器软件上的“反相”按钮。
图8. mfb 33 khz低通滤波器
电路供电
重构滤波器使用的ad783和放大器需要双电源供电。可以使用6节aa电池，3节提供+4.5 v电源，另外3节提供–4.5 v电源。或者，也可以使用单个9 v电池，利用一个电阻分压器来提供作为地的中间电源电压，这将需要由一个运算放大器进行缓冲才能提供电路所需的地电流。第三种方法是使用一个可调线性调节器，产生相对于电池负极的约4.5 v电压，用作接地基准。
第四种方法是使用备用pc或笔记本电脑usb端口提供的+5 v电源。–5 v电源可以由dc/dc电压逆变器产生，例如adi公司的adm8829—（表贴封装）。应特别注意避免受到dc/dc电压逆变器产生的开关噪声干扰。
输入衰减器
ad783的小信号增益远高于全摆幅带宽。通过在采样器之前插入一个10:1阻性衰减器以限制最大信号带宽，可以实现远超过20 mhz的可用带宽。多家公司提供成本相对较低的示波器探头，如syscomp electronic design， ltd2等（图9）。下面是笔者撰写本文时获得的信息：
syscomp electronic design生产的40 mhz带宽、1×/10×可切换型示波器探头（p6040），每对价格$29.99。
图9. p6040 1×/10×示波器探头
hobbylab3生产的20 mhz 10:1版本示波器探头（gt-p6020），每对价格$19.50。
gabotronics.com4生产的100 mhz p2100和60 mhz p2060通用探头，每种价格约$10.00。
使用探头
图10、图11和图12所示的声卡5屏幕截图利用p2100 100 mhz 10×探头获取，它可以补偿10 pf至35 pf范围内的输入电容。对于建议的电路，如果pcb板线路长度尽可能保持最短，那么这个调整范围似乎是充足的。采用10×探头时，输入看起来像10 mω和18 pf，可以支持最高±30 v的输入电压。
为了展示ad783采样保持输入级的性能，首先利用1 khz平顶方波调整探头补偿。屏幕截图显示了器件对频率为1 mhz和50 mhz的不同信号的响应。图10中的两个屏幕截图显示单通道情况，（a）为1 mhz、5 v p-p方波，（b）为50 mhz、5 v p-p方波。每种情况下，采样时钟均针对大约500 hz的下采样信号频率进行调整，以便消除任何声卡响应差异。因此，左边屏幕截图的有效时间刻度为500 ns/分频比，右图为10 ns/分频比。声卡输入增益设置如下：对于1 mhz输入，示波器软件报告1.072 v p-p的幅度；对于50 mhz输入，则报告762.2 mv p-p的幅度。0.7622/1.072接近–3 db。这一测量结果显示，100 mhz 10×探头和ad783的组合具有50 mhz的3 db带宽。
（a）（b）
图10. 单通道10×探头：1 mhz （a）和50 mhz （b） 5 v p-p输入方波
图11中，同样的1 mhz （a）和50 mhz信号（b）被施加于两个通道。从两个通道的两幅重叠屏幕截图可以看出，两个通道之间具有良好的增益、失调和延迟匹配。
（a）（b）
图11. 双踪双通道匹配10×探头：1 mhz （a）和50 mhz （b） 5 v p-p输入方波
最后一幅屏幕截图（图12）显示375 khz、5 v p-p方波（红色线）和1.5 mhz、42 ns宽5 v p-p脉冲（绿色线）的情况。水平刻度为333 ns/分频比。ad783采样器保持完整的5 v摆幅，即便输入这些较窄的42 ns脉冲也是如此。
图12. 双踪双通道、10×探头：375 khz、5 v p-p方波和1.5 mhz、42 ns 5 v p-p脉冲
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图1. 双通道模拟采样电路
ad783 sha提供高达数mhz的可用大信号带宽。输入端的有效压摆率约为100 v/µs以上。采用±5 v电源时，输入/输出摆幅至少为±3 v。对于500 mv p-p以下的摆幅，小信号3 db带宽接近50 mhz。
利用图1所示的前端电路以及采用visual analyser1 软件的pc声卡，可以得到一个以1 mhz频率重复的2 mhz单周期正弦波，如图2的屏幕截图所示。采样时钟以80.321 khz的采样速率提供250 ns宽的采样脉冲。这里的有效水平时基为333 ns/分频比。例子中使用的pc声卡采用soundmax® 编解码器，其采样速率为96 ksps。本例中，有效采样速率约为40 msps。
图2. 以1 mhz频率重复的2 mhz单周期正弦脉冲
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图3. 以1 mhz频率重复的4 mhz高斯正弦脉冲
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图4. 采样时钟分频器电路
ic4是固定频率金属帽壳晶体振荡器。另一种方法是使用cmos反相器（74hc04）和分立晶体x1来构成一个振荡器，如图5所示。这种方法使用的元件虽然多于一体式金属帽壳振荡器，但它支持通过调整电容c1来调节晶体频率，从而实现精密的频率调谐。
图5. 采用机械调谐方式的分立晶体振荡器
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输入衰减器
ad783的小信号增益远高于全摆幅带宽。通过在采样器之前插入一个10:1阻性衰减器以限制最大信号带宽，可以实现远超过20 mhz的可用带宽。多家公司提供成本相对较低的示波器探头，如syscomp electronic design， ltd2等（图9）。下面是笔者撰写本文时获得的信息：
syscomp electronic design生产的40 mhz带宽、1×/10×可切换型示波器探头（p6040），每对价格$29.99。
图9. p6040 1×/10×示波器探头
hobbylab3生产的20 mhz 10:1版本示波器探头（gt-p6020），每对价格$19.50。
gabotronics.com4生产的100 mhz p2100和60 mhz p2060通用探头，每种价格约$10.00。
使用探头
图10、图11和图12所示的声卡5屏幕截图利用p2100 100 mhz 10×探头获取，它可以补偿10 pf至35 pf范围内的输入电容。对于建议的电路，如果pcb板线路长度尽可能保持最短，那么这个调整范围似乎是充足的。采用10×探头时，输入看起来像10 mω和18 pf，可以支持最高±30 v的输入电压。
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（a）（b）
图10. 单通道10×探头：1 mhz （a）和50 mhz （b） 5 v p-p输入方波
图11中，同样的1 mhz （a）和50 mhz信号（b）被施加于两个通道。从两个通道的两幅重叠屏幕截图可以看出，两个通道之间具有良好的增益、失调和延迟匹配。
（a）（b）
图11. 双踪双通道匹配10×探头：1 mhz （a）和50 mhz （b） 5 v p-p输入方波
最后一幅屏幕截图（图12）显示375 khz、5 v p-p方波（红色线）和1.5 mhz、42 ns宽5 v p-p脉冲（绿色线）的情况。水平刻度为333 ns/分频比。ad783采样器保持完整的5 v摆幅，即便输入这些较窄的42 ns脉冲也是如此。
图12. 双踪双通道、10×探头：375 khz、5 v p-p方波和1.5 mhz、42 ns 5 v p-p脉冲
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