如何通过前端将PC声卡变成高速采样示波器

2015-07-03 10:44:13   来源:dzsc   

关键字: PC声卡  高速采样  示波器

  有多种软件包可以使个人计算机(PC)中的立体声声卡提供类似示波器的显示,但低采样速率、高分辨率模数转换器(ADC)和交流耦合前端最适合20 kHz及以下的可用带宽。现在,这种有限的带宽可以扩展--针对重复波形,可以在声卡输入前使用一个采样前端。利用高速采样保持器(SHA)对输入波形进行二次采样,然后通过低通滤波器重建波形,并使其平滑,可以有效延展时间轴,使PC能够用作高速采样示波器。本文描述一种能够实现这种改造的前端和探头。

  图1所示为一个插入式附件的原理图,它可以配合典型PC声卡采样使用。每个示波器通道使用一个高速采样保持放大器 AD783 SHA的采样信号由时钟分频器电路的数字输出提供,下文将通过一个例子说明。AD783输入由一个FET缓冲,因此可以使用简单的交流/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交流耦合时,1 MΩ电阻(R1和R3)提供直流偏置。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提供有益的缓冲低阻抗来驱动PC声卡输入。

图1. 双通道模拟采样电路

图1. 双通道模拟采样电路

  AD783 SHA提供高达数MHz的可用大信号带宽。输入端的有效压摆率约为100 V/?s以上。采用±5 V电源时,输入/输出摆幅至少为±3 V.对于500 mV p-p以下的摆幅,小信号3 dB带宽接近50 MHz.

  利用图1所示的前端电路以及采用Visual Analyser1 软件的PC声卡,可以得到一个以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的采样速率提供250 ns宽的采样脉冲。这里的有效水平时基为333 ns/分频比。例子中使用的PC声卡采用SoundMax? 编解码器,其采样速率为96 kSPS.本例中,有效采样速率约为40 MSPS.

图2. 以1 MHz频率重复的2 MHz单周期正弦脉冲

图2. 以1 MHz频率重复的2 MHz单周期正弦脉冲

  图3中的屏幕截图显示的是一个以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.

图3. 以1 MHz频率重复的4 MHz高斯正弦脉冲

图3. 以1 MHz频率重复的4 MHz高斯正弦脉冲

  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。为使显示的波形保持稳定,无来回跳动,采样脉冲必须非常稳定,抖动很低。这一要求往往将可能的时钟选择限定于晶体振荡器。另一个要求是采样速率可以在略低于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必须较为精细。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),可以提供从80 kHz到350 kHz的多达200种或更多的不同采样速率,步进大小介于300 Hz到5 kHz之间。本例使用两个4位二进制升降计数器74HC191,N可以是4到256之间的任意整数。也可以使用74HC190等十进制计数器,其引脚排列与74HC191相同,可以提供4到100的N值。分频比利用两个十六进制开关S1和S2设置。开关S3设置计数器是递增还是递减计数。电阻R1 (250 Ω)和电容C1 (68 pF)给引脚计数输出增加一个很短的延迟,经过该延迟后,引脚计数输出加载起始计数值。74HC00的四个NAND门用于实现单稳态模式,当R12为2.7 kΩ且C2为68 pF时,单稳态模式提供200 ns的采样脉冲。

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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0703/article_12215.html
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