软件滤波器可提高信号测量的稳定性和精度

作者：Bob Dvorak

在高噪音或干扰大条件下，小型或嵌入信号测量有足够精度和(或)稳定性的稳定信号。本文介绍一个简单的软件滤波器，借助该软件滤波器，成本低廉的嵌入式控制系统能够大幅提高精密测量的稳定性。

最初开发下面算法是为了检测毫安培信号中的微安培变化，后来被用到多种不同的应用上。简单系统中的传统测量方法包括多样本平均或连续积分。

但存在的问题是：数据点的分散性可能太大，导致不能得到一个可重复的答案；某种类型的干扰(特别是大多数开关电源的干扰)将使综合后的结果(integrated answer)出现误差。

换句话说，真正的统计分析可能耗尽嵌入式处理器的资源。

该算法假定执行大量序列测量(比如近似连续的模数转换器(ADC)可能发出序列检测)的能力能平均分配以得到最终结果。少量的交叉处理(在等待下一个ADC结果的时候)和后处理可提供一个对大多数单个结果有利的结果。

存储阵列被分配用来为后续处理保存每一个结果。样本数量则根据不同需求和资源而有所不同。在获得最后样本之后，计算样本的算术平均值，并将每个样本(阵列元件)与平均值进行比较。对一个方向(>或者<)上的结果以及偏差进行累计(其平均值等于另一个方向的平均值)，根据下列公式计算平均值：

其中，A是修正过的结果，M是算术平均值，P是大于M的样本号，N是小于M的样本号，TD是由平均值得出的总偏差(仅绝对值和一个方向上的偏差)，而n是样本号。

例如，设想一个简单系统取10个样本，得到的结果是10、10、10、10、10、20、10、10、10和10。不考虑明显误差的结果可能会被删除这个事实，继续这个过程，得到的平均数是11。正样本数为1，负样本数为9(因此P?CN =－8)。从平均数得来的任一方向的总偏差是9。偏差系数是－72，该系数被n的平方(100)除，得到修正指数-0.72。

这个算法适应于随机散射，也适用于寄生干扰。请注意，正弦误差将导致P-N＝0，或者是平均数无偏差。对于许多数学家来说，一个有趣的家庭作业是用不同值的n来计算各种类型干扰的排斥比(rejection ratio)。

利用低噪声高精度模数转换器LTC2440测量低电平信号

作者：Michael Mayes，设计工程师，凌特公司

测量低电平小信号时通常需要可编程增益放大器对信号进行放大，但它会引入误差并增加系统成本与复杂性。本文介绍一种低噪声高精度Δ-Σ模数转换器，它可以直接接在传感器上，从而简化了系统设计，并降低整体成本。

可编程增益放大器(PGA)通常用于小信号输入系统(RTD、热电偶、张力计等)，这些系统需要一个输入范围宽的模数转换器，通常要放大传感器的输出电压，使其与ADC输入范围相称。ADC产生的输入噪声通过PGA增益会减弱，不过系统性能主要由PGA噪声性能以及它的偏置电压、满量程和线性性能决定。PGA会引入附加误差、漂移、增加成本并使电路复杂而降低系统的性能，此外，还需要调节传感器的失调/清零电压，防止产生放大器输出饱和及ADC输入溢出现象。因为PGA用来减低模数转换器产生的噪声，所以如果ADC噪声足够低，可以不用PGA，也就不必考虑它带来的不良影响。

如果不用PGA(及清零调节)，就要求转换器具备极佳的偏置、线性度、满量程精确度、漂移及噪声性能，转换器应该在输入满量程范围内有足够的分辨率，以便在大幅减少的输入范围保持高分辨率。这样，设计人员可以将传感器直接接在ADC上，只用到转换器一小部分输入范围，因而极大简化了模拟前端。通常整个输出范围的刻度数量决定了性能，刻度数可通过用传感器满量程输出电压除以模拟前端RMS噪声来决定。

LTC2440是一种新型Δ-Σ转换器架构，它与现有产品线管脚及时钟频率完全兼容。可编程过取样比(OSR)允许用户根据不同的应用调节速度和分辨率，通过一个简单的串行接口在6.9Hz/24.6位到3.5kHz/17位的十种速度/分辨率组合中进行选择(图1)。由于数字滤波器不会产生延时，因此转换器对选择的速度或外部输入信道于转换之间的变化做出反应时不会出现误差。

该ADC可在±2.5V输入范围(200nV_RMS)提供2,500万刻度或在±50mV输入范围提供50万刻度(与感应器偏置/清零电压无关)，具有极低的噪声，可以无需复杂的可编程增益放大器(PGA)。由于它的准确性(5ppm INL，1ppm偏置，10ppm满量程，都与输出速率无关)与灵活的输入范围(共模输入的GND对V_CC与V_REF无关)，极大简化了模拟前端电路。

