示波器通道擴展器的研究

于洪基+楊潤耀+李喜樂

摘要：根據(jù)被測信號疊加不同直流量來產(chǎn)生不同偏移量，從而使被測信號顯示在示波器顯示屏的不同位置的基本原理，利用十六進制計數(shù)器74LS161以及模擬開關(guān)74HC4052等完成了示波器的通道擴展，使一路通道（CH1或CH2）可同時顯示四路被測信號波形。

關(guān)鍵詞：示波器；通道擴展；直流偏移量；計數(shù)器；模擬開關(guān)

示波器通道擴展器，顧名思義，是一個能使普通雙蹤示波器的一個通道（CH1或CH2通道）同時顯示出多路信號（模擬信號或數(shù)字信號）的擴展器。示波器作為顯示被測信號波形的基本儀器，其用途之廣、作用之大，可想而知；但實驗室現(xiàn)有示波器一般只有兩路通道，就使得同時觀測、對比多路波形出現(xiàn)困難，故本文提出一種通道擴展的方法。

本文以同時顯示四路信號為基礎(chǔ)進行說明。基本功能為：顯示四路低頻（Hz~KHz）模擬信號，且信號峰峰值小于5V；同時也可顯示四路低頻（Hz~KHz）數(shù)字信號，能產(chǎn)生字觸發(fā)信號，作為示波器外接觸發(fā)源；具有自檢功能（用74161產(chǎn)生四路數(shù)字信號，作為被測電路）；可調(diào)節(jié)波形在示波器顯示屏上的上下位移。

其工作原理為：被測信號疊加不同的直流量可以產(chǎn)生不同偏移量，從而顯示在示波器顯示屏的不同位置。被測信號和直流量由模擬開關(guān)輸入，根據(jù)其地址選擇分別在X端口和Y端口輸出階梯波和被測信號。模擬開關(guān)選用74HC4052，因其速度較快。

第一部分為時鐘產(chǎn)生電路，為十六進制計數(shù)器74LS161提供時鐘信號。也可以采用NE555設(shè)計出多諧振蕩電路或直接用晶振（1M）產(chǎn)生脈沖信號，但在測試過程中發(fā)現(xiàn)，雖然晶振可以提高輸入頻率，但由于電路中各種芯片的頻率限制，使得輸出波形失真嚴重且不穩(wěn)定，故輸入頻率不可太高，因此采用555的多諧振蕩電路來產(chǎn)生脈沖信號比較穩(wěn)定。

第二部分為地址信號產(chǎn)生電路，由74LS161構(gòu)成，由于74LS161可以通過四位二進制輸出來計時鐘沿的個數(shù)，就利用其兩位輸出Q1、Q0作為多路模擬開關(guān)74HC4052的地址。

第三部分為模擬開關(guān)電路。74HC4052為雙回路模擬開關(guān)芯片。在該芯片的封裝中，一路為直流通道，另一路為信號通道。將直流輸入設(shè)計為由2K、1K、1K、1K組成的權(quán)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，分別取出3V、2V、1V、0V的直流電壓，作為輸入信號所要疊加的直流分量。另一路信號通道的輸入則接被測信號，包括模擬信號和數(shù)字信號，通過地址信號Q1、Q0對兩回路信號同步地進行選通。

第四部分主要實現(xiàn)被測信號衰減分分檔功能，由LF356實現(xiàn)。被測信號經(jīng)74HC4052的信號選通后由LF356進行放大或衰減處理，通過改變反饋電阻10K、10K、39K、62K、62K對其進行放大或衰減。改變反饋電阻的方式為用四路波段開關(guān)分別選擇，以實現(xiàn)不同增益的控制。

第五部分是由LF356構(gòu)成反相加法器電路，將放大或衰減后的被測信號與不同的直流量疊加，產(chǎn)生不同的偏移量，使被測信號顯示在示波器顯示屏的不同位置，從而實現(xiàn)一個通道顯示四路信號。

對于自檢功能，通過增加一片74LS161，其四位輸出作為被測信號。將第一片計數(shù)器的進位信號與其連接，從而降低輸入四路數(shù)字信號的頻率，保證四路信號清晰不重疊地顯示在示波器上。

以上的設(shè)計已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能，為了能隨意調(diào)節(jié)被測信號的偏移量，反映到波形顯示上，即可調(diào)節(jié)波形在示波器顯示屏上的上下位移，有兩個方案可以實現(xiàn)：

一是在權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)點處連接兩個LF356，構(gòu)成兩個反相比例電路，調(diào)節(jié)電位器可改變直流分量大小。具體做法為：在74HC4052直流輸入端經(jīng)過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)分別取出3V、2V、1V、0V的直流電壓后，在3V、2V、1V、0V電壓結(jié)點處分別連接兩個LF356，第一個運放實現(xiàn)電壓的放大和衰減，但由于是反相比例，經(jīng)過第一個運放后，電壓被反相輸出，因此，第二個運放實現(xiàn)電壓再反相，即恢復(fù)到原來的電壓方向。這樣就實現(xiàn)了所要疊加直流分量的放大和衰減。

二是將權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻換為電位器，將電位器的中間引腳電壓作為模擬開關(guān)直流輸入量。引出中間引腳可以使總電阻不變，改變對應(yīng)電位器阻值，可調(diào)節(jié)輸入直流量，從而實現(xiàn)波形的上下位移。

對比兩個方案，可發(fā)現(xiàn)：方案一較方案二來說，所用元器件較多，但可調(diào)范圍大，應(yīng)用性好；方案二電路簡單，所用元器件少，但根據(jù)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)分壓特性可知，該方案位移調(diào)節(jié)范圍窄，在實際應(yīng)用中不方便，有很大局限性。故采用可調(diào)范圍更大的方案一。

綜上所述，該“示波器通道擴展器”由單路直流電源供電，功能上可實現(xiàn)一個通道清晰不重疊地顯示四路低頻（Hz~KHz）信號波形（數(shù)字信號和模擬信號），并且具有自檢功能；具有模擬信號放大衰減分檔功能，防止信號失真；同時，還可以分別調(diào)節(jié)四路信號波形的上下位移。本設(shè)計實用性高，成本較低，可作為示波器通道擴展研究的基本模塊。

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