CN107179519A - 一种用于数字示波器的通道校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于数字示波器的通道校准装置，在数字示波器通道电路的前端设置信号选择控制电路，在数字示波器正常工作时，选择被测信号作为通道电路的输入信号，当进行通道校准时，选择校准电压作为通道电路的输入信号；还包括两级放大结构，第一级差分放大器设置在衰减器后，用于粗调，每个量程对应一个固定的增益值；第二级可编程增益放大器设置在差分放大器后，用于细调，实现对通道增益的校准，可编程增益放大器的输出端连接ADC。本发明提出了一种用于数字示波器的通道校准装置及方法，可提供用于通道校准的电压输出，并通过程序控制自动完成通道在不同输入阻抗、不同垂直量程的校准，大大提高了校准效率。

Description

一种用于数字示波器的通道校准装置及方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种用于数字示波器的通道校准装置，还涉及一种用于数字示波器的通道校准方法。

背景技术

数字示波器作为一种通用的基础仪器，应用于多种场合下的信号测量。现有示波器的通道部分原理如图1所示，外部输入的待测信号经过阻抗变换后，进入衰减器，根据当前的量程，选择衰减倍数，不同的量程对应的衰减倍数可以为直通、10倍衰减或100倍衰减，然后将衰减后的信号送入差分放大器，加入偏移调节信号后送入ADC，进行信号的采样。

阻抗变换电路包括50欧、1M欧的输入阻抗选择。衰减器主要根据当前的量程来确定需要的衰减倍数，需要与后一级的差分放大器综合考虑，从而确定整个通道的衰减或放大倍数。

通常来说，示波器的垂直量程是根据1、2、5步进的，在50欧姆输入阻抗时，示波器最大垂直量程可到1V，最小量程为1mV。以ADC满幅电压500mV为例，对于1V量程，垂直对应8格，则当前的满量程对应电压幅度为8V，将衰减器设置为10倍衰减，则进入差分放大器的信号为800mV，800mV/500mV＝1.6，这时要求差分放大器要再进一步衰减1.6倍才能满足ADC输入电压的要求。如此之后，一个幅度为8V的信号，经过通道电路的调理，送入ADC的就是一个幅度为500mV的信号，对应了ADC的满幅电压，最终显示在屏幕上的就是一个8格幅度的波形。那么对于1mV的量程来说，满量程为8mV，这时将衰减器设置为直通，500mV/8mV＝62.5，这时要求差分放大器的要进行62.5倍的放大才能满足ADC输入电压的要求。由此可知，对于不同的量程，要求通道电路进行相应的放大或衰减处理，从而满足ADC输入的要求。

在通道电路设计中，衰减器基本固定为直通、10倍衰减或100衰减，由于不同量程要求整个通道的衰减、放大倍数是不同的，因此差分放大器一般使用数控可调增益放大器，通过对差分放大器的调整，以满足整个通道的最终衰减、放大要求，从而实现对信号的准确测量。

但在使用过程中，因使用环境的不同，示波器内部电路的工作特性存在一定的差异，并且随着使用时间的增加，因器件老化等原因，也会引起电路的工作特性发生变化，因此为保证测量的准确性，需要对示波器的通道进行校准。

示波器的通道校准包括零点校准、偏移校准和增益校准。零点校准是在无输入信号时，通过偏移调节的电压控制使示波器的基线位于屏幕中心对应的零点位置。偏移校准是在输入当前量程对应的正向满幅直流电压时，通过偏移调节的电压控制使直流波形显示在屏幕中心。增益校准是在输入当前量程对应的正三格幅度直流电压时，通过差分放大器的增益调节，使直流电压波形显示在屏幕正三格的位置。

而采用上述的电路设计进行通道校准时，需要外接校准信号源，在不同量程时还需要调整信号源的输出信号幅度，由于示波器的通道一般有50欧、1M欧两种阻抗的输入方式，同一输入阻抗下又包括多个垂直量程，因此，采用这种手动调节信号输出逐一量程校准的方法，不仅复杂而且费时，大大降低地校准效率。

发明内容

为解决上述现有技术的不足，本发明提出一种用于数字示波器的通道校准装置及方法，可提供用于通道校准的电压输出，并通过程序控制自动完成通道在不同输入阻抗、不同垂直量程的校准，提高了校准效率，为用户的使用带来便利，并进一步提升了产品的性能。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于数字示波器的通道校准装置，在数字示波器通道电路的前端设置信号选择控制电路，在数字示波器正常工作时，选择被测信号作为通道电路的输入信号，当进行通道校准时，选择校准电压作为通道电路的输入信号；