运行在6.9Hz时，LTC2440的RMS在±2.5V输入范围具有200nV噪声水平，相当于2,500万个刻度，其优越的噪声性能使用户能以50万个刻度进行一次转换(不需要均分)，在±50mV范围内不会产生DC误差(图2)。由于LTC2440不需要PGA，可以维持很大的输入范围，因此很容易解决传感器的偏置电压和清零电压问题。它的偏置电压误差小于5μV，且与温度无关，满量程漂移在0.003%以内，小于0.2ppm/℃。极好的DC性能使其不需要外部的系统校准，可编程OSR使系统平滑改变转换率而不降低DC性能。运行在880Hz时，LTC2440在同样±50mV的范围内可以维持大约5万个刻度，然后OSR可在下一个转换时变为6.9Hz，精度不会受到影响(图3)。

输入抑制

高分辨率Δ-Σ ADC的共同特点是有一个片上数字低通滤波器，该滤波器对内部调节器取样率具有极好的抑制作用。在内部调节器取样率倍频处，令人讨厌的输入扰动几乎没有衰减就折回到DC部分(即混叠)。Δ-Σ转换器以输出速度的倍数对输入取样，这个倍数通常称为过取样比(OSR)。由于OSR通常很大(≥64)，因此数字滤波器可以对输入噪声源提供极好的抑制作用，并简化抗混叠要求。

通常高分辨率Δ-Σ ADC工作时的OSR固定在64到256之间，为了使这些器件能抑制50Hz与60Hz线路频率，调制器的取样率F_SAMPLE规定在线路频率的64至256倍(3.8kHz至15.3kHz)之间，加在输入端频率为F_SAMPLE的噪声混叠回到DC端会产生误差。对于给定的抑制频率，当OSR增加时，F_SAMPLE也会增加，从而降低抗混叠要求。

LTC2440内部取样时钟(F_SAMPLE)固定为1.8MHz，与输出速度无关。为了改变输出速度，需要改变内部OSR。当LTC2440运行在6.9Hz时，数字滤波器同时抑制50Hz和60Hz频率，此时OSR也很高(32,768)。取样率为1.8MHz时，与传统运行在较低OSR的转换器相比，LTC2440可提供更多抑制和更为简易的抗混叠。

出厂时已调好的片上振荡器运行在9MHz，F_SAMPLE设定在1.8MHz。如果在器件上增加一个外部振荡器，片上振荡器就可以忽略。假如外部振荡器设定为90kHz，内部取样率就减少为18kHz。当内部取样率是通常Δ-Σ转换器的倍数时，它会在60Hz提供大的输入抑制，LTC2440能够将频率抑制降到0.6Hz，这使得低通滤波器要求根本无法达到，需要外部电阻为兆欧级或电容为法拉级。除0.6Hz以上的抑制外，LTC2440前端模拟电路还含有一个断路器，它可以滤掉甚低频1/f噪声及偏置飘移。在上述条件下，LTC2440可以在噪声很大的环境下精确测量DC电压。

一个实际应用的例子是测量分流电阻的DC电流，任何0.6Hz以上直到采样速率的噪声都被抑制至少120dB。由于OSR很大(32,768)，所以抗混叠要求比较简单。如果Δ-Σ转换器采用低OSR数字滤波器在低于150Hz处对输入取样，抗混叠将极其困难。

由于外部振荡器运行在100kHz，又有很高的OSR，LTC2440在输入为±2.5V满量程时RMS噪声为200nV。通过一个1Ω电阻可以准确测量10⁶个电流值，而与低频系统噪声无关。灵活的共模输入范围使LTC2440可以将接近V_DD的信号进行数字化。

低电平信号数字化

通常与模数转换器有关的一个容易忽视和误解的问题是开关电容取样网络对性能的影响。Δ-Σ转换器的输入端像一个高频开关电容阵列，原则上转换器输入在取样周期(1/F_SAMPLE)内稳定下来，不会有误差，稳定时间由传感器源阻抗、输入端外部电容、ADC取样率以及内部取样电容大小决定。

高分辨率Δ-Σ转换器制造商创造了很多精妙的方法改进输入稳定时间，但在很多场合由于系统性能需要进行平衡折衷而使其无法应用。有些在信号通道上带有片上缓冲器，将开关电容阵列与外部电路隔离，但这样做的问题是会使输入信号量程限定在地电平几百mV之上到V_DD 1.5V以下，由于很多传感器的输出都超过这个范围，因此这些缓冲器都用不到。其他有的制造商试图通过在一个周期内对缓冲输出采取部分取样，然后对剩余部分进行精细取样的方法解决这个问题，虽然这样可以使输入信号接近地，但却会使放大器偏置和共模抑制产生稳定误差，造成信号在不同时间和温度下产生不同的误差。

由于以上原因，大多数系统设计人员选择屏蔽输入缓冲电路，而在外部对输入稳定过程进行处理。有些设计人员发现如果在输入端到ADC间去掉旁路电容，而将传感器直接接在转换器上，输入稳定误差就会不见，这种情形下，输入稳定误差不再由大的外部电容产生，而是由外部源电阻和内部取样电容产生，通常为几个pF数量级。

