[发明专利]具有改进的前端电路的示波器

说明书

技术领域

本发明涉及电变量测试领域，特别是涉及具有改进的前端电路的示波器。

背景技术

示波器或其它测量仪器的输入模拟前端电路决定了其噪声、带宽、动态范围等关键指标。示波器的模拟前端电路一般完成信号输入衰减、缓冲、放大、偏置、带宽限制等功能，然后送给ADC进行模数转换，转换后的数据经过处理后进行显示。

垂直灵敏度是示波器的一个重要参数。垂直灵敏度指示垂直放大器对弱信号的放大程度，通常用每刻度多少毫伏表示。数字示波器能检测出的最小伏特数的典型值约1mV每垂直显示屏刻度。

在示波器中一般在面板上有一个调节垂直灵敏度的旋钮，用于调节电压波形在示波器面板的显示窗中的幅度，用户可以从显示窗中读出信号波形的幅度和当前垂直灵敏度刻度。

为了可以让人们更加精确的调节垂直灵敏度，现在许多的示波器，调节垂直灵敏度的档位有粗调和细调之分。粗调档位的垂直灵敏度以1-2-5为步进，调节垂直灵敏度。比如，100mV/div、200mV/div、500mV/div、1mV/div、2mV/div、5mV/div等。而细调档位的步进则小得多，比如在100mV/div的档位上细调，则步进为1mV/div。具有细调垂直档位的数字示波器是目前市场上绝大多数示波器的必备功能。

现有技术如中国专利CN200920109871.1提供了一种数字示波器模拟前端，具有垂直灵敏度调节功能，如图1所示。现有技术这种示波器包括垂直灵敏度粗调模块1、输入缓冲模块、垂直灵敏度粗调模块2、垂直灵敏度细调模块1或者垂直灵敏度细调模块2、ADC、控制处理模块、输入模块、显示模块、存储模块。

被测信号由信号的输入端输入到垂直灵敏度粗调模块，选择不同的衰减系数，实现第一级的垂直灵敏度粗调。粗调模块1的输出连接到输入缓冲模块，缓冲模块的输出连接到垂直灵敏度粗调模块2，可以设置不同的放大倍数，实现进一步的灵敏度粗调。垂直灵敏度粗调模块2输出进行A/D转换模块。如果选用垂直灵敏度细调模块1，则信号在A/D转换模块内部的细调模块1中实现增益微调，保证垂直灵敏度的准确。细调模块1输出送到ADC采样部分，进行模数转换，转换后的数据送到控制处理单元，进行波形的处理、显示和存储。如果选用垂直灵敏度细调模块2，则信号直接进入A/D转换模块进行模数转换，采样数据进入垂直灵敏度细调模块2，数字量乘以一个小倍率值，实现垂直灵敏的的准确性，之后数据送到控制处理单元，进行波形的处理、显示和存储。

控制处理模块通过输入模块接收用户设置的垂直灵敏度档位信息，通过计算，计算出需要选择的衰减系数，粗调的放大倍数和细调倍数，保证总的增益和设置的灵敏度完全一致。然后控制粗调模块1的选择合适的衰减，通过总线控制粗调模块2的增益，通过总线控制细调模块1或者细调模块2。

上述垂直灵敏度粗调模块1为一个输入衰减切换模块，一般为阻容构成的无源衰减电路。垂直灵敏度粗调模块2为一个数字控制的可变增益模块，一般为可控可变增益放大器构成，具有连续几十档增益可调的放大器。垂直灵敏度细调模块1为A/D转换模块内部的输入模拟增益调节电路，由ADC芯片提供的寄存器控制，一般为ADC输入级Full-scale寄存器调节。现有技术中的ADC为了实现尽可能高的采样率，一般采用8位ADC。垂直灵敏度细调模块2为可编程器件实现的数字乘法模块，一般由FPGA内部乘法器实现。其中细调模块1和细调模块2两者可选其一。

这样示波器所有垂直灵敏度档位由粗调模块1和粗调模块2分成了若干个垂直灵敏度区间。每个区间内的需要的垂直灵敏度，由细调模块1或细调模块2进行增益补偿。实现示波器每个垂直灵敏度档位。

现有技术存在以下缺点

1、成本高

现有技术中，数字控制可变增益模块是实现的关键模块，一般由数字控制可变增益放大器构成，能够实现至少几十级步进的增益变化，一般成本较高。

2、噪声大

现有技术中，在示波器最小垂直灵敏度时，如2mV/div时，需要数字控制可变增益模块设置到非常大的增益，才能将2mV/div时的小信号放大到ADC的输入满量程范围内，此时可变增益模块本身的噪声也被放大了该增益倍数，导致输入ADC信号的信噪比变差，最终体现为示波器在小垂直档位时噪声大。

3、动态范围小