一种具有模拟前端电路的示波器 【技术领域】
本发明涉及以波形方式显示电变量的测量装置领域，特别涉及到数字示波器领域。
背景技术
常用的数字示波器中，一般包括模拟前端电路、ADC采样电路、触发电路、数字处理电路和显示电路。其中模拟前端电路完成输入高阻、对输入被测信号的缓冲、衰减和ADC驱动等等一系列的功能。而如何在实现输入高阻的同时，也能实现对输入信号的多比例衰减，一直是困扰技术人员的问题。
在现有技术中，参照图1，数字示波器1包括依次串联的信号输入模块10，输入电阻11，输入衰减模块12，可编程放大器13，带宽限制模块14，ADC驱动模块15，A/D转换模块16和控制处理模块17，以及串联在控制处理模块17和输入衰减模块12之间的D/A转换模块18。
信号输入模块10包括信号输入端101和AC/DC转换单元102，输入衰减模块12包括结型场效应管121、加法电路122和电阻123。
信号由信号输入端101输入，经过AC/DC转换单元102连接到结型场效应管121的栅极，AC/DC转换单元102由一个电容并联一个开关构成，实现AC/DC的切换，结型场效应管121的栅极连接1MΩ电阻11到地，结型场效应管121的漏极连接电源VCC，源极通过一个电阻123接地，源极同时连接到加法电路122的一个输入端，加法电路122的另一输入端连接D/A转换模块18，用于控制内部直流偏置，加法电路122的输出连接到可编程放大器13，可编程放大器13输出连接到带宽限制模块14，带宽限制模块14输出连接到ADC驱动模块15，ADC驱动模块15输出信号送入A/D转换模块16进行模数转换，经过模数转换后的信号被送入控制处理模块17，控制处理模块17输出增益控制信号给可编程放大器13，控制数字可编程放大器13的放大倍数。控制处理模块17还输出带宽限制信号控制带宽限制模块14的带宽。
信号输入模块10主要用于接收输入信号，对输入信号进行AC/DC转换，以及实现衰减和阻抗匹配等功能。输入衰减模块12主要用于对信号进行衰减，实现高频和低频相匹配等。可编程放大器13主要用于完成信号的放大，带宽限制模块14主要用于完成带宽控制，ADC驱动模块15用于完成信号在数模转换之前的驱动操作，A/D转换模块16用于完成信号的数模转换功能，控制处理模块17用于完成触发、存储和显示等等一系列的功能，并且随着示波器技术的不断发展，控制处理模块还会用于完成许多新的功能。
可见，在现有技术中，为了实现输入高阻和对输入信号的衰减，是通过接地的1MΩ电阻11将输入信号接入输入衰减模块12，然后，再通过结型场效应管121和加法电路122实现对信号的衰减，以上方法主要存在以下两个问题：
1、由于输入信号的动态范围完全由结型场效应管的栅极决定，并且由于通过1MΩ电阻11接地实现输入高阻，只有一条通路与场效应管连接，不能实现多比例衰减，以上所述均导致信号输入动态范围很小；
2、由于结型场效应管的频率响应平坦度差，并且没有其他用于调节频率响应的电路结构，故导致信号的频率响应平坦度较差。
【发明内容】
本发明为了解决现有技术中存在的第一个问题，提供了一种具有模拟前端电路的示波器。
所述的一种具有模拟前端电路的示波器，包括依次串联的一个信号输入模块，一个输入衰减模块，一个控制处理模块，所述的输入衰减模块包括依次串联的一个阻容网络、一个开关单元和一个运放单元，所述的阻容网络包括多个阻容电路，每个阻容电路的输入端均与所述的信号输入模块的输出端连接，所述的开关单元用于选择所述的阻容网络的任意一个输出端与所述的运放单元连接，并且使所述的阻容网络的其他输出端接地。
在本发明所述的示波器中，所述的多个阻容电路中，至少有一个阻容电路可以包括一个电阻和一个电容并联组成的电路。
在本发明所述的示波器中，所述的多个阻容电路中，至少有一个阻容电路可以包括两个输出端，且包括第一电路、第二电路和第三电路，所述的第一电路和所述的第二电路串联在所述的阻容电路的输入端和一输出端之间，所述的第一电路和所述的第三电路串联在所述的阻容电路的输入端和另一输出端之间，所述的第一电路、第二电路和第三电路均是由一个电阻和一个电容并联组成的电路。