LTC2440可以直接将输出阻抗500Ω的传感器信号进行数字化处理，不会因输入稳定电流而产生误差，这样就可以直接对热电偶、RTD和350Ω电桥进行数字处理。对于远距离传感应用，LTC2440可以直接接在传感器上。它突出的共模和常模输入抑制使它可以直接连接，而不需要外部放大器、电平转换器和电容。可编程OSR技术不需要改变内部取样率就可以调节输出速度，因此输入稳定特性与转换速度无关。故而500Ω源阻抗信号可以用6.9Hz到3.5kHz的任何输出速度进行测量，输出电平和输入稳定特性都不会改变。

本文结论

LTC2440利用LTC2400产品系列特性，保持了精度、稳定性和易用性。为了实现与输出速率无关的高速度和高精度，它还结合了可编程OSR数字滤波器及高速模拟调制器。通过将OSR输出数据设定为880Hz，可使其有效分辨率达到21位(2μV RMS)。OSR设定最低时，LTC2440的输出数据速度为3.5kHz，分辨率有17位；OSR设定最高时，LTC2440输出数据速度为6.9Hz，同时有50Hz/60Hz抑制及24.6位有效分辨率(±2.5V输入范围内噪声为200nV_RMS)，相当于2,500万个刻度。通过将一个管脚电平定义为高或低(880Hz或6.9Hz)，或在同一管脚输入5位串行字(10种速度选择)，可对OSR进行编程，偏置、满量程、积分线性和功耗等都与速度选择无关，与速度无关的精度及无延时特性使用户能在转换过程中调整速度。例如LTC2440可以监控输出速度3.5kHz的快速移动信号，将它变成慢输出信号，以便得到低噪声读数，这对于监控不稳定输入、自动量程电路或一般数据采集系统都有很大帮助。

另外这种模数转换器的校正过程、配置寄存器、过滤器设置时间及外部振荡器等都可以省掉，同时在每个转换周期进行偏置和满量程自动校准，确保它们的精确性与时间、温度和电源电压无关。无延时Δ-Σ架构简化了多工应用，内部振荡器可以准确完成线频率闭锁，从而无需外部高频振荡器，避免了可能会产生的相关耦合问题。

四隔离通道示波器提供快速安全测量

美国泰克公司供稿

工程师和技术人员常常需要进行“浮动”测量，即测量的两个点都不处于接地电位。该测量也常称为差分测量。“信号公共线”与地之间的电压可能会升高到数百伏。此外，许多差分测量还要求抑制高共模信号，以便于评估低电平差分信号。多余的接地电流还会产生烦人的嗡嗡声和接地环路。用户常常借助那些存在潜在危险的测量技术来解决这些问题。 TPS2000 系列示波器使用创新的IsolatedChannel技术，具有4个隔离通道并使用电池供电的示波器，使得工程师和技术人员可以快速、准确、经济地进行多通道隔离测量始终将您的安全放在第一位。

“浮动”参考接地的示波器是通过使接地系统无效或使用隔离变压器，将“信号公共线”从地面断开，使示波器保护性接地系统无效的一种技术。

该技术使机壳、机柜和连接器等仪器可接触部件具有探头地线连接点的电势。该技术是危险的，不仅是因为它升高了示波器上存在的电压(操作人员可能会遭到电击)，还因为它向示波器的电源变压器绝缘体上累积了应力。

该应力不会立即引发故障，但是可能在将来引发危险的故障(电击和火灾)，即使将示波器恢复至正常地接地操作也无法挽回。不仅浮动参照接地的示波器很危险，并且通常该测量方法还不准确。该电势误差是由于在地线连接点处直接将示波器机壳的总电容与被测电路相连所致。

有几种产品可用来进行浮动测量，但是它们可能缺乏您需要的多功能性、准确性或经济性。此外，用户在选择合适的产品进行精确的浮动或差分测量时，需要考虑四项关键的测量注意事项：

1.差分测量的范围是多大？

2.共模差分测量的范围是多大？

3.探头的负载特征是什么？它们平衡还是不平衡？

4.整个测量频率范围上的共模抑制比 (CMRR) 是多少？

传统示波器的测试方法

传统示波器仅限于进行参照接地的测量。其原因是：大多数示波器的“信号公共线”终端与保护性接地系统相连接，通常称之为“接地”。这样做的结果是：所有施加到示波器上，以及由示波器提供的信号都具有一个公共的连接点。该公用连接点通常是示波器机壳，通过使交流电源设备电源线中的第三根导线接地将电压保持为(或非常接近于)零伏。它还意味着，所有测量都必须相对于接地进行，极少有例外情况。这就限制了典型示波器(至少在单一测量中)在测量两点(都不接地)间电势差中的应用。

一个常见但危险的做法是断开示波器的交流主电源线地线，并将探头地线连到一个测试点上。泰克强烈反对这种不安全的测量行为。不幸的是，此行为会将仪器底盘(不再接地)的电压提高为与探头地线相连的测试点电压相同。触摸仪器的用户就会成为接地的最短路径。假设V1是高于真实接地电压的“偏置”电压，而 VMeas是待测电压。根据被测单元 (UUT) 的不同，V1可能为数百伏，而VMeas则可能为几分之一伏。以此方式浮动机壳接地端会对用户、(被测单元)UUT 和仪器构成威胁。

