ADI:怎么经过前端将PC声卡变成高速采样示波器

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有多种软件包能够使个人计算机(PC)中的立体声声卡供给相似示波器的显现，但低采样速率、高分辨率模数转换器(ADC)和沟通耦合前端最适合20 kHz及以下的可用带宽。现在，这种有限的带宽能够扩展——针对重复波形，能够在声卡输入前运用一个采样前端。运用高速采样坚持器(SHA)对输入波形进行二次采样，然后经过低通滤波器重建波形，并使其滑润，能够有用延展时间轴，使PC能够用作高速采样示波器。本文描绘一种能够完成这种改造的前端和探头。

图1所示为一个刺进式附件的原理图，它能够合作典型PC声卡采样运用。每个示波器通道运用一个高速采样坚持放大器AD783SHA的采样信号由时钟分频器电路的数字输出供给，下文将经过一个比如阐明。AD783输入由一个FET缓冲，因而能够运用简略的沟通/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沟通耦合时，1 MΩ电阻（R1和R3）供给直流偏置。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供给有利的缓冲低阻抗来驱动PC声卡输入。

AD783 SHA供给高达数MHz的可用大信号带宽。输入端的有用压摆率约为100 V/µs以上。选用±5 V电源时，输入/输出摆幅至少为±3 V。关于500 mV p-p以下的摆幅，小信号3 dB带宽挨近50 MHz。

运用图1所示的前端电路以及选用Visual Analyser1 软件的PC声卡，能够得到一个以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的采样速率供给250 ns宽的采样脉冲。这儿的有用水平常基为333 ns/分频比。比如中运用的PC声卡选用SoundMax^® 编解码器，其采样速率为96 kSPS。本例中，有用采样速率约为40 MSPS。

图3中的屏幕截图显现的是一个以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。

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。为使显现的波形坚持安稳，无来回跳动，采样脉冲有必要十分安稳，颤动很低。这一要求往往将或许的时钟挑选限定于晶体振荡器。另一个要求是采样速率能够在略低于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有必要较为精细。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)，能够供给从80 kHz到350 kHz的多达200种或更多的不同采样速率，步进巨细介于300 Hz到5 kHz之间。本例运用两个4位二进制升降计数器74HC191，N能够是4到256之间的恣意整数。也能够运用74HC190等十进制计数器，其引脚摆放与74HC191相同，能够供给4到100的N值。分频比运用两个十六进制开关S1和S2设置。开关S3设置计数器是递加仍是递减计数。电阻R1 (250 Ω)和电容C1 (68 pF)给引脚计数输出添加一个很短的推迟，经过该推迟后，引脚计数输出加载开始计数值。74HC00的四个NAND门用于完成单稳态形式，当R12为2.7 kΩ且C2为68 pF时，单稳态形式供给200 ns的采样脉冲。

IC4是固定频率金属帽壳晶体振荡器。另一种办法是运用CMOS反相器(74HC04)和分立晶体X1来构成一个振荡器，如图5所示。这种办法运用的元件尽管多于一体式金属帽壳振荡器，但它支撑经过调整电容C1来调理晶体频率，然后完成精细的频率调谐。

为了消除机械可变元件，D1能够运用变容二极管，其电容取决于电压，如图6所示。

有源重构滤波器示例

图7和图8所示为有源滤波器规划，它们应能很好地替代简略的无源RC滤波器。图7显现的是一个二阶Sallen-Key滤波器，转机频率约为39 kHz，运用规范电阻和电容值。双通道运算放大器 AD8042 和 AD822具有低电源电压和宽摆幅特性，是很好的挑选。该滤波器在通带内的增益为+1。

图8显现的是一个二阶多路反应(MFB)滤波器，转机频率约为33 kHz，运用规范电阻和电容值。该滤波器的通带增益为–1，因而，运用该滤波器时，为使显现的波形右侧朝上，应挑选示波器软件上的”反相”按钮。

电路供电

重构滤波器运用的AD783和放大器需求双电源供电。能够运用6节AA电池，3节供给+4.5 V电源，别的3节供给–4.5 V电源。或许，也能够运用单个9 V电池，运用一个电阻分压器来供给作为地的中心电源电压，这将需求由一个运算放大器进行缓冲才干供给电路所需的地电流。第三种办法是运用一个可调线性调理器，发生相关于电池负极的约4.5 V电压，用作接地基准。

第四种办法是运用备用PC或笔记本电脑USB端口供给的+5 V电源。–5 V电源能够由DC/DC电压逆变器发生，例如ADI公司的ADM8829—（表贴封装）。应特别注意防止遭到DC/DC电压逆变器发生的开关噪声搅扰。

输入衰减器

AD783的小信号增益远高于全摆幅带宽。经过在采样器之前刺进一个10:1阻性衰减器以约束最大信号带宽，能够完成远超过20 MHz的可用带宽。多家公司供给本钱相对较低的示波器探头，如Syscomp Electronic Design, Ltd.²等（图9）。下面是笔者编撰本文时取得的信息：

• Syscomp Electronic Design出产的40 MHz带宽、1×/10×可切换型示波器探头(P6040)，每对价格$29.99。

• HobbyLab³ 出产的20 MHz 10:1版别示波器探头(GT-P6020)，每对价格$19.50。
• Gabotronics.com⁴出产的100 MHz P2100和60 MHz P2060通用探头，每种价格约$10.00。