在本发明所述地示波器中，所述的运放单元可以包括一个运算放大器，所述的运算放大器具有一个正输入端、一个负输入端和一个输出端，所述的运算放大器的正输入端用于接地，所述的运算放大器的负输入端用于连接所述的开关单元，且在所述的运算放大器的负输入端和输出端之间连接有一个反馈电阻。
在本发明所述的示波器中，在所述反馈电阻的两端可以并联有一个补偿电路。
在本发明所述的示波器中，所述的补偿电路可以由一个补偿电阻和一个补偿电容串联连接组成。
在本发明所述的示波器中，所述的补偿电路可以包括一个并联在所述的反馈电阻的两端的变容二极管，所述的控制处理模块通过一个D/A转换模块与所述的变容二极管的控制端连接。
在本发明所述的示波器中，所述的补偿电路可以包括一个并联在所述的反馈电阻的两端的变容二极管，所述的控制处理模块通过所述的D/A转换模块与所述的变容二极管的控制端连接。本发明所述的示波器，不仅可以达到示波器的输入高阻要求，而且可以对输入信号实现多个比例的衰减，扩大输入信号的动态范围。
本发明为了解决现有技术中存在的第二个问题，提供了另一种具有模拟前端电路的示波器。
所述的一种具有模拟前端电路的示波器，包括依次串联的一个信号输入模块，一个输入衰减模块，一个控制处理模块，所述的输入衰减模块包括一个串联在其输入端和输出端之间的运算放大器，所述的运算放大器具有一个用于接地的正输入端和一个用于串联连接所述输入衰减模块的输入端的负输入端，在所述的运算放大器的输出端和所述的负输入端之间连接有一个受所述的控制处理模块控制的补偿网络，所述的补偿网络用于调节所述的运算放大器的频率特性。
在本发明所述的示波器中，所述的补偿网络可以包括一个变容二极管、一个第一电容、一个第二电容、一个第一限流电阻和一个第二限流电阻，所述的第一电容串联在所述的变容二极管的负极和所述的补偿网络的输入端之间，所述的第二电容串联在所述的变容二极管的正极和所述的补偿网络的输出端之间，所述的的第一限流电阻串联在所述的变容二极管的负极和所述的控制处理模块之间，所述的第二限流电阻串联的所述的变容二极管的正极和地之间。
在本发明所述的示波器中，在所述的补偿网络的输入端和输出端之间可以串联一个补偿电阻。
在本发明所述的示波器中，所述的控制处理模块可以通过一个D/A转换模块控制所述的补偿网络。
在本发明所述的示波器中，所述的多个阻容电路中，至少有一个阻容电路可以包括一个电阻和一个电容的并联组成的电路。
在本发明所述的示波器中，所述的多个阻容电路中，至少有一个阻容电路可以包括两个输出端，且包括第一电路、第二电路和第三电路，所述的第一电路和所述的第二电路串联在所述的阻容电路的输入端和一输出端之间，所述的第一电路和所述的第三电路串联在所述的阻容电路的输入端和另一输出端之间，所述的第一电路、第二电路和第三电路均是由一个电阻和一个电容并联组成的电路。
在本发明所述的示波器中，所述的多个阻容电路中，至少有一个阻容电路可以包括一个电阻和一个电容的并联组成的电路。
在本发明所述的示波器中，所述的多个阻容电路中，至少有一个阻容电路可以包括两个输出端，且包括第一电路、第二电路和第三电路，所述的第一电路和所述的第二电路串联在所述的阻容电路的输入端和一输出端之间，所述的第一电路和所述的第三电路串联在所述的阻容电路的输入端和另一输出端之间，所述的第一电路、第二电路和第三电路均是由一个电阻和一个电容并联组成的电路。
在本发明所述的示波器中，在所述的运算放大器的负输入端和输出端之间可以连接一反馈电阻。
本发明所述的示波器，通过补偿网络调节电路的频率响应，使得电路的频率响应平坦度更好。
【附图说明】
图1是现有技术中数字示波器的结构示意图。
图2是第一实施例中数字示波器2的结构示意图。
图3是第二实施例中数字示波器3的结构示意图。
图4是第二实施例中补偿网络3120的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图2介绍本发明的第一实施例。
如图2所示，数字示波器2包括依次串联连接的信号输入模块20、输入衰减模块21、信号处理模块22和串联在输入衰减模块21和信号处理模块22之间的D/A转换模块28。