此外，它违反了工业健康和安全规定，且获得的测量结果也差，何况交流供电仪器在地面浮动时会出现一个大的寄生电容。因此，浮动测量将受到振荡的破坏。

电池供电的示波器，如 TDS3000B 系列示波器，在使用标准电源线通过交流线路电源供电时，也会出现与传统示波器相同的局限性。但是，当需要进行示波器测量时，并不一定总能找到可用的交流电源。TDS3000B 系列示波器的可选电池组 (TDS3BATB) 使您可以在没有交流电源的情况下操作示波器。但是，它仅能进行最高为30VRMS 的安全浮动测量。

由此可见，传统示波器侧重于性能(带宽，多功能性)，牺牲了进行浮动测量的能力。示波器底盘上出现危险电压的浮动测量。“偏置电压”可能高达数百伏！同时，由寄生电感和电容引起的振荡会使信号失真，导致测量无效。

差分或隔离探头

差分或隔离探头提供了一种安全可靠的方式，使接地示波器可以进行浮动测量。两种探头的接触体都不需要接地，并且探头系统作为一个整体与示波器的机壳接地端隔离。差分探头为被测设备(DUT)提供了一个平衡阻抗负载。但是，它们对测量设备的成本和复杂性提出了新的要求。可能需要独立的电源，并且其增益和偏差特征必须作为因数计入每次测量。 配有差分探头的示波器侧重于性能和安全(带宽、隔离)，牺牲了外形构造的优势，如可移动性和成本。

信号完整性源自探头尖

示波器实际上是包含放大器，获取/测量电路，显示和探头在内的测量系统。探头的左右有时会被人们所忽略。但是，不正确的探头或者探测技术将会影响测量结果。很显然，必须使用与仪器的带宽和阻抗相匹配的探头。

常常被忽略的是探头的地线电感问题。随着地线长度增加，分布电感也会增加(图1中的Lparasitic)。Lparasitic 存在于信号通路中并与寄生电容一起形成LC共振电路。导线长度增大，寄生电感增加，震荡频率下降，导致“振铃”等对测量信号的明显的干扰。简单地说，只要待测电路允许，公共接线应该尽可能地短。

至于电容，即使隔离的电池供电的示波器也会存在对地的电容效应。在图1中，Cparasitic是示波器对参考地(通过隔离装置)的分布电容。与分布电感一样，Cparasitic 也必须保持最小，保证LC电路的共振频率尽可能高。如果 Cparasitic 很大，振铃可能出现在测试频率的范围，影响测量结果。一起对地的分布电容是由其内部设计所限制的。

环境特性也可能导致振铃。测量中手持仪器或者把仪器放在大的导电体表面上都将增大 Cparasitic 导致振铃。对于最敏感的测量，甚至需要将示波器悬挂在室外空气中！

浮动测量的新方法

在当今使用的宽带示波器系统中，最常用的隔离方法是双路方法，将输入信号分为两个信号： 低频和高频。 该方法需要每个输入通道都具有昂贵的光耦合器和宽带线性变压器。TPS2000 系列使用创新的 IsolatedChannel 技术，取消了双路方法，而对每个从直流到示波器带宽的输入通道仅使用一个宽带信号通路。 该技术正在申请专利。通过该技术，Tektronix 可以提供世界上第一批具有四个输入隔离通道、低成本并使用电池供电的示波器，该电池可供示波器连续工作八个小时。 对于需要进行四通道隔离测量，并希望获得由低成本并使用电池供电的示波器提供的性能和易用性的工程师和技术人员来讲，TPS2000 系列示波器是理想的选择。

TPS2000 系列的四隔离通道输入体系结构向“正”输入和“负基准”导线(包括外部触发输入)提供了真实且完整的通道间隔离。图2说明了隔离通道(IsolatedChannel)的概念。

电源控制电路(例如电机控制器、不间断电源和工业设备)中的浮动测量要求最为严格。在这些应用领域中，电压和电流可能大到足够对用户和测试设备造成威胁。

要保证测量质量，IsolatedChannel 技术是首选解决方案，并且该技术始终将您的安全放在第一位。 如果存在较大的共模信号，TPS2000 示波器将提供理想的解决方案。 有效的通道与通道隔离将寄生效应的影响降到最低，测量系统的容量越小，那么它与环境的交互影响也就越小。 完全隔离的电池供电的仪器本身并不涉及接地问题。 每个探头都具有一条与仪器底盘隔离的“负基准”导线，而不是使用一条固定的地线。 而且，所有输入通道的“负基准”导线都彼此隔离。 这是避免短路危险的最佳方法。 它还在最大程度上降低了信号弱化阻抗，而该阻抗会影响单点接地仪器中的测量质量。

