在電子測量中，為了研究電路中不同測試點信號波形的頻率、幅值以及相位等關系, 常常需要用多蹤示波器同時顯示多個被測信號，然而現(xiàn)今的電子示波器中，以雙蹤通用示波器為多數(shù)，四蹤示波器幾乎沒有。在缺少多蹤示波器的情況下，用單－四蹤示波器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來解決多波形的關系測試問題仍然是一種簡捷、高效的方法。
1 單－四蹤示波器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的構成
單－四蹤示波器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由Y1～Y4前置放大器，通道控制開關KA～KD，垂直位移電位產(chǎn)生電路，信號疊加與反相放大電路，觸發(fā)放大電路，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，8倍分頻電路，4(3)倍分頻/脈沖分配電路等構成，其結(jié)構如圖1所示。由圖1可知，用波形變換與分頻的方法獲得觸發(fā)信號，用模擬開關控制信號的切換，用線性運放對信號進行疊加與放大，再結(jié)合通用示波器，即可實現(xiàn)多路信號的波形顯示與觀測。
圖1 單-四蹤示波器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的構成
2 單-四蹤示波器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的工作原理
單-四蹤示波器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的電路原理如圖2所示。
圖2 單-四蹤示波器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)原理
2.1 前置放大電路
在所有的示波器電路中，要求其Y通道輸入電阻高、輸出電阻低、通頻帶寬。單－四蹤示波器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的四個Y通道放大器均由高速運放NE5534組成，其中U1、U2，U3、U4，U5、U6，U7、U8分別構成Y1，Y2，Y3，Y4通道放大器，U1，U3，U5，U7分別構成電壓跟隨器，U2，U4，U6，U8構成放大倍數(shù)約為-6/5的電壓放大器。
2.2 通道轉(zhuǎn)換開關系統(tǒng)
通道轉(zhuǎn)換開關系統(tǒng)包括矩形脈沖產(chǎn)生、被測信號8倍分頻、Y通道轉(zhuǎn)換開關及其驅(qū)動等電路。
2.2.1 矩形脈沖產(chǎn)生電路
示波器要測試的信號波形通常是隨機的。由圖2可以看出，單－四蹤示波器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的信號通道切換及其控制等電路需要的是矩形脈沖，因此需要將被測信號變換成與其頻率相同的矩形脈沖。
矩形脈沖產(chǎn)生電路的輸入信號來自Y1通道。把波形隨機的被測信號變換成矩形脈沖，必須先對其進行放大；采用U9、U10(NE5534)運放對來自Y1通道的被測信號進行緩沖、放大，再運用U11(NE555)組成的雙穩(wěn)態(tài)電路整形，并在其③腳輸出與被測信號頻率相同的矩形脈沖。
2.2.2 觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路
要在示波器屏幕上同步顯示多個被測信號波形，并真實反映信號間的相位、電壓幅值等關系，示波器應盡可能地工作在常態(tài)觸發(fā)條件下，用與被測信號有確定相頻關系的信號去觸發(fā)示波器的X系統(tǒng)掃描發(fā)生器；測量時示波器屏幕上通常顯示幾個周期的被測信號波形，因此示波器的掃描信號周期應為被測信號周期的幾倍。為實現(xiàn)單－四蹤示波器轉(zhuǎn)換，選擇在示波器屏幕上最多顯示約7個周期的被測信號波形。因此，與被測信號頻率相同的脈沖波經(jīng)過8倍分頻之后用作為示波器掃描發(fā)生器的外觸發(fā)信號。
8倍分頻任務由U12(CD4017)完成。CD4017計數(shù)器采用異步清零方式構成8倍分頻計數(shù)器。其Q7(6腳)輸出的矩形脈沖便是通用示波器掃描發(fā)生器的外觸發(fā)信號。
2.2.3 通道轉(zhuǎn)換開關及其驅(qū)動電路
示波器在觸發(fā)脈沖作用下進行X軸方向掃描，調(diào)節(jié)觸發(fā)“電平”與“掃描因數(shù)”，使每個觸發(fā)信號都能起觸發(fā)作用。一般要求每次掃描大約顯示2～8個周期的被測信號，其中的每個Y通道工作時長應為一個掃描周期，而且Y通道間依次輪流工作。因此Y通道的工作切換應與Y通道的被測信號的路數(shù)相關，當被測信號為3路（即示波器應為3通道）時，開關驅(qū)動信號頻率應為觸發(fā)信號頻率的1/3，即應有3路脈寬等于觸發(fā)周期的Y通道切換驅(qū)動信號依次產(chǎn)生；當被測信號為4路（即示波器應為4通道）時，開關驅(qū)動信號頻率應為觸發(fā)信號頻率的1/4，即應有4路脈寬等于觸發(fā)周期的Y通道切換驅(qū)動信號依次產(chǎn)生。
