在電子測(cè)量中，為了研究電路中不同測(cè)試點(diǎn)信號(hào)波形的頻率、幅值以及相位等關(guān)系, 常常需要用多蹤示波器同時(shí)顯示多個(gè)被測(cè)信號(hào)，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(méi)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(lái)解決多波形的關(guān)系測(cè)試問(wèn)題仍然是一種簡(jiǎn)捷、高效的方法。
1 單－四蹤示波器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的構(gòu)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(kāi)關(guān)KA～KD，垂直位移電位產(chǎn)生電路，信號(hào)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(gòu)成，其結(jié)構(gòu)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(hào)，用模擬開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的切換，用線性運(yùn)放對(duì)信號(hào)進(jìn)行疊加與放大，再結(jié)合通用示波器，即可實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的波形顯示與觀測(cè)。
圖1 單-四蹤示波器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的構(gòu)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(gè)Y通道放大器均由高速運(yùn)放NE5534組成，其中U1、U2，U3、U4，U5、U6，U7、U8分別構(gòu)成Y1，Y2，Y3，Y4通道放大器，U1，U3，U5，U7分別構(gòu)成電壓跟隨器，U2，U4，U6，U8構(gòu)成放大倍數(shù)約為-6/5的電壓放大器。
2.2 通道轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)系統(tǒng)
通道轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)系統(tǒng)包括矩形脈沖產(chǎn)生、被測(cè)信號(hào)8倍分頻、Y通道轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及其驅(qū)動(dòng)等電路。
2.2.1 矩形脈沖產(chǎn)生電路
示波器要測(cè)試的信號(hào)波形通常是隨機(jī)的。由圖2可以看出，單－四蹤示波器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的信號(hào)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(cè)信號(hào)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(hào)來(lái)自Y1通道。把波形隨機(jī)的被測(cè)信號(hào)變換成矩形脈沖，必須先對(duì)其進(jìn)行放大；采用U9、U10(NE5534)運(yùn)放對(duì)來(lái)自Y1通道的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行緩沖、放大，再運(yùn)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(cè)信號(hào)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(gè)被測(cè)信號(hào)波形，并真實(shí)反映信號(hào)間的相位、電壓幅值等關(guān)系，示波器應(yīng)盡可能地工作在常態(tài)觸發(fā)條件下，用與被測(cè)信號(hào)有確定相頻關(guān)系的信號(hào)去觸發(fā)示波器的X系統(tǒng)掃描發(fā)生器；測(cè)量時(shí)示波器屏幕上通常顯示幾個(gè)周期的被測(cè)信號(hào)波形，因此示波器的掃描信號(hào)周期應(yīng)為被測(cè)信號(hào)周期的幾倍。為實(shí)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(gè)周期的被測(cè)信號(hào)波形。因此，與被測(cè)信號(hào)頻率相同的脈沖波經(jīng)過(guò)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(hào)。
8倍分頻任務(wù)由U12(CD4017)完成。CD4017計(jì)數(shù)器采用異步清零方式構(gòu)成8倍分頻計(jì)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(hào)。
2.2.3 通道轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及其驅(qū)動(dòng)電路
示波器在觸發(fā)脈沖作用下進(jìn)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(gè)觸發(fā)信號(hào)都能起觸發(fā)作用。一般要求每次掃描大約顯示2～8個(gè)周期的被測(cè)信號(hào)，其中的每個(gè)Y通道工作時(shí)長(zhǎng)應(yīng)為一個(gè)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(yīng)與Y通道的被測(cè)信號(hào)的路數(shù)相關(guān)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為3路（即示波器應(yīng)為3通道）時(shí)，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率應(yīng)為觸發(fā)信號(hào)頻率的1/3，即應(yīng)有3路脈寬等于觸發(fā)周期的Y通道切換驅(qū)動(dòng)信號(hào)依次產(chǎn)生；當(dāng)被測(cè)信號(hào)為4路（即示波器應(yīng)為4通道）時(shí)，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率應(yīng)為觸發(fā)信號(hào)頻率的1/4，即應(yīng)有4路脈寬等于觸發(fā)周期的Y通道切換驅(qū)動(dòng)信號(hào)依次產(chǎn)生。