无论使用电池电源还是通过交流电源适配器连接到交流电源，TPS2000 系列示波器的输入始终是浮动的。 因此，这些示波器与传统示波器所体现的限制并不相同。

使用DRT采集技术加速调试和测试

TPS2000系列示波器应用数字实时采集技术，使您可以在4个通道同时测量各种各样的信号类型。高达2GS/s实时采样率是TPS2024达到令人惊异的200MHz带宽的后盾。带宽/采样率的组合令示波器可以捕获高频信息，比如毛刺和边沿畸变，而其它同价位示波器望尘莫及，这样您可以得到信号全面的信息。

使用TPS2000系列示波器进行快速准确的浮地测量的电源控制电路使用大功率硅器件和低功率逻辑电路。作为大多数电源控制电路核心的开关晶体管要求在测量时不参考接地电压。而且，电电路和逻辑电路的接地点也可能不同(因此接地电平也是不同的)，而通常这两者必须同时测量。

除了显而易见的安全优势，TPS2000 系列的通道与通道隔离还提供了一个实际的测量优点。图4中的屏幕图像描述了在电源控制电路中两个不同点采集到的波形。注意，较低的波形是关于 200Ap-p 的，而较高的光迹大约为 5Vp-p。由于每个TPS 通道与其他通道(包括负基准导线)是完全隔离的，并各自配有可靠的数字实时数字化器，因此在两个信号之间不会发生串扰。 如果示波器通道未完全隔离，那么在200A信号到较小波形之间可能出现误导性的耦合信号，这些现象可能被曲解为电路问题，而实际上是仪器问题。 TPS 系列同时捕获具有很大幅度差异的两种波形的能力减少了臆测的成分，同时提高了作业效率。

谐波测量揭示不可见的功率问题

了解电网内的谐波对于安全经济的用电十分重要。大多数类型的电子设备都转而使用非线性电源，随着这一趋势在世界范围内的愈演愈烈，线路谐波越来越成为一个问题。 非线性负载(如开关电源)趋向于绘制非正弦电流。 它们的阻抗在每个周期的过程中都有所变化，生成的正弦波具有明显的正负电流峰值，而不是稳态正弦波曲线。 快速变化的阻抗和电流反过来也会影响电网中的电压波形。 所以，线路电压受到谐波的破坏，通常为正弦形状的电压波形可能会变得扁平或失真。 设备可以容忍的谐波失真数量是有限度的。

负载感应谐波可以导致电机和变压器过热、机械共振以及在三相设备的中性导线中产生危险的高电流。 此外，线路失真可能违反某些国家的规章标准。

通过 TPS2024 的全面、四通道能力，以及可选的功率分析软件，可以连接到三相系统的所有三根导线上，以便测量和分析线路谐波。 其使用单个按钮调用的“谐波”模式将捕获基频以及谐波 2 至 50。仅使用示波器的标准电压探头就可以执行谐波电压测量。 可选的电流探头同样可轻松地捕获电流谐波。

图4说明了电流谐波测量。幅度是通过仪器的内部 DFT(离散傅立叶变换)算法计算的。在这种情况下，条形图显示了非常强的第五次谐波电平。 过量的第五次谐波电平(以及某些其他奇次谐波)是三相系统中中性导线电流产生的一个传统原因。

功率读数不仅仅是瓦特

电压和电流测量从本质上讲是简单而又绝对的。测试点在给定的瞬时时间只有一个电压值和一个电流值。相反，功率测量则要依赖于电压、电流、时间和相位。 发明“无功功率”和“功率因数”之类的术语是用来表征该复杂的交互作用，与计算相比，并没有那么多的测量。功率因数在这些计算中具有特殊的重要性。 这是因为如果用户的功率因数不是十分接近理想值 1.0，许多电力供应商会向他们收取额外的费用。如果功率因数为 1.0，电压和电流相位相同。 感应负载，尤其是大型的电动机和变压器，会引起电压和电流相互移位，而这将导致功率因数降低。 在这种情况下，一些公用事业公司还会实行追加罚款，因为这种低效的方式将使能源在电源线中以热能的形式损失掉。 解决功率因数问题有一套程序，但首先必须量化功率特征。

TPS 系列包含一整套功率测量方法。其中包括有功功率、无功功率、波峰因数、相位关系、di/dt 和 dv/dt，当然还有功率因数。 所有这些测量(波形分析和相位关系除外)都需要先后使用一个电流探头(或其等同物)和一个电压探头。所有这些测量都使用仪器的单按钮应用功能。

测量开关损耗以提高产品效率

为了提高电源设计的效率，今天的电源设计者们面临越来越大的压力。影响效率的主要因素是在设计的开关部分产生的功率损耗。优化这一因素是非常复杂的。TPS 系列允许设计者通过仪器的单按钮应用功能查看设计中的开关损耗。 可将开关损耗表征为开通损耗、截止损耗、传导损耗和设备总损耗。

本文小结

工程师和技术人员要面对高压和电流，并且必须经常执行存在潜在危险的浮动测量。其他几种可选产品也可供您进行浮动测量，但可能缺乏多功能性、准确性或经济性，TPS2000 系列使用独有的 IsolatedChannel 技术，允许工程师和技术人员快速、准确和经济的进行这些测量。