信号输入模块20包括依次串联的信号输入端、电阻202和AC/DC转换单元，信号输入端由连接器201构成，AC/DC转换单元由电容203和开关204并联构成，电容203为47nF，开关204为CMOS模拟开关KAQY214S。输入信号由连接器201输入，通过电阻202送入AC/DC转换单元，当开关204闭合时，电容203被短路，信号直接通过，为直流耦合方式，当开关204断开时，信号直接流过电容203，直流被隔离，为交流耦合方式。经过AC/DC转换后的信号送给输入衰减模块21。
输入衰减模块21包括依次串联连接的阻容网络210、开关单元211和运放单元212。阻容网络210由两个阻容电路组成，第一阻容电路由电阻2101和电容2102并联连接在阻容网络210的输入端In和第一输出端Out1之间，第二阻容电路由电阻2103和电容2104并联连接在阻容网络210的输入端In和第二输出端Out2之间。开关单元211为具有两个输入端一个输出端的模拟开关2111，且模拟开关2111的每个输入端均有默认电阻值，即当某一路开关断开时，该通路通过默认电阻值接地，而闭合的开关则与运算单元212直接连接，本实施例中默认电阻值为0Ω，也可以取默认电阻值为50Ω。阻容网络210的第一输出端Out1和第二输出端Out2分别与开关2111的输入端In1和In2连接。运放单元212包括运算放大器2121、反馈电阻2124、补偿网络2120、电阻2125和滤波电容2126，运算放大器2121的正输入端In+接地，负输入端In-与开关2111的输出端Out连接，并且控制处理模块27通过电阻2125和D/A转换模块28与运算放大器2121的负输入端In-连接，滤波电容2126串联在电阻2125和地之间，运算放大器2121的输出端与信号处理模块22的输入端连接，反馈电阻2124连接在运算放大器2121的负输入端和输出端之间，补偿网络2120并联连接在反馈电阻2124的两端，补偿网络2120由补偿电阻2123和补偿电容2122串联组成。
在本实施例中，电阻2101＝1.05MΩ，电容2102＝15pF，电阻2103＝18.8MΩ，电容2104＝0.6pF，反馈电阻＝464kΩ，补偿电阻2123＝34.65MΩ，补偿电容2122＝27pF，电阻2125＝249kΩ，滤波电容2126＝100nF。
在本实施例中，控制处理模块27发送控制信号给开关2111，控制开关2111的输出端Out与其输入端In1连接，输入端In2通过默认电阻接地，也就是使阻容网络210的输出端Out1与运算放大器2121的负输入端In-连接，由于运算放大器2121的正输入端接地，根据运算放大器虚短虚断的原理可知，阻容网络210的输出端Out1接地，阻容网络210的输出端Out2通过开关2111的输入端In2接地，故可知阻容网络210的两个输出端均为地电平，由于电阻2101和电阻2103的并联值约等于1MΩ，故由以上所述可知，无论开关2111选择哪一个输入端，阻容网络210的输入电阻都等于1MΩ，即实现了示波器2的输入电阻约为1MΩ。
在本实施例中，由阻容网络210、开关单元211和运放单元212构成对输入信号的衰减电路，该衰减电路可以实现两个不同档位的衰减比，且阻容网络210中的电阻和电容分别为低频信号和高频信号的主要通路，且电阻值比和电容值的倒数比相等，用以实现高频和低频相匹配。当开关2111使阻容网络210的输出端Out1与运算放大器2121的负输入端In-连接时，电阻2101或电容2102、运算放大器2121、反馈电阻2124、补偿电阻2123和补偿电容2122构成比例衰减电路，当输入低频信号时，衰减比约等于反馈电阻2124/电阻2101≈1/2，当输入高频信号时，衰减比约等于补偿电容2122/电容2102≈1/2，如果此时输入信号幅度为V，那么运算放大器2121输出的信号幅度就是V/2；当开关2111使阻容网络210的输出端Out2与运算放大器2121的负输入端连接时，电阻2103或电容2104、运算放大器2121、反馈电阻2124、补偿电阻2123和补偿电容2122构成比例衰减电路，当输入低频信号时，衰减比约等于反馈电阻2124/电阻2103≈1/40，当输入高频信号时，衰减比约等于补偿电容2122/电容2104≈1/40，如果此时输入信号幅度为V，那么运算放大器2121输出的信号幅度就是V/40，这样扩大了输入信号的动态范围。