基于上述原理，應根據(jù)被測信號的路數(shù)對觸發(fā)脈沖進行3倍或4倍分頻，并依次產(chǎn)生Y通道切換信號，用U13十進制計數(shù)/脈沖分配器（CD4017）完成這一任務，利用CD4017的異步復位端作用構成3（4）倍分頻器，從CD4017的Q0、Q1、Q2、Q3端依次輸出脈寬為觸發(fā)周期的矩形脈沖，開關S5決定3倍或是4倍分頻，即示波器工作在3通道或是4通道狀態(tài)。
利用EDA軟件Protel99SE中的TTL模擬開關可以完成Y通道的切換。U13的Q0、Q1、Q2、Q3端依次輸出的矩形脈沖驅(qū)動模擬開關S11、S12，S21、S22，S31、S32，S41、S42，它們分別控制Y1、Y2、Y3、Y4通道的被測信號、垂直位移電位VD1、VD2、VD3、VD4的切換。
2.3 信號垂直位置電位的產(chǎn)生
要使Y1～Y4通道的被測信號波形在屏幕上依次自上而下顯示出來，必須以不同的直流電位信號與被測信號分別疊加，這一組直流電位的產(chǎn)生由R30～R34、±5V直流電源構成的串聯(lián)電路完成，其輸出電位VD1＜VD2＜VD3＜VD4，并且VD1、VD2、VD3、VD4經(jīng)放大后分別與Y1、Y2、Y3、Y4通道的被測信號相疊加，由于末級放大器U14為反相放大器，所以直流電平VD1～VD4能確保Y1～Y4通道的被測信號在示波器屏幕上自上而下依次錯開，通過改變R30～R34值可以調(diào)節(jié)VD1～VD4的大小，使被測信號波形在垂直方向上的間距發(fā)生變化。
2.4 疊加與末級放大電路
疊加與末級放大電路由U14、R17、R35～R42構成，電路的任務是將垂直位置電位VD1、VD2、VD3、VD4放大后分別與Y1、Y2、Y3、Y4通道的被測信號疊加并使其反相，本級的反相與Y放大器的反相共同作用完成對被測信號的同相放大。
當系統(tǒng)工作在單－四蹤轉(zhuǎn)換狀態(tài)，uo1為高平，uo2～uo4為低電平時，模擬開關S11、S12接通，Y1通道被測信號uy1及其對應的垂直位置電位VD1向末級傳送，其余模擬開關均斷開，受控的被測信號及其對應的垂直位置電位均被阻斷，疊加與末級放大電路對uy1、VD1進行運算輸出，示波器屏幕僅在上部顯示Y1通道的被測信號；之后，一個觸發(fā)周期結(jié)束，當uo2為高平，uo1、uo3、uo4為低電平時，模擬開關S21、S22接通，Y2通道被測信號uy2及其對應的垂直位置電位VD2向末級傳送，其余模擬開關均斷開，受控的被測信號及其對應的垂直位置電位均被阻斷，疊加與末級放大電路對uy2、VD2進行運算輸出，示波器屏幕僅在中上部顯示Y2通道的被測信號；同理，uo3、uo4依次為高電平，Y3、Y4通道的被測信號波形依次分別顯示在示波器屏幕上的中下部、下部位置。
3 電路系統(tǒng)仿真
3.1 用電子設計自動化軟件Protel99E對電路進行仿真
單－四蹤示波器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的功用是將單蹤示波器轉(zhuǎn)換成為四蹤示波器，對轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進行仿真，必須首先構建一組頻率、相位相關的四路信號源。現(xiàn)用圖3所示的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及脈沖信號源產(chǎn)生頻率、相位相關的一組四路信號ui、ut、uc、uo。根據(jù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路參數(shù)要求，脈沖信號源ui的頻率、脈沖占空比、電壓幅度分別取5kHZ、0.5、5V。仿真時，先在Protel99SE原理圖編輯環(huán)境中按仿真要求將圖2、圖3畫在一起，四路信號ui、ut、uc、uo分別聯(lián)接至四蹤示波器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸入端Y1、Y2、Y3、Y4即可。
圖3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器
電路仿真測試采用“動態(tài)/傅立葉特性分析”模式。測試的設置步驟是，在編輯原理圖窗口，執(zhí)行“仿真”菜單下“設置……”命令，進入“分析設置”窗口，在“常態(tài)”標簽中選中“動態(tài)/傅立葉特性分析”，在“Collect Data For.....”收集信號參數(shù)欄中選擇“Nod Voltage, Supply Current, Device Current”，在“有效信號”欄中選擇信號“ui”、“ut”、“uc”、“uo”、“uo1”、“uo2”、“uo3”、“uo4”、“uy”、“uth”，在“仿真瀏覽設置”欄中選中“顯示激活信號”；再單擊“動態(tài)/傅立葉特性分析”標簽，刪去“默認設置”、“傅立葉特性分析”選項，選擇“動態(tài)/傅立葉特性分析”選項，取“起點時間”、“停止時間”、“仿真步長”、“最大仿真步長”分別為：“0”、“6.5”毫秒、“50”微秒、“50”微秒，然后單擊“運行仿真”便可完成仿真測試。
圖4 系統(tǒng)仿真結(jié)果1