使示波器可多通道显示的电路

作者：Hubert Houtman

在电路开发和测试中，通常需要比目前示波器能提供更多的通道显示，简单的解决方法是并行触发几个示波器。

然而，使用单个示波器更加紧凑，通道间的时序测量更精确。

另外，通过对两个输入脉冲做差分显示，可显而易见地发现这两个信号之间的差异。

先前介绍的8通道显示电路缺乏反转(inverting)和加法(adding)特性，同时其输入也和通用的低电容探头不相兼容。

如图所示的电路，它能将单迹(single-trace)或双迹(dual-trace)示波器的一个通道转换为双迹操作，并具有通常的Add、Invert、Chop和Alternate工作模式。

利用MAX4310复用器产品系列，很容易将该电路拓展到支持4或者8通道。

AD8055(或AD8056)输入缓冲放大器有具有10MΩ的输入阻抗和2 pF的旁路电容，允许电路的输入阻抗为1 MΩ，旁路电容为30 pF。

可以调整这个电容值来匹配示波器本身的输入电容，以便可以使用低电容探针而无需改变输入A和B。推荐在所有放大器加上去耦电容(图中没有画出来)。

应该利用示波器的外部触发输入来触发合适的触发信号控制。这可以是信号A，它有一个专用的后设终端(back-terminated)缓冲放大器用于触发，因此来自示波器的外部触的任何反射都不会影响通道A信号，而使得它能够完整地被显示出来。

此外，由于有了复用器，AD8056度任何接口都有很好的触发线隔离，这对多通道之间精确的时序测量至关重要。若没有这样的隔离缓冲，MAX4310会使A通道的信号产生微小变化，从而导致与通道有关的触发和时序波动，最终产生较大误差。

对于Chop模式显示， MAX4310复用器通过4060振荡器/计数器进行切换。复用器的管脚1在120~250Hz范围内切换，这适合所有比较快的示波器扫描设置。

对于大多数需要，一般提供一个无闪烁(flicker-free)的双迹显示。4060B具有额外的计数输出，如有必要，它用来切换MAX4311(4通道)或者MAX4312(8通道)。

对于缓慢的扫描速度，使用Alternate模式比Chop模式更适合。在Alternate模式中，振荡器应该关闭，示波器的Gate-Out信号必须接到4060B的时钟输入端(引脚11)。

除了通道A，所有通道均需要一个AD8055缓冲，对于需要反转(Invert)功能的通道，AD8055后需要接AD8138差分放大器。

开关S1改变通道B的极性，通用AD8138包含有“输出共模电压”V_OCM输入，它被由2kΩ电位计偏置，以调整显示波形的间隔。

第二个AD8055被配置成在50Ω终端电阻的电缆上输出A、B通道的信号和，其后设终端电阻也是50Ω，可以消除来自示波器的输入反射。

为测量整个电路的上升时间，将ECL脉冲发生器接在输入A或者B上。在采样率为1GHz的示波器上，触发器、复用器、和以及差分输出的上升时间都少于5ns。这说明该设计适于带宽高达50MHz的示波器。

利用智能射频芯片nRF9E5设计无线温、湿度测量电路

作者：朱兆青，南通工学院，Email: zhu.zq@ntit.edu.cn

款工作频率为433/868/915MHz的智能射频芯片，集成了8051微控器、4通道10位A/D转换以及多通道RF收发。

本文介绍采用该射频芯片、温度传感器LM71、湿度传感器HS1101实现温度和湿度无线测量的电路设计方法和编程实现，该设计具有简单可靠和灵活方便的特点。

nRF9E5是一款工作频率为433/868/915MHz的智能射频芯片，该芯片采用1.9V~3.6V单电源供电，32脚QFN封装(5×5mm)，发射功率为10dBm，接收灵敏度-100dBm，在低功耗时电流仅2.5μA，特别适合采用电池供电，适用于无线键盘、无线电话、无线耳机、工业无线传感器、遥控器和无线报警器等。

无线传感测量与有线传感测量相比，具有可靠性高、安装容易、结构简单、可以重复使用和系统维护方便等优点。

本设计充分利用了各器件的低功耗特点，在无线温湿度传感器中使用3.6V锂电池，不仅能延长电池的使用寿命，而且使无线数据传输更加方便灵活。

nRF9E5功能介绍

图1所示为nRF9E5的内部结构框图。nRF9E5是一片嵌入了nRF905无线收发芯片、集成增强型8051微处理器和4个通道的10位ADC，采样速率为80ksps，内含1.22V电压基准、电源管理、PWM输出、UART异步串口、SPI通讯接口、逻辑接口电路、看门够电路、多通道可编程唤醒，以及CRC检验和多点通信控制，高频电感和滤波器等已经全部内置，外围元件很少，芯片的一致性能好、稳定且不易受干扰。

nRF9E5没有复杂的通讯协议，完全对用户透明，同种产品之间可以自由通讯，内置的CRC纠错硬件电路和协议免去了软件开发人员的软件纠错编程和微控器的纠错运算，降低了无线应用的开发难度。