基于上述原理，應(yīng)根據(jù)被測(cè)信號(hào)的路數(shù)對(duì)觸發(fā)脈沖進(jìn)行3倍或4倍分頻，并依次產(chǎn)生Y通道切換信號(hào)，用U13十進(jìn)制計(jì)數(shù)/脈沖分配器（CD4017）完成這一任務(wù)，利用CD4017的異步復(fù)位端作用構(gòu)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(dòng)模擬開(kāi)關(guān)S11、S12，S21、S22，S31、S32，S41、S42，它們分別控制Y1、Y2、Y3、Y4通道的被測(cè)信號(hào)、垂直位移電位VD1、VD2、VD3、VD4的切換。
2.3 信號(hào)垂直位置電位的產(chǎn)生
要使Y1～Y4通道的被測(cè)信號(hào)波形在屏幕上依次自上而下顯示出來(lái)，必須以不同的直流電位信號(hào)與被測(cè)信號(hào)分別疊加，這一組直流電位的產(chǎn)生由R30～R34、±5V直流電源構(gòu)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(cè)信號(hào)相疊加，由于末級(jí)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(cè)信號(hào)在示波器屏幕上自上而下依次錯(cuò)開(kāi)，通過(guò)改變R30～R34值可以調(diào)節(jié)VD1～VD4的大小，使被測(cè)信號(hào)波形在垂直方向上的間距發(fā)生變化。
2.4 疊加與末級(jí)放大電路
疊加與末級(jí)放大電路由U14、R17、R35～R42構(gòu)成，電路的任務(wù)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(cè)信號(hào)疊加并使其反相，本級(jí)的反相與Y放大器的反相共同作用完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的同相放大。
當(dāng)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(shí)，模擬開(kāi)關(guān)S11、S12接通，Y1通道被測(cè)信號(hào)uy1及其對(duì)應(yīng)的垂直位置電位VD1向末級(jí)傳送，其余模擬開(kāi)關(guān)均斷開(kāi)，受控的被測(cè)信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的垂直位置電位均被阻斷，疊加與末級(jí)放大電路對(duì)uy1、VD1進(jìn)行運(yùn)算輸出，示波器屏幕僅在上部顯示Y1通道的被測(cè)信號(hào)；之后，一個(gè)觸發(fā)周期結(jié)束，當(dāng)uo2為高平，uo1、uo3、uo4為低電平時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)S21、S22接通，Y2通道被測(cè)信號(hào)uy2及其對(duì)應(yīng)的垂直位置電位VD2向末級(jí)傳送，其余模擬開(kāi)關(guān)均斷開(kāi)，受控的被測(cè)信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的垂直位置電位均被阻斷，疊加與末級(jí)放大電路對(duì)uy2、VD2進(jìn)行運(yùn)算輸出，示波器屏幕僅在中上部顯示Y2通道的被測(cè)信號(hào)；同理，uo3、uo4依次為高電平，Y3、Y4通道的被測(cè)信號(hào)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(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件Protel99E對(duì)電路進(jìn)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(duì)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行仿真，必須首先構(gòu)建一組頻率、相位相關(guān)的四路信號(hào)源�，F(xiàn)用圖3所示的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及脈沖信號(hào)源產(chǎn)生頻率、相位相關(guān)的一組四路信號(hào)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(hào)源ui的頻率、脈沖占空比、電壓幅度分別取5kHZ、0.5、5V。仿真時(shí)，先在Protel99SE原理圖編輯環(huán)境中按仿真要求將圖2、圖3畫(huà)在一起，四路信號(hào)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(cè)試采用“動(dòng)態(tài)/傅立葉特性分析”模式。測(cè)試的設(shè)置步驟是，在編輯原理圖窗口，執(zhí)行“仿真”菜單下“設(shè)置……”命令，進(jìn)入“分析設(shè)置”窗口，在“常態(tài)”標(biāo)簽中選中“動(dòng)態(tài)/傅立葉特性分析”，在“Collect Data For.....”