摘 要
随着电子技术的发展及人们在这方面学习和实践的深入,设计者在实践中所遇
到的问题日趋复杂, 以致简单仪器已经无法解决。示波器无疑是解决这些问题的必
备仪器，但高昂的价格却限制了它的普及，特别是它在个人用户如从事电子设计
的工程师、学生中的普及。因此如何设计一款低成本的实用的示波器将是本文要
探讨的内容。
本文提出了一套完整的虚拟数字示波器硬件设计方案，并最终完成了低成本
虚拟数字示波器的设计，制作出虚拟数字示波器工程样机一台。
本数字示波器的带宽为 1MHz，采样速度最高 20Msa/s ，精度 8 位，能测量 0
－20Vpp 的信号，档位在上位机软件控制下无接触自动切换。信号采集及存储电
路由 MSP430F247 、EMP240 （CPLD）、TLC5510、IS61LV256 等组成，在 FIFO
逻辑电路控制下自动完成触发电平捕获、数据高速存储、采样停止等。在
MSP430F247 控制下，系统完成协议解析、数据的读取、预处理，并最终将数据发
送到上位机显示。与此同时采样的开始与停止，采样的速率和触发门限等均由主
控制器 MSP430F247 控制。系统具有三种采样方式，能完成毛刺捕获。测试证明，
本设计能满足一般的测量应用。
第三章信号调理电路方案测试论证与设计 9
第三章 信号调理电路方案测试论证与设计
3.1 器件测试
3.1.1 运放性能测试
信号调理电路是设计的难点，要考虑到功耗、带宽、稳定性等多方面问题。
◆ 功耗论证
要对信号进行缩放，通常用到运算放大器。为方便用户使用本系统直接通过
电脑USB 取电，输出电压+5V ，最大输出电流 500mA 。在不致使电路复杂化的情
况下，这必然要求系统电源保持在 5V 以下。又考虑到输入信号有正负之分，故不
采用单电源运放或双电源的运算放大器的单电源接法，而采用正常的双电源接法。
使用 ICL7660 可产生－5V 的电源。因此只要选择最小电源电压为±5V 以内的双
电源运算放大器就可以了。剩下的问题便是带宽和功耗。经过选择，视频放大器
NE5532 比较合适。其具体参数如表3.1 所示
◆ 带宽测试
参数表提供的带宽参数为单位增益积，这个参数表示的是运算放大器开环增
益降为 1 时的对应信号频率，根据闭环增益公式：
NE5532 的单位增益带宽为 10MHz，对于本系统的设计，要求衰减在－3dB 内。
为得到NE5532 的－3dB 带宽（又称全功率带宽，The full-power bandwidth ），现
对其进行如下测试： 
◆ 稳定性测试
在带宽测试过程中，发现运算放大器有轻微的频率失真，为确保系统在使用
条件着差时仍能正常工作，进行如下测试，为电路设计作参考。测试只记录了几
个敏感频率的波形。
测试电路：如图 3.3，高的闭环增益往往会使运算放大器的频率性能变差，在
此选择增益G ≈15 ；
测试条件：U 200mV ，室温，测试时间2009-4-15 。
i p−p
测试工具：RIGOL 数字示波器 DS1052E ，RIGOL 数字信号源。
3.2 耦合
耦合控制电路决定输入信号从示波器的BNC 接口输入端连接到内部信号衰减
与放大电路的方式。耦合控制可以有三种设置方式，即 DC 耦合、AC 耦合和接地。
DC 耦合方式为信号提供直接的连接通路。因此信号的所有分量(AC 和 DC)都会输
入后级信号链路，最终影响示波器的波形显示。AC 耦合方式则在 BNC 端和衰减
放大电路输入端之间串联一个电容。这样，信号的 DC 分量就被阻断，而信号的低
频 AC 分量也将受阻或大为衰减。这一耦合方式有利于观察大的直流信号中混杂的
交流小信号。示波器的低频截止频率就是示波器显示的信号幅度仅为其真实幅度
的 71%时的信号频率。示波器的低频截止频率主要决定于其输入耦合电容的数值
和输入阻抗。示波器的低频截止频率典型值为 1OHz.
耦合控制电路的另一个功能是输入接地功能。这时，输入信号和衰减器断开
并将衰减器输入端连至示波器的地电平。当选择接地时，在屏幕上将会看到一条
位于 0V 电平的直线。这时可以使用上位机界面上的滑条来调节这个参考电平或扫
描基线的位置。
本系统中耦合电路完全由上位机软件控制，用户无需调节物理结构，而只需
在上位机软件界面上操作。这样既保证了用户在测量大信号时的安全，又不至因
用户接触物理结构时引入干扰，影响系统的正常工作。
3.3 放大与衰减
示波器要能测量低电压信号（比如 200mVpp 信号）和电压较高的信号（比如
20Vpp 信号），那么在输入量和 TLC5510 所允许的最高输入测量电压（2Vpp ）之
间，将存在不匹配，所以在信号调理部分，必须设置衰减和放大电路;在本系统中，
设置了两级衰减或放大，由继电器控制切换。第一级进行 3/20 衰减、3/10 衰减、
3/5 衰减和 3/2 增益，第二级实现单位增益和 10 倍增益。 通过组合完成对信号
× × × × × × ×
的 15、 6、 3、 3/2、 3/5、 3/10、 3/20 操作，对应 200mVpp 、500mVpp、
1Vpp、2Vpp 、5Vpp、10Vpp、20Vpp 等 7 个档位。这样，系统就能完成 0 －20Vpp
宽范围信号显示。
总控制部分
主控制部分是本系统的关键部分之一，系统的一切活动，包括开机自检、初
始化、档位的控制、采样启停的控制、采样速度的控制、数据传输等等，都在主
控制器的控制下有条不紊地进行。可以说总控制部分的稳定性决定了整个系统能
否正常工作。
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