图1下面的EEPROM 25320为nRF9E5的外部程序存储器(图2中为U2)，容量为4K字节(4096×8b)，用于存储在nRF9E5上运行的应用程序。当上电时，nRF9E5通过其内部固化的引导程序(Boot loader)，通过SPI接口将应用程序导入到片内RAM中运行。

无线温、湿度传感测量电路设计

利用射频芯片nRF9E5、14位数字温度传感器LM71、湿度传感器HS1101构成一款无线温湿度传感器。

LM71是国家半导体公司生产的低功耗、具有14位(含1符号位)的ΔΣADC温度传感器，测温范围为-40℃~150℃，温度分辨率为0.03125℃，测温精度在-40℃~150℃范围内为±1.5℃，电源电压为2.65V~5.5V，具有三线串行接口SPI/MICROWIRE兼容接口，容易和微处理器连接。

因此，图2中U3(LM71)的串行时钟SC、串行输入输出SI/O、片选CS分别和U1(nRF9E5)的P02、P01和P00相连，LM71、nRF9E5和单端50Ω天线的RF电路如图2所示，该电路可以工作于818/915MHz。环境温度和LM71温度传感器的输出如表1所示。

HS1101湿度传感器采用专利设计的固态聚合物结构，具有响应时间快、高可靠性和长期稳定性特点，不需要校准的完全互换性。HS1101湿度传感器在电路中等效于一个电容器C_x，其电容随所测空气的湿度增大而增大，在相对湿度为0%-100%RH的范围内，电容的容量由160pF变化到200pF，其误差不大于±2%RH，响应时间小于5s，温度系数为0.04pF/℃。

如图3所示，将该湿敏电容C_x置于555振荡电路之中，将电容的变化转换为与之成反比的电压频率信号，该频率信号可以直接被微控器采集。振荡电路的两个暂稳态输出频率变化的方波信号(图3中U4的3脚输出)的高电平时间为

输出低电平时间为

因此输出方波信号的周期为

即

EEPROM编程

nRF9E5的主程序存放在外部的串行EEPROM中，当芯片开始上电时，其内部固化的厂家引导程序通过SPI接口，将外部EEPROM中的主程序导入nRF9E5的RAM中(4K字节空间，没有被主程序占用的可作为片内RAM使用)，接着执行跳转指令，开始主程序的运行。主程序需要按照表2所示的规则写入EEPROM中，其中SPEED(bit3)为EEPROM的最大读写速度，0为1MHz，1为0.5MHz。XO_FREQ(bit2,1,0)为nRF9E5的外接晶振的频率，000=4MHz，001=8MHz，010=12MHz，011=16MHz，100=20MHz。

nRF9E5内置8051兼容微控器，加上其本身特有的诸多控制寄存器，因此可以用MCS51系列仿真软件进行编程，最后将程序写入EEPROM中调试即可。

采用WAVE6000(伟福)仿真软件编写无线射频通讯、数据采集和数据转换程序，编译形成后缀为HEX的数据文件“XXXXXXXX.HEX”，该数据文件为文本格式：每行的第1个字符固定为“：”，表示一行的开始；第2、3个字符为本行中的指令数据个数M(16进制)，M最大为20H，表示该行共M个双字节数据，2M个字符，第4、5、6、7个字符为该行的地址，第8、9个字符为“00”或“01”，其余为依次排列的2M个指令数据字符，最后2个为验证字符位。HEX文件的结束为“:00000001FF"。

采用高级编程语言Delphi 6.0在Windows2000环境下打开该数据文件，依次读出每一行数据，去掉每行的前9个字符和每一行的最后两个字符，其余的就是用户的主程序文件，将主程序文件前添加上表2中的程序头，就构成了nRF9E5的外部EEPROM的程序格式。如图4所示，通过RS232通讯、AT89C2052写入到EEPROM芯片25320中即可。

如何选择车载GPS系统的测试工具

作者：Kent Fung，kent.fung@aeroflex.com，Aeroflex公司

车载GPS导航系统基本上分成二种，一种是简单的带天线的GPS接收器加上映射软件和数字地图，这种系统可以从电子用品商店买到。另外一种就象CD播放器那样嵌入在车内，是利用功能更强、具有多种传感器输入的GPS接收器形成的GPS/惯性导航系统。其中陀螺传感器、里程表、车轮断续器等传感器可以改善在车辆通过遂道或经过高耸建筑物等GPS信号发生中断情况时的导航精度。

完成第一种导航系统的测试只需要少量的工作。每个GPS接收器都经过出厂测试，因此当这些GPS接收器进入商店出售时没有必要再次测试它的GPS性能。唯一需要测试的是实际的经纬度位置数据能否通过映射软件正确映射到数字地图上。

