有多種軟件包可以使個人計算機(PC)中的立體聲聲卡提供類似示波器的顯示，但低采樣速率、高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和交流耦合前端最適合20kHz及以下的可用帶寬。現(xiàn)在，這種有限的帶寬可以擴展——針對重復(fù)波形，可以在聲卡輸入前使用一個采樣前端。利用高速采樣保持器(SHA)對輸入波形進(jìn)行二次采樣，然后通過低通濾波器重建波形，并使其平滑，可以有效延展時間軸，使PC能夠用作高速采樣示波器。本文描述一種能夠?qū)崿F(xiàn)這種改造的前端和探頭。
圖1所示為一個插入式附件的原理圖，它可以配合典型PC聲卡采樣使用。每個示波器通道使用一個高速采樣保持放大器AD783 SHA的采樣信號由時鐘分頻器電路的數(shù)字輸出提供，下文將通過一個例子說明。AD783輸入由一個FET緩沖，因此可以使用簡單的交流/直流輸入耦合。在所示的兩個通道中，當(dāng)直流耦合跳線開路且輸入為交流耦合時，1MΩ電阻（R1和R3）提供直流偏置。采樣輸出由圖中所示的雙極點有源RC網(wǎng)絡(luò)低通濾波。該濾波器不必是一個有源電路，但所示的濾波器能夠提供有益的緩沖低阻抗來驅(qū)動PC聲卡輸入。
圖1. 雙通道模擬采樣電路
AD783 SHA提供高達(dá)數(shù)MHz的可用大信號帶寬。輸入端的有效壓擺率約為100V/µs以上。采用±5V電源時，輸入/輸出擺幅至少為±3V。對于500mVp-p以下的擺幅，小信號3dB帶寬接近50MHz。
利用圖1所示的前端電路以及采用Visual Analyser1軟件的PC聲卡，可以得到一個以1MHz頻率重復(fù)的2MHz單周期正弦波。采樣時鐘以80.321kHz的采樣速率提供250ns寬的采樣脈沖。這里的有效水平時基為333ns/分頻比。例子中使用的PC聲卡采用SoundMax編解碼器，其采樣速率為96kSPS。本例中，有效采樣速率約為40 MSPS。
采樣時鐘發(fā)生器示例
AD783要求一個寬度為150ns至250ns的窄正采樣脈沖。為使顯示的波形保持穩(wěn)定，無來回跳動，采樣脈沖必須非常穩(wěn)定，抖動很低。這一要求往往將可能的時鐘選擇限定于晶體振蕩器。另一個要求是采樣速率可以在略低于100kHz到大約500kHz的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整或調(diào)諧。為使下采樣信號落在聲卡的20Hz到20kHz音頻帶寬內(nèi)，采樣頻率間的調(diào)諧步進(jìn)必須較為精細(xì)。
圖2. 采樣時鐘分頻器電路
一個N分頻電路和一個頻率介于10MHz到20MHz的晶體振蕩器(IC4)，可以提供從80kHz到350kHz的多達(dá)200種或更多的不同采樣速率，步進(jìn)大小介于300Hz到5kHz之間。本例使用兩個4位二進(jìn)制升降計數(shù)器74HC191，N可以是4到256之間的任意整數(shù)。也可以使用74HC190等十進(jìn)制計數(shù)器，其引腳排列與74HC191相同，可以提供4到100的N值。分頻比利用兩個十六進(jìn)制開關(guān)S1和S2設(shè)置。開關(guān)S3設(shè)置計數(shù)器是遞增還是遞減計數(shù)。電阻R1 (250Ω)和電容C1 (68pF)給引腳計數(shù)輸出增加一個很短的延遲，經(jīng)過該延遲后，引腳計數(shù)輸出加載起始計數(shù)值。74HC00的四個NAND門用于實現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)模式，當(dāng)R12為2.7kΩ且C2為68pF時，單穩(wěn)態(tài)模式提供200ns的采樣脈沖。
IC4是固定頻率金屬帽殼晶體振蕩器。另一種方法是使用CMOS反相器(74HC04)和分立晶體X1來構(gòu)成一個振蕩器。這種方法使用的元件雖然多于一體式金屬帽殼振蕩器，但它支持通過調(diào)整電容C1來調(diào)節(jié)晶體頻率，從而實現(xiàn)精密的頻率調(diào)諧。
為了消除機械可變元件，D1可以使用變?nèi)荻䴓O管，其電容取決于電壓。
電路供電
重構(gòu)濾波器使用的AD783和放大器需要雙電源供電�？梢允褂�6節(jié)AA電池，3節(jié)提供+4.5V電源，另外3節(jié)提供–4.5V電源�；蛘�，也可以使用單個9V電池，利用一個電阻分壓器來提供作為地的中間電源電壓，這將需要由一個運算放大器進(jìn)行緩沖才能提供電路所需的地電流。第三種方法是使用一個可調(diào)線性調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生相對于電池負(fù)極的約4.5V電壓，用作接地基準(zhǔn)。
第四種方法是使用備用PC或筆記本電腦USB端口提供的+5V電源。–5V電源可以由DC/DC電壓逆變器產(chǎn)生，例如ADI公司的ADM8829。應(yīng)特別注意避免受到DC/DC電壓逆變器產(chǎn)生的開關(guān)噪聲干擾。
輸入衰減器
AD783的小信號增益遠(yuǎn)高于全擺幅帶寬。通過在采樣器之前插入一個10:1阻性衰減器以限制最大信號帶寬，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)超過20MHz的可用帶寬。多家公司提供成本相對較低的示波器探頭，如Syscomp Electronic Design, Ltd2等。下面是筆者撰寫本文時獲得的信息：
. Syscomp Electronic Design生產(chǎn)的40MHz帶寬、1×/10×可切換型示波器探頭(P6040)，每對價格$29.99。
. HobbyLab3生產(chǎn)的20MHz 10:1版本示波器探頭(GT-P6020)，每對價格$19.50。
. Gabotronics.com生產(chǎn)的100MHz P2100和60MHz P2060通用探頭，每種價格約$10.00。
查詢進(jìn)一步信息，請訪問官方網(wǎng)站http://www.analog.com/library/analogDialogue/china/archives/45-11/soundcard.html。
