Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2012
Doug Mercer, Analog Devices
Существует множество программ, с помощью которых персональный компьютер со звуковой картой можно превратить в осциллограф, но низкая частота преобразования и высокое разрешение АЦП звуковой карты, а также схемы согласования, оптимизированные для частот не более 20 кГц, ограничивают полосу пропускания. Однако для повторяющихся сигналов полосу пропускания можно значительно расширить с помощью стробоскопической приставки, включаемой перед входом звуковой карты компьютера. Последовательное стробирование мгновенных значений сигнала высокоскоростным усилителем выборки и хранения (УВХ), и последующая фильтрация низких частот для восстановления и сглаживания сигнала эффективно «растягивают» ось времени, позволяя использовать персональный компьютер в качестве высокоскоростного стробоскопического осциллографа. В статье мы рассмотрим схему приставки и щупы, обеспечивающие соответствующую адаптацию.
На Рисунке 1 изображена схема приставки для типовой звуковой карты компьютера. В ней используется по одному высокоскоростному УВХ AD783 на каждый канал осциллографа. Стробирующий сигнал для УВХ поступает с цифрового выхода делителя схемы тактирования, которую мы рассмотрим ниже. Вход усилителя AD783 буферизирован полевым транзистором, что позволяет легко организовать как отрытый, так и закрытый вход осциллографа. В двух каналах, показанных на схеме, резисторы R1 и R3 номиналом 1 МОм задают постоянное смещение для режима закрытого входа, когда джамперы, шунтирующие входные конденсаторы С1 и С3, разомкнуты. На выходах каждого УВХ показаны активные RC фильтры низких частот. В принципе, необходимости именно в активных фильтрах в данной схеме нет, но усилители выполняют здесь роль низкоимпедансных буферов для передачи сигналов в звуковую карту.
 |
|
| Рисунок 1. | 2-канальная схема выборки аналоговых сигналов. |
Полоса пропускания УВХ AD783 для большого сигнала составляет несколько мегагерц. Эффективная скорость нарастания входного напряжения порядка 100 В/мкс, размах входного/выходного сигнала при питании ±5 В не менее ±3 В. Малосигнальная полоса пропускания по уровню 3 дБ и размахе сигнала не превышающем 500 мВ примерно равна 50 МГц.
На Рисунке 2 представлена осциллограмма, иллюстрирующая совместную работу приставки со звуковой картой персонального компьютера под управлением программы Visual Analyser [1]. На вход приставки подается синусоидальный сигнал 2 МГц, модулированный однополярными синусоидальными импульсами с частотой повторения 1 МГц. Схема стробируется импульсами длиной 250 нс с частотой 80.321 кГц. Эффективная скорость горизонтальной развертки равна 333 нс/дел. Звуковая карта в этом примере использует кодек SoundMax с частотой дискретизации 96000 выборок в секунду, а эффективная частота дискретизации составляет 40 млн. выборок в секунду.
 |
|
| Рисунок 2. | Синусоидальный сигнал 2 МГц, модулированный однополярными синусоидальными импульсами с частотой повторения 1 МГц. |
Рисунок 3 демонстрирует синусоидальный сигнал 4 МГц, модулированный колоколообразными импульсами с частотой повторения 1 МГц. Параметры стробирования те же, что на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 3. | Синусоидальный сигнал 4 МГц, модулированный колоколообразными импульсами с частотой повторения 1 МГц. |
Пример генератора строба выборки
УВХ AD783 требует узких стробирующих импульсов шириной 150 … 250 нс. Причем, импульсы должны быть очень стабильными, с малым джиттером, чтобы отображаемая на экране осциллограмма была устойчива и не «прыгала» вперед и назад. Это требование накладывает определенные ограничения на выбор кварцевого генератора. Другое требование заключается в том, что частота дискретизации должна быть регулируемой или подстраиваемой, и захватывать диапазон от частот, чуть меньших 100 кГц, до значений порядка 500 кГц. Шаг настройки частоты дискретизации должен быть достаточно мелким, чтобы преобразованные сигналы попадали в полосу пропускания звуковой карты 20 Гц … 20 кГц. С помощью изображенной на Рисунке 4 схемы и кварцевого генератора частоты 10 … 20 МГц (IC4) можно получить не менее 200 промежуточных значений в диапазоне 80 … 350 кГц при шаге от 300 Гц до 5 кГц.
 |
|
| Рисунок 4. | Схема синхрогенератора, делителя частоты и формирователя строба выборки. |
В этом примере используются две микросхемы двоичных 4-разрядных реверсивных счетчиков 74HC191, с помощью которых можно получить целочисленный коэффициент деления N от 4 до 256. В качестве альтернативы можно взять декадные счетчики с аналогичным расположением выводов, такие как 74HC190, но диапазон коэффициентов деления тогда сократится до 4 … 100. Коэффициент деления задается двумя шестнадцатеричными переключателями S1 и S2. Переключатель S3 предназначен для выбора направления счета – вверх или вниз. Резистор R1 (250 Ом) и конденсатор C1 (68 пФ) задают небольшую задержку, гарантирующую надежную асинхронную загрузку в счетчики начальных значений импульсами переноса старшего каскада делителя (IC1). С помощью образующих ждущий мультивибратор четырех вентилей 2И-НЕ микросхемы 74ALS00 формируются стробирующие импульсы, ширина которых при R12 = 2.7 кОм и С2 = 68 пФ равна 200 нс.
IC4 – это кварцевый генератор с фиксированной частотой настройки в 14-выводном герметичном металлическом корпусе. Генератор может быть сделан и из дискретных компонентов. Один из вариантов с кварцевым резонатором X1 и КМОП инверторами 74HC04 показан на Рисунке 5. Такое решение, безусловно, требует большего количества компонентов, но зато, позволяет подстраивать генератор, затягивая частоту регулировкой конденсатора C1.
 |
|
| Рисунок 5. | Дискретный кварцевый генератор с механической подстройкой. |
Если изменить схему генератора так, как показано на Рисунке 6, добавив варикап D1 – специальный диод, емкость которого зависит от приложенного напряжения смещения, – появится возможность производить настройку не механическим, а электронным способом.
 |
|
| Рисунок 6. | Дискретный кварцевый генератор, подстраиваемый напряжением. |
Часть 2 - Восстанавливающие фильтры, варианты питания схемы согласования и входные аттенюаторы