在本实施例中，补偿电阻2123和补偿电容2122用于调节示波器输入信号的频率响应，由于示波器的输入信号的频率范围较大，这样可以使输入信号的频率响应平坦度好。
在本实施例中，控制处理模块27输出偏置信号OFFSET给D/A转换模块28，D/A转换模块28将信号OFFSET转换成模拟信号后通过电阻2125送给运算放大器2121，用于调节运算放大器2121的输出端电压，当输入信号有较大偏置时，可以调节OFFSET，使得运算放大器2121的输出在允许的工作电压范围内。经运算放大器2121衰减后的信号送给信号处理模块22。
信号处理模块22包括依次串联连接的可编程放大器23、带宽限制模块24、ADC驱动模块25、A/D转换模块26和控制处理模块27。可编程放大器23接收输入衰减模块21输出的信号，根据控制处理模块27输出的增益控制信号GainControl进行信号处理，实现对示波器的信号放大，然后将放大后的信号送入带宽限制模块24，控制处理模块27输出带宽限制信号BWLMT给带宽限制模块24，实现带宽限制的选择，带宽限制模块24输出的信号送给ADC驱动模块25，将信号调理成A/D转换模块26适合采集的信号，然后由A/D转换模块26进行信号的模数转换，最后送给控制处理模块27进行信号处理，用于信号保存和显示等处理。
作为进一步的说明，本实施例中的阻容网络210也可以由2个以上的阻容电路组成，同时需要选用具有相应输入端的开关2111，就可以实现具有更多衰减比例的输入衰减电路，更加扩大了输入信号的动态范围。
作为进一步的说明，本实施例中的电阻2101、电容2102、电阻2103和电容2104都可以由多个电阻和多个电容串联或并联实现，只要阻值满足需要即可，并且电容可以选用可调电容，这样可对电阻和电容的值进行微调，更方便电路调试。
作为进一步的说明，本实施例中的补偿电容2122可以为可调电容
作为进一步的说明，本实施例中的补偿网络可以用一可调电容替换补偿电阻2123和补偿电容2122，并且控制处理模块27根据衰减比例的变化发出控制信号经D/A转换模块28转换成模拟信号后，控制该可调电容，用于调节电路的频率响应，这种补偿网络的具体实现方式可见第二实施例。
下面结合附图3和附图4介绍本发明的第二实施例。
如图3所示，数字示波器3包括依次串联连接的信号输入模块30、输入衰减模块31、信号处理模块22和串联在输入衰减模块21和信号处理模块22之间的D/A转换模块28。
信号输入模块30包括依次串联的信号输入端、电阻202和AC/DC转换单元，并且在AC/DC转换单元的后面串联有电阻205和电容206的并联电路，信号输入端由连接器201构成，AC/DC转换单元由电容203和开关204并联构成，电容203为47nF，开关204为CMOS模拟开关KAQY214S。输入信号由连接器201输入，通过电阻202送入AC/DC转换单元，当开关204闭合时，电容203被短路，信号直接通过，为直流耦合方式，当开关204断开时，信号直接流过电容203，直流被隔离，为交流耦合方式。经过AC/DC转换后的信号送给电阻205和电容206的并联电路，对信号进行分压后送给输入衰减模块31。
输入衰减模块31包括依次串联连接的阻容网络310、开关单元311和运放单元312。阻容网络310由两个阻容电路组成，第一阻容电路由电阻3101和电容3102并联连接在阻容网络310的输入端In和输出端Out1之间，第二阻容电路由第一电路、第二电路和第三电路组成，且第一电路和第二电路串联在阻容网络310的输入端In和输出端Out2之间，第一电路和第三电路串联在阻容网络310的输入端In和输出端Out3之间，第一电路是电阻3103和电容3104的并联电路，第二电路是电阻3105和电容3104的并联电路，第三电路是电阻3107和电容3108的并联电路。开关单元311为具有三个输入端一个输出端的模拟开关3111，且模拟开关3111的每个输入端均有默认电阻值，即当某一路开关断开时，该通路通过默认电阻值接地，本实施例中默认电阻值为0Ω，也可以取默认电阻值为50Ω。