如何通过前端将PC声卡变成高速采样示波器

第45卷第4期 3 如何通过前端将PC声卡变成 高速采样示波器 作者：Doug Mercer 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 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 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。 R1 1M훀 C1 22nF AD783 1 5 7 82 3 +5V –5V 8 4 3 2 – + +5V –5V C4 1nF R2 1k훀 R4 4.7k훀 R5 4.7k훀 CHANNEL 1 OUTPUT CHANNEL 1 C2 3.3nF R3 1M훀 C3 22nF AD783 1 5 7 82 3 +5V –5V FROM SAMPLING CLOCK CIRCUIT 8 4 3 2 – + +5V –5V C4 1nF R2 1k훀 R4 4.7k훀 R5 4.7k훀 CHANNEL 2 OUTPUT CHANNEL 2 C2 3.3nF 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。 IC4是固定频率金属帽壳晶体振荡器。另一种 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 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。 Please contact to Foxit Software for the licensed copy. Web Site: www.FoxitSoftware.com Sales and Information: Sales@FoxitSoftware.com Techincal Support: Support@FoxitSoftware.com 4 、第45卷第4期 X1 74HC04 CLOCK OUTPUT R2 2k훀 C2 20pF R1 5M훀 C1 5pF TO 75pF 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。 +5V D1 C3 68pFC1560pF TUNING VOLTAGE L1 4.7훍H X1 74HC04 CLOCK OUTPUT R2 2k훀 C2 20pF R1 5M훀 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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 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。 4.7훍F 4.7훍F 1.0nF 3.3nF ½ AD8042 V– V+ 3 1 2 8 4 4.7k훀 1k훀 4.7k훀 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。 4.7훍F 4.7훍F ½ AD8042 V– V+ 1.0nF 4.7nF 1 2 3 8 4 4.7k훀 4.7k훀 4.7k훀 1k훀 图8. MFB 33 kHz低通滤波器 +C3IC4 VCC +C4 +C5 R 8 R 9 R 10 R 11 15 2 3 1 2 4 8 8 4 2 1 A1 B10 C9 D 3 IC1 19450-1 S3 C C S1 S2 74HC191N QA 2QB 6QC 7 11 10 9 8 14 13 12 4 5 6 7 1 2 3 QD 13RCO 12MX/MN 14 CLK4 CTE5 D/U11 LD 15 A1 B10 C9 D 3 IC2 R1 R12 74HC191N QA 2QB 6QC 7QD 13RCO 12MX/MN 14 CLK4 CTE5 11 LD 8 0 FE D C 12 3 4 9 AB765 0 8 7 6 5 4 9A B C 1 2 3 FE D R 2 R 3 R 5 R 7 +C2 31 2 IC5A 74ALS00N 64 5 IC5B 74ALS00N 89 10 IC5C 74ALS00N 1112 13 IC5D 74ALS00N SAMPLE_CLOCK_OUT D/U +C1 VCC 图4. 采样时钟分频器电路 Please contact to Foxit Software for the licensed copy. Web Site: www.FoxitSoftware.com Sales and Information: Sales@FoxitSoftware.com Techincal Support: Support@FoxitSoftware.com 第45卷第4期 5 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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。 • HobbyLab3生产的20 MHz 10:1版本示波器探头(GT-P6020)， 图9. P6040 1×/10×示波器探头 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。 (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 (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 Please contact to Foxit Software for the licensed copy. Web Site: www.FoxitSoftware.com Sales and Information: Sales@FoxitSoftware.com Techincal Support: Support@FoxitSoftware.com 6 、第45卷第4期 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。 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。 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 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 较窄的42 ns脉冲也是如此。 参考文献 1 Visual Analyser是一个完整的专业实时软件包，可以将PC变成 一整套测量仪器。它使用PC的声卡，无需新硬件。 http://www. sillanumsoft.org/. 2 Syscomp Electronic Design, Ltd. http://www.syscompdesign. com/Accessories.html. 3 HobbyL ab ht tp: //secu redw it hss l .com / HobbyL ab -us / product/63258ffa-dcc8-4508-8152-d2461d943169.aspx. 4 Gabotronics http://www.gabotronics.com/accesories-and-cables/ view-all-products.htm. 5 基于PC的声卡示波器从声卡接收数据，采样速率为44.1 kHz，分 辨率为16位。此外还提供WaveIO，它是用于LabView软件的声卡 接口。 http://www.zeitnitz.de/Christian/scope_en. 作者简介 Doug Mercer [doug.mercer@analog.com] 在1977 至2009年间一直在ADI公司从事全职工作，最后14 年担任ADI公司研究员。ADI公司高速转换器产品 系列的30多款标准产品都有他的贡献，AD783就是 其中一款。自2009年起，他转而担任ADI公司的兼职 顾问研究员，最近主要是作为ADI公司与伦斯勒理工 学院的联络人，从事本科生电气 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 教育推广和发展方面的工作。 Please contact to Foxit Software for the licensed copy. Web Site: www.FoxitSoftware.com Sales and Information: Sales@FoxitSoftware.com Techincal Support: Support@FoxitSoftware.com 1、CAN总线隔离模块 MRT1040DLT 1、具有DC 1500V隔离功能； 2、真正隔离电源，不发热、高效、稳定； 3、宽压工作（2.9V-5.25V）； 4、完全符合"ISO 11898-24 V"标准； 5、速率最高达 1Mbit/s； 6、在 24V系统中防止电池对地的短路； 7、热保护； 8、对电磁干扰有高的抗干扰性； 9、至少可连接 110个节点； 10、内部具有 TVS防过压保护(MRT1040DLPT)； 本模块可直接 Pin对 Pin替换 CTM8251、CTM1050、CTM1060系列模块。 2、RS485总线隔离模块 MRT485DLT 1、具有隔离及总线保护功能于一身； 2、采用专用隔离电源芯片，真正隔离电源，不发热、高效、稳定； 3、同一个网络至少可连接 32 个节点； 4、宽电压供电+3V~+5.5V； 5、最高波特率达 1Mbps； 6、电磁辐射 EME 极低； 7、电磁抗干扰 EMI 性极高； 8、线缆：双绞线或 PROFIBUS 专用线缆； 本模块可直接 Pin对 Pin替换 RSM3485、RSM485系列模块 3、RS232总线隔离模块 MRT232DLT 1、具有 DC 1500V 隔离功能； 2、满足 EIA/TIA-232-F 标准； 满载最 3、小数据速率 120Kbps； 热保护； 4、电磁辐射（EMI）低； 5、电磁敏感度（EMS）低； 5、直接使用，无需外加任何组件。 6、3.0V~5.25V 超宽工作电压范围。 本模块可直接 Pin对 Pin替换 RSM232系列模块。 深圳市麦诺克科技有限公司 http://www.miractech.com http://www.miractech.cn 业务QQ：165709563 E-mail：miractech@163.com