收集信號(hào)參數(shù)欄中選擇“Nod Voltage, Supply Current, Device Current”，在“有效信號(hào)”欄中選擇信號(hào)“ui”、“ut”、“uc”、“uo”、“uo1”、“uo2”、“uo3”、“uo4”、“uy”、“uth”，在“仿真瀏覽設(shè)置”欄中選中“顯示激活信號(hào)”；再單擊“動(dòng)態(tài)/傅立葉特性分析”標(biāo)簽，刪去“默認(rèn)設(shè)置”、“傅立葉特性分析”選項(xiàng)，選擇“動(dòng)態(tài)/傅立葉特性分析”選項(xiàng)，取“起點(diǎn)時(shí)間”、“停止時(shí)間”、“仿真步長(zhǎng)”、“最大仿真步長(zhǎng)”分別為：“0”、“6.5”毫秒、“50”微秒、“50”微秒，然后單擊“運(yùn)行仿真”便可完成仿真測(cè)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(hào)，“uy”是輸入至示波器垂直通道的被測(cè)信號(hào)。由圖4可知，“uth”的上升沿與模擬開(kāi)關(guān)控制信號(hào)“uo1”、“uo2”、“uo3”、“uo4”的邊沿對(duì)齊；“uo1”為高電平時(shí)，屏幕(uy)顯示通道Y1的被測(cè)信號(hào)“ui”；“uo2”為高電平時(shí)，屏幕(uy)顯示通道Y2的被測(cè)信號(hào)“ut”；同理“uo3”、“uo4”為高電平時(shí)，屏幕(uy)分別顯示通道Y3、Y4的被測(cè)信號(hào)“uc”、“uo”，四信號(hào)直流電位不同，使得它們?cè)谑静ㄆ髌聊淮怪狈较蛏暇鶆蚍植肌?/p>
3.2 用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件Multisim10對(duì)電路進(jìn)行仿真
采用Mutisim10對(duì)圖2所示電路系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，需要先對(duì)圖2中的模擬開(kāi)關(guān)S11、S12，S21、S22，S31、S32，S41、S42及其驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)靥鎿Q處理。
選用Mutisim10中的虛擬示波器對(duì)電路系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試，其測(cè)試步驟是，首先調(diào)出仿真儀器庫(kù)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(kāi)虛擬示波器的操作界面進(jìn)行下列操作，“時(shí)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(biāo)準(zhǔn)”，“邊沿”選擇“上升沿”或“下降沿”、“外部”，“電平”選擇“1V”。之后點(diǎn)動(dòng)仿真開(kāi)關(guān)，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(gè)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(hào)ut、時(shí)間電容電壓uc、輸出電壓uo波形，它們按設(shè)計(jì)要求依次顯示在示波器屏幕上，真實(shí)重現(xiàn)了電路中不同點(diǎn)信號(hào)波形及其頻率、幅值、相位情況，用通用示波器實(shí)現(xiàn)了多蹤測(cè)量。
利用EDA軟件對(duì)電路系統(tǒng)進(jìn)行仿真，若遇到“Timestep too small run simulation(s) aborted”仿真錯(cuò)誤，可反復(fù)調(diào)整“Stop Time”、“Step Time”、“Maximum Step”參數(shù)，若錯(cuò)誤仍不能消除可適當(dāng)減少測(cè)試信號(hào)，直至仿真成功。之后在仿真結(jié)果欄選擇“Browse Simdata”標(biāo)簽，在“Waveforms”欄選中剛才去掉的測(cè)試點(diǎn)，點(diǎn)擊“Show”按鍵，即可顯示出需要的測(cè)試點(diǎn)波形，依次如此操作便可把所有減少的測(cè)試點(diǎn)波形顯示出來(lái)；當(dāng)電路中有大容量電容，遇到仿真錯(cuò)誤時(shí)，可適當(dāng)減小電容的容量，錯(cuò)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(yīng)理解示波器“常態(tài)”情況下的觸發(fā)掃描原理、“釋抑時(shí)間”等知識(shí)、概念，同時(shí)能熟練掌握相應(yīng)的操作技能。實(shí)際測(cè)試時(shí)分別將轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的信號(hào)“uy”、觸發(fā)信號(hào)“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(cè)信號(hào)。
當(dāng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作在四通道狀態(tài)時(shí)，S5開(kāi)關(guān)置“4”位置；當(dāng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作在三通道狀態(tài)時(shí)，S5開(kāi)關(guān)置“3”位置。
通用示波器的垂直工作模式應(yīng)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(dāng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作在四通道狀態(tài)時(shí)，Y1通道的輸入信號(hào)最低頻率應(yīng)大于800Hz，并且被測(cè)信號(hào)的周期Ty與Sx應(yīng)確保32Ty大于10Sx；當(dāng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作在三通道狀態(tài)時(shí)，Y1通道的輸入信號(hào)最低頻率應(yīng)大于600Hz，Ty與Sx應(yīng)保證24Ty大于10Sx，依此就可以穩(wěn)定地顯示出四（或三）個(gè)被測(cè)信號(hào)波形，否則，波形會(huì)呈現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)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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