阻容网络310的输出端Out1、输出端Out2和输出端Out3分别与开关3111的输入端In1、In2和In3连接。运放单元312包括运算放大器2121、反馈电阻2124、补偿网络3120、电阻2125和滤波电容2126，运算放大器2121的正输入端In+接地，负输入端In-与开关3111的输出端Out连接，并且控制处理模块27通过电阻2125和D/A转换模块28与负输入端In-连接，滤波电容2126串联在电阻2125和地之间，运算放大器2121的输出端与信号处理模块22的输入端连接，反馈电阻2124连接在运算放大器2121的负输入端In-和输出端之间，补偿网络3120并联连接在反馈电阻2124的两端，且控制处理模块27通过D/A转换模块28与补偿网络3120的控制端COMP连接。
如图3和图4所示，补偿网络3120由变容二极管31201、第一电容31204、第二电容31205、第一限流电阻31202和第一限流电阻31203组成，第一电容31204串联在反馈电阻2124和变容二极管31201的负极之间，第二电容31205串联在反馈电阻2124和变容二极管31201的正极之间，第一限流电阻31202串联在变容二极管31201的负极和补偿网络3120的控制端COMP之间，第二限流电阻31203串联在变容二极管31201的正极和地之间，控制端COMP与D/A转换模块28连接。
在本实施例中，电阻205＝电阻3103＝电阻3107＝909kΩ，电阻3101＝电阻3105＝100kΩ，电容206＝500pF，电容3102＝电容3106＝100pF，电容3104＝电容3108＝12pF，反馈电阻＝464kΩ，第一电容31204＝第二电容31205＝180pF，第一限流电阻31202＝第二限流电阻31203＝2kΩ，电阻2125＝249kΩ，滤波电容2126＝100nF。
在本实施例中，控制处理模块27发送控制信号给开关311，控制开关3111的输出端Out与输入端In1连接，输入端In2和In3通过默认电阻接地，也就是使阻容网络310的输出端Out1与运算放大器2121的负输入端In-连接，由于运算放大器2121的正输入端In+接地，根据运算放大器虚短虚断的原理可知，阻容网络310的输出端Out1接地，阻容网络310的输出端Out2和Out3通过开关31111的输入端In2和In3接地，故可知阻容网络310的输出端Out1、Out2和Out3均为地电平，由于电阻205+电阻3101||(电阻3103+(电阻3105||电阻3107))≈1MΩ，故由以上所述可知，无论开关3111选择哪一个输入端，阻容网络310的输入电阻都约等于1MΩ，即实现了示波器3的输入电阻约为1MΩ。
在本第一实施例中，由阻容网络310、开关单元311和运放单元312构成对输入信号的衰减电路，该衰减电路可以实现三个不同比例的衰减，且阻容网络310中的电阻和电容分别为低频信号和高频信号的主要通路，电阻值比和电容值的倒数比相等，用以实现高频和低频相匹配。由于在信号输入模块30中的电阻205已经对输入信号进行了一次分压，故如果输入信号的幅度为V，那么阻容网络310输入端的电压就变为V/10，当开关3111使阻容网络310的输出端Out1与运算放大器2121的负输入端In-连接时，电阻3101或电容3102、运算放大器2121和反馈电阻2124构成衰减电路，当输入低频信号时，衰减比例约等于反馈电阻2124/电阻3101≈5，当输入高频信号时，衰减比例约等于补偿网络3120的电容/电容3102≈5，如果此时输入信号幅度为V/10，那么运算放大器2121输出的信号幅度就是V/2；当开关3111使阻容网络310的输出端Out2与运算放大器2121的负输入端In-连接时，此时电阻3103、电阻3105和电阻3107对信号又进行了一次分压，故电阻3105输入电压变为V/100，电阻3105或电容3106、运算放大器2121和反馈电阻2124构成衰减电路，当输入低频信号时，衰减比例约等于反馈电阻2124/电阻3105≈5，当输入高频信号时，衰减比例约等于补偿网络3120的电容/电容3106≈5，如果此时输入信号幅度为V/100，那么运算放大器2121输出的信号幅度就是V/20；