还包括两级放大结构，第一级差分放大器设置在衰减器后，用于粗调，每个量程对应一个固定的增益值；第二级可编程增益放大器设置在差分放大器后，用于细调，实现对通道增益的校准，可编程增益放大器的输出端连接ADC。

可选地，所述校准电压通过DAC与运算放大器的设计来实现。

可选地，16位的DAC芯片接入4.096V的参考电压，通过写入十六进制0～ffff范围的数值，输出0～4.096V范围的直流电压，输出电压计算公式为：

V₂₆₀₀＝K/2¹⁶*4.096V

其中，K为写入DAC的数值，范围为十六进制数值0～ffff；

DAC芯片输出电压接入运算放大器的正端，运算放大器的输出电压为：

V₈₅₁₃＝(V₂₆₀₀*(R2+R3)-4.096*R3)/R2

CPU通过设置DAC芯片的写入数值实现运算放大器输出电压的控制，运算放大器输出电压作为校准波形输出到通道电路的信号选择输入端。

基于上述装置，本发明还提出了一种通道校准方法，包括以下步骤：

步骤一、选择校准电压为输入信号；

步骤二、通道电路零点校准，校准电压输出设置为0V；

步骤三、CPU读取ADC采集数据，计算其平均值，若大于0V，则减小偏移电压的输出；若小于0V，则增大偏移电压的输出，最终使平均值为0V，记录此时的偏移电压为通道零点的校准值；

步骤四、通道增益校准，校准电压输出设置为当前量程的+3格电压；

步骤五、CPU读取ADC采集数据，计算其平均值，若大于量程的+3格电压，则减小可编程增益值；若小于量程的+3格电压，则增大可编程增益值，最终使平均值与量程对应的+3格电压值相等，记录此时的可编程增益值为通道增益的校准值；

步骤六、通道偏移校准，校准电压输出设置为当前量程的+4格电压；

步骤七、CPU读取ADC采集数据，计算其平均值，若大于0，则减小偏移电压的输出；若小于0，则增大偏移电压的输出，最终使平均值为0V，记录此时的偏移电压为通道偏移的校准值；

步骤八、CPU控制示波器通道电路，实现每个通道的50欧、1M欧输入阻抗，以及每个垂直量程完成上述校准，并记录相应的校准数据。

本发明的有益效果是：

可提供用于通道校准的电压输出，并通过程序控制自动完成通道在不同输入阻抗、不同垂直量程的校准，大大提高了校准效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的示波器通道原理框图；

图2为带有本发明通道校准装置的数字示波器通道原理框图；

图3为本发明的校准电压产生电路原理图；

图4为本发明的通道校准过程的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

示波器的通道校准包括零点校准、偏移校准和增益校准。示波器的通道一般有50欧、1M欧两种阻抗的输入方式，同一输入阻抗下又包括多个垂直量程，示波器的通道校准工作复杂并且费时，因此提高示波器的通道校准效率将为用户的使用带来便利，并可进一步提升产品的性能。

本发明的目的在于提出一种用于数字示波器的通道校准装置及方法，可提供用于通道校准的电压输出，并通过程序控制自动完成通道在不同输入阻抗、不同垂直量程的校准，大大提高了校准效率。

如图2所示，为实现示波器的通道校准，在通道电路的前端增加了信号选择控制电路，在示波器正常工作时，选择被测信号作为通道电路的输入信号，当进行通道校准时，选择校准电压作为通道电路的输入信号；同时为了提高示波器的幅度准确度，在差分放大器部分进行了两级设计，第一级相当于粗调，每个量程对应一个固定的增益值，第二级相当于细调，选择了一个小增益步长的可编程增益放大器，实现对通道增益的校准。

如图3所示，校准电压通过DAC与运算放大器的设计来实现。16位的DAC芯片LTC2600，接入4.096V的参考电压，通过写入十六进制0～ffff范围的数值，可输出0～4.096V范围的直流电压。输出电压计算公式为：

V₂₆₀₀＝K/2¹⁶*4.096V

其中，K为写入DAC的数值，范围为十六进制数值0～ffff。

运算放大器采用芯片AD8513，LTC2600输出的电压接入运算放大器的正端，运算放大器的输出电压为：

V₈₅₁₃＝(V₂₆₀₀*(R2+R3)-4.096*R3)/R2

图3中运算放大器的输入电阻R2和反馈电阻R3为相等的情况，此时运算放大器输出电压为：

V₈₅₁₃＝2*V₂₆₀₀-4.096

CPU通过设置LTC2600的写入数值即可实现运算放大器输出电压的控制。以600mV幅度为例，向LTC2600写入数值37568，即可控制AD8513输出600mV的电压，作为校准波形输出到通道电路的信号选择输入端。