一般有二种测试方法。一种是对车载导航系统进行上路测试，将被测导航系统置于车内，边开车边观察是否在大多数时间内可以将GPS数据正确映射进数字地图中。该类型的车内导航系统比较适合路上大部分时间GPS接收状态良好的地区使用，比如美国或欧洲的大多数国家，但不太适合象上海和香港这样的城市，因为有许多高耸建筑物会阻挡GPS信号。另外一种测试方法是使用GPS星座仿真器。这种方法可以为工程师节省大量时间和精力，他们完全可以在室内轻松完成测试任务。

图1描述了仿真器与汽车包功能的协作机制。

对于第二种车载GPS/惯性集成式导航系统，工程师所面临的测试挑战主要表现为：

  * 地理障碍

  * 不同传感器的正确选择

  * 不同GPS接收环境

  * GPS数据和惯性传感器之间的数据同步

  * 测试时的车辆控制

  * 人力资源

  * 时间约束

  * 系统性能分析

城市内的高耸建筑物会阻挡GPS信号，而惯性传感器则可以改善此种情况下的导航精度。人工进行这种集成式导航系统的测试所需要的路试工作量非常巨大。甚至有些时候由于地理障碍而使测试无法进行。另外，工程师们也不可能为了测试而走遍整个中国，这样做肯定是不现实的。

众所周知，对于集成式导航系统来说选择正确的陀螺传感器非常重要。陀螺传感器的价格越高质量就越好，但在实际应用中希望能以合理的价格获得可接受的性能。带传感器仿真功能的GPS星座仿真器是测试工程师为系统找到正确陀螺仪类型或模型的理想工具。

不同GPS接收状态是测试工程师所面临的另一项挑战。在大多数时间内GPS接收器可以获得良好稳定的信号。但是，当出现GPS信号不稳定、信号中数据丢失或信号微弱等实际情况时导航系统会做何反应呢？人们在路上做现场人工测试时这些情况并不是总能发生的，因此需要对这种情况进行模拟仿真。导航实验室公司(NavLabs)的LabPro GPS仿真器正是克服这一挑战的理想工具。

NavLabs是提供LabPro GPS仿真器的一家公司，它已经为不同国家的许多客户提供过解决方案，比如蜂窝制造商、NASA、GPS接收器制造商、军队等。Frank Bletzacker博士是LabPro GPS仿真器的策划设计师，他以前曾在喷气推进实验室任职。仿真器使用的许多新算法都是Bletzacker博士发明的，这些算法精度非常高，伪距误差可以控制在市场上其它任何产品均无法达到的+/-1cm范围内。

与GPS星座信号产生不同，LabPro具有不同的传感器功能。LabPro的汽车包功能可以帮助汽车制造商高效地测试他们的集成式车内/惯性导航系统，从而加速对GPS接收器和惯性传感器之间数据同步问题的处理，或者至少为工程师整合系统提供可控制性更强的环境。有多种传感器用于实际情形的仿真，如陀螺传感器、速度传感器和加速传感器。测试工程师利用这些传感器可以在室内完成高精度的测试评估工作

如图1所示，汽车包具有以下一些特点：

  * 正比于汽车转向度(rate-of-turn)的5V模拟输出；

  * 正比于汽车速度的CMOS电平脉冲速率输出；

  * 串行数据消息：通过PC COM通信口以串行格式提供车轮速度、转向度和其它导航数据 ；

  * 模拟加速计输出：提供2个通道的0-5V加速计输出；。

图2：汽车速度传感器模型。

  * 提供用户可编程车轮分离模型，支持用于推断转向度的差分车轮断续 。

车轮速度传感器可以支持不同的数据格式，如适合Rockwell(Conexant)公司Zodiac 12通道Dead reckoning接收器使用的Zodiac 1370串行车轮速度格式以及各种SirfDrive格式。通过传感器控制可以仿真各种事件，如滑动、滑行、侧移和跳跃。在现实世界中，测试工程师不是特技演员，要开车做到这些仿真情形是很难的，而且相当危险。相应的控制面板如图2所示。

LabPro是一个全集成的GPS星座仿真器，不仅适合汽车导航系统的测试使用，也适合其它一些应用场合，如GPS接收器研究和开发、航空电子设备测试床及某些宇宙飞行器的研究。LabMate是LabPro的简化版本，特别适用于GPS接收器的量产测试以及对车辆陆地操纵的研究。由于产品的全数字化设计，LabMate可以轻松升级到LabPro。即使是将来GPS系统具备了新的功能，所有的NavLabs产品也可以得到相应的平滑升级。GPS导航数据记录器是NavLabs公司的最新产品，是汽车制造商测试GPS/惯性集成式导航系统的又一款理想工具。详细情况请联系：frankb@navlabs.com。

如何用仪器测量电线的张力

作者：Sanjay R. Chendvankar，email：src@tifr.res.in

本文介绍的这种仪器可被用来测量固定在比例电线箱(在高能物理研究中用作探测带电分子)中的电线的张力。

电线的材料为镀金钨丝，线长度在3至30厘米之间，直径为50毫米。

作为一个质量控制步骤，先测量额定张力值200gmf。可利用每根电