当开关3111使阻容网络310的输出端Out3与运算放大器2121的负输入端In-连接时，此时电阻3103、电阻3105和电阻3107对信号又进行了一次分压，故电阻3105输入电压变为V/100，电阻3107或电容3108、运算放大器2121和反馈电阻2124构成比例电路，当输入低频信号时，衰减比例约等于反馈电阻2124/电阻3107≈1/2，当输入高频信号时，衰减比例约等于补偿网络3120的电容/电容3108≈1/2，如果此时输入信号幅度为V/100，那么运算放大器2121输出的信号幅度就是V/200，这样扩大了输入的动态范围。
在本实施例中，在开关3111选择输入端In1、In2或In3时，控制处理模块27输出不同的调节信号给D/A转换模块28，D/A转换模块28将其转换为模拟信号后，送给控制端COMP，用于改变变容二极管31201的反偏电压，从而调节其电容，第一电容31204和第二电容31205将变容二极管31201交流耦合到反馈电阻2124上，这样补偿网络3120的电容相当于第一电容31204、第二电容31205和变容二极管31201的串联值，取第一电容31204和第二电容31205的值远大于变容二极管31201的电容值，所以补偿网络3120的电容值近似为变容二极管31201的反偏电容。控制处理模块27通过调节补偿网络3120的电容使电路的低频响应和高频相应一致，使得电路的频率响应平坦度好。
在本实施例中，控制处理模块27输出偏置信号OFFSET给D/A转换模块28，D/A转换模块28将该信号转换成模拟信号后通过电阻2125送给运算放大器2121，用于调节运算放大器2121的输出端电压，当输入信号有较大偏置时，可以调节OFFSET，使得运算放大器2121的输出在允许的工作电压范围内。经运算放大器2121衰减后的信号送给信号处理模块22。
信号处理模块22包括依次串联连接的可编程放大器23、带宽限制模块24、ADC驱动模块25、A/D转换模块26和控制处理模块27。可编程放大器23接收输入衰减模块31输出的信号，根据控制处理模块27输出的增益控制信号GainControl进行信号处理，实现对示波器的信号放大，然后将放大后的信号送入带宽限制模块24，控制处理模块27输出带宽限制信号BWLMT给带宽限制模块24，实现带宽限制的选择，带宽限制模块24输出的信号送给ADC驱动模块25，将信号调理成A/D转换模块26适合采集的信号，然后由A/D转换模块26进行信号的模数转换，最后送给控制处理模块27进行信号处理，用于信号保存和显示等处理。
作为进一步的说明，本实施例中的阻容网络310也可以由2个或3个以上的阻容电路组成，同时需要选用具有相应输入端的开关3111，就可以实现具有更多衰减比例的输入衰减电路，更加扩大了输入信号的动态范围。
作为进一步的说明，本实施例中的电阻205、电容206、电阻3101、电容3102、电阻3103、电容3104、电阻3105、电容3106、电阻3107和电容3108都可以由多个电阻和多个电容串联或并联实现，只要阻值满足需要即可，并且电容可以选用可调电容，这样可对电阻和电容的值进行微调，更方便电路调试。
作为进一步的说明，本实施例中的补偿网络3120可以再串联一补偿电阻，或者也可以采用如第一实施例中的方式，通过补偿电阻和补偿电容串联实现调节电路的频率相应。
作为进一步的说明，在本发明的两个实施例中，可以在阻容网络中并联阻尼电阻，用于调节电路对阶跃信号的响应。
作为进一步的说明，在本发明的两个实施例中，模拟开关可以选择如ADI公司的ADG904、ADG919等。
作为进一步的说明，在本发明的两个实施例中，运算放大器需要选用场效应型高带宽放大器，如TI公司的OPA6xx系列。
本发明的数字示波器，通过提供具有多个衰减比例的输入衰减电路，同时实现了输入高阻和大大扩大了输入信号的动态范围，并且通过提供补偿网络，实现调节电路的频率响应，使电路的低频响应和高频相应相一致。
以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明，本领域一般技术人根据上述设计思想所作任何不具有创造性的创造，均应视为在本专利的保护范围之内。