如图4所示，本发明的通道校准的实现步骤如下：

步骤一、选择校准电压为输入信号；

步骤二、通道电路零点校准，校准电压输出设置为0V；

步骤三、CPU读取ADC采集数据，计算其平均值，若大于0V，则减小偏移电压的输出；若小于0V，则增大偏移电压的输出，最终使平均值为0V。记录此时的偏移电压为通道零点的校准值。

步骤四、通道增益校准，校准电压输出设置为当前量程的+3格电压；

步骤五、CPU读取ADC采集数据，计算其平均值，若大于量程的+3格电压，则减小可编程增益值；若小于量程的+3格电压，则增大可编程增益值，最终使平均值与量程对应的+3格电压值相等，记录此时的可编程增益值为通道增益的校准值。

步骤六、通道偏移校准，校准电压输出设置为当前量程的+4格电压；

步骤七、CPU读取ADC采集数据，计算其平均值，若大于0，则减小偏移电压的输出；若小于0，则增大偏移电压的输出，最终使平均值为0V。记录此时的偏移电压为通道偏移的校准值。

步骤八、CPU控制通道电路，实现每个通道的50欧、1M欧输入阻抗，以及每个垂直量程完成上述校准，并记录相应的校准数据。

本发明提出了一种用于数字示波器的通道校准装置及方法，可提供用于通道校准的电压输出，并通过程序控制自动完成通道在不同输入阻抗、不同垂直量程的校准，大大提高了校准效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于数字示波器的通道校准装置，其特征在于，在数字示波器通道电路的前端设置信号选择控制电路，在数字示波器正常工作时，选择被测信号作为通道电路的输入信号，当进行通道校准时，选择校准电压作为通道电路的输入信号；

还包括两级放大结构，第一级差分放大器设置在衰减器后，用于粗调，每个量程对应一个固定的增益值；第二级可编程增益放大器设置在差分放大器后，用于细调，实现对通道增益的校准，可编程增益放大器的输出端连接ADC。

2.如权利要求1所述的一种用于数字示波器的通道校准装置，其特征在于，

所述校准电压通过DAC与运算放大器的设计来实现。

3.如权利要求2所述的一种用于数字示波器的通道校准装置，其特征在于，

16位的DAC芯片接入4.096V的参考电压，通过写入十六进制0～ffff范围的数值，输出0～4.096V范围的直流电压，输出电压计算公式为：

V₂₆₀₀＝K/2¹⁶*4.096V

其中，K为写入DAC的数值，范围为十六进制数值0～ffff；

DAC芯片输出电压接入运算放大器的正端，运算放大器的输出电压为：

V₈₅₁₃＝(V₂₆₀₀*(R2+R3)-4.096*R3)/R2

CPU通过设置DAC芯片的写入数值实现运算放大器输出电压的控制，运算放大器输出电压作为校准波形输出到通道电路的信号选择输入端。

4.一种基于权利要求1至3任一项所述装置的通道校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、选择校准电压为输入信号；

步骤二、通道电路零点校准，校准电压输出设置为0V；

步骤三、CPU读取ADC采集数据，计算其平均值，若大于0V，则减小偏移电压的输出；若小于0V，则增大偏移电压的输出，最终使平均值为0V，记录此时的偏移电压为通道零点的校准值；

步骤四、通道增益校准，校准电压输出设置为当前量程的+3格电压；

步骤五、CPU读取ADC采集数据，计算其平均值，若大于量程的+3格电压，则减小可编程增益值；若小于量程的+3格电压，则增大可编程增益值，最终使平均值与量程对应的+3格电压值相等，记录此时的可编程增益值为通道增益的校准值；

步骤六、通道偏移校准，校准电压输出设置为当前量程的+4格电压；

步骤七、CPU读取ADC采集数据，计算其平均值，若大于0，则减小偏移电压的输出；若小于0，则增大偏移电压的输出，最终使平均值为0V，记录此时的偏移电压为通道偏移的校准值；

步骤八、CPU控制示波器通道电路，实现每个通道的50欧、1M欧输入阻抗，以及每个垂直量程完成上述校准，并记录相应的校准数据。