示波器通道扩展器的研究

于洪基+杨润耀+李喜乐

摘要：根据被测信号叠加不同直流量来产生不同偏移量，从而使被测信号显示在示波器显示屏的不同位置的基本原理，利用十六进制计数器74LS161以及模拟开关74HC4052等完成了示波器的通道扩展，使一路通道（CH1或CH2）可同时显示四路被测信号波形。

关键词：示波器；通道扩展；直流偏移量；计数器；模拟开关

示波器通道扩展器，顾名思义，是一个能使普通双踪示波器的一个通道（CH1或CH2通道）同时显示出多路信号（模拟信号或数字信号）的扩展器。示波器作为显示被测信号波形的基本仪器，其用途之广、作用之大，可想而知；但实验室现有示波器一般只有两路通道，就使得同时观测、对比多路波形出现困难，故本文提出一种通道扩展的方法。

本文以同时显示四路信号为基础进行说明。基本功能为：显示四路低频（Hz~KHz）模拟信号，且信号峰峰值小于5V；同时也可显示四路低频（Hz~KHz）数字信号，能产生字触发信号，作为示波器外接触发源；具有自检功能（用74161产生四路数字信号，作为被测电路）；可调节波形在示波器显示屏上的上下位移。

其工作原理为：被测信号叠加不同的直流量可以产生不同偏移量，从而显示在示波器显示屏的不同位置。被测信号和直流量由模拟开关输入，根据其地址选择分别在X端口和Y端口输出阶梯波和被测信号。模拟开关选用74HC4052，因其速度较快。

第一部分为时钟产生电路，为十六进制计数器74LS161提供时钟信号。也可以采用NE555设计出多谐振荡电路或直接用晶振（1M）产生脉冲信号，但在测试过程中发现，虽然晶振可以提高输入频率，但由于电路中各种芯片的频率限制，使得输出波形失真严重且不稳定，故输入频率不可太高，因此采用555的多谐振荡电路来产生脉冲信号比较稳定。

第二部分为地址信号产生电路，由74LS161构成，由于74LS161可以通过四位二进制输出来计时钟沿的个数，就利用其两位输出Q1、Q0作为多路模拟开关74HC4052的地址。

第三部分为模拟开关电路。74HC4052为双回路模拟开关芯片。在该芯片的封装中，一路为直流通道，另一路为信号通道。将直流输入设计为由2K、1K、1K、1K组成的权电阻分压网络，分别取出3V、2V、1V、0V的直流电压，作为输入信号所要叠加的直流分量。另一路信号通道的输入则接被测信号，包括模拟信号和数字信号，通过地址信号Q1、Q0对两回路信号同步地进行选通。

第四部分主要实现被测信号衰减分分档功能，由LF356实现。被测信号经74HC4052的信号选通后由LF356进行放大或衰减处理，通过改变反馈电阻10K、10K、39K、62K、62K对其进行放大或衰减。改变反馈电阻的方式为用四路波段开关分别选择，以实现不同增益的控制。

第五部分是由LF356构成反相加法器电路，将放大或衰减后的被测信号与不同的直流量叠加，产生不同的偏移量，使被测信号显示在示波器显示屏的不同位置，从而实现一个通道显示四路信号。

对于自检功能，通过增加一片74LS161，其四位输出作为被测信号。将第一片计数器的进位信号与其连接，从而降低输入四路数字信号的频率，保证四路信号清晰不重叠地显示在示波器上。

以上的设计已经能够实现基本功能，为了能随意调节被测信号的偏移量，反映到波形显示上，即可调节波形在示波器显示屏上的上下位移，有两个方案可以实现：

一是在权电阻网络结点处连接两个LF356，构成两个反相比例电路，调节电位器可改变直流分量大小。具体做法为：在74HC4052直流输入端经过电阻分压网络分别取出3V、2V、1V、0V的直流电压后，在3V、2V、1V、0V电压结点处分别连接两个LF356，第一个运放实现电压的放大和衰减，但由于是反相比例，经过第一个运放后，电压被反相输出，因此，第二个运放实现电压再反相，即恢复到原来的电压方向。这样就实现了所要叠加直流分量的放大和衰减。

二是将权电阻网络的电阻换为电位器，将电位器的中间引脚电压作为模拟开关直流输入量。引出中间引脚可以使总电阻不变，改变对应电位器阻值，可调节输入直流量，从而实现波形的上下位移。

对比两个方案，可发现：方案一较方案二来说，所用元器件较多，但可调范围大，应用性好；方案二电路简单，所用元器件少，但根据权电阻网络分压特性可知，该方案位移调节范围窄，在实际应用中不方便，有很大局限性。故采用可调范围更大的方案一。

综上所述，该“示波器通道扩展器”由单路直流电源供电，功能上可实现一个通道清晰不重叠地显示四路低频（Hz~KHz）信号波形（数字信号和模拟信号），并且具有自检功能；具有模拟信号放大衰减分档功能，防止信号失真；同时，还可以分别调节四路信号波形的上下位移。本设计实用性高，成本较低，可作为示波器通道扩展研究的基本模块。

参考文献

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