圖4所示為仿真結(jié)果，其中“uth”為輸入至示波器X系統(tǒng)的外觸發(fā)信號，“uy”是輸入至示波器垂直通道的被測信號。由圖4可知，“uth”的上升沿與模擬開關控制信號“uo1”、“uo2”、“uo3”、“uo4”的邊沿對齊；“uo1”為高電平時，屏幕(uy)顯示通道Y1的被測信號“ui”；“uo2”為高電平時，屏幕(uy)顯示通道Y2的被測信號“ut”；同理“uo3”、“uo4”為高電平時，屏幕(uy)分別顯示通道Y3、Y4的被測信號“uc”、“uo”，四信號直流電位不同，使得它們在示波器屏幕垂直方向上均勻分布。
3.2 用電子設計自動化軟件Multisim10對電路進行仿真
采用Mutisim10對圖2所示電路系統(tǒng)進行測試，需要先對圖2中的模擬開關S11、S12，S21、S22，S31、S32，S41、S42及其驅(qū)動信號進行適當?shù)靥鎿Q處理。
選用Mutisim10中的虛擬示波器對電路系統(tǒng)進行仿真測試，其測試步驟是，首先調(diào)出仿真儀器庫中的虛擬示波器，聯(lián)接圖2中“uy”、U12的“Q7”分別至示波器的“A”通道、“Ext Trig”端，然后打開虛擬示波器的操作界面進行下列操作，“時間軸”區(qū)域“掃描因數(shù)”選擇“50μS/Div”，“水平位置”選擇“0”，功用選擇“Y/T”；“通道A”區(qū)域“Y偏轉(zhuǎn)因數(shù)”選擇“5V/Div”，“垂直位置”選擇“0”，耦合方式選擇“DC”；“觸發(fā)”區(qū)域觸發(fā)“類型”選擇“標準”，“邊沿”選擇“上升沿”或“下降沿”、“外部”，“電平”選擇“1V”。之后點動仿真開關，便得到圖5所示波形。
圖5 系統(tǒng)仿真結(jié)果2
圖5中的四個波形，自上而下依次為圖3電路中的觸發(fā)脈沖ui、微分信號ut、時間電容電壓uc、輸出電壓uo波形，它們按設計要求依次顯示在示波器屏幕上，真實重現(xiàn)了電路中不同點信號波形及其頻率、幅值、相位情況，用通用示波器實現(xiàn)了多蹤測量。
利用EDA軟件對電路系統(tǒng)進行仿真，若遇到“Timestep too small run simulation(s) aborted”仿真錯誤，可反復調(diào)整“Stop Time”、“Step Time”、“Maximum Step”參數(shù)，若錯誤仍不能消除可適當減少測試信號，直至仿真成功。之后在仿真結(jié)果欄選擇“Browse Simdata”標簽，在“Waveforms”欄選中剛才去掉的測試點，點擊“Show”按鍵，即可顯示出需要的測試點波形，依次如此操作便可把所有減少的測試點波形顯示出來；當電路中有大容量電容，遇到仿真錯誤時，可適當減小電容的容量，錯誤也可以避免。
4 單－四示波器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的使用操作方法
將單蹤示波器轉(zhuǎn)換為四蹤示波器前，應理解示波器“常態(tài)”情況下的觸發(fā)掃描原理、“釋抑時間”等知識、概念，同時能熟練掌握相應的操作技能。實際測試時分別將轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的信號“uy”、觸發(fā)信號“uth”聯(lián)至示波器的任一Y通道、外觸發(fā)輸入端“Trig In”，單－四示波器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的“Y1”、“Y2”、“Y3”、“Y4”輸入端（四通道工作狀態(tài)）分別聯(lián)接四路被測信號。
當轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作在四通道狀態(tài)時，S5開關置“4”位置；當轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作在三通道狀態(tài)時，S5開關置“3”位置。
通用示波器的垂直工作模式應選擇“單通道”，耦合方式選“DC”，“Trig Source”選擇“EXT”、“Trig Mode”選擇“NORM”，選擇合適的“Level”及X系統(tǒng)掃描因數(shù)Sx；當轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作在四通道狀態(tài)時，Y1通道的輸入信號最低頻率應大于800Hz，并且被測信號的周期Ty與Sx應確保32Ty大于10Sx；當轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作在三通道狀態(tài)時，Y1通道的輸入信號最低頻率應大于600Hz，Ty與Sx應保證24Ty大于10Sx，依此就可以穩(wěn)定地顯示出四（或三）個被測信號波形，否則，波形會呈現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。
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本文標題：基于EDA軟件的單-四蹤示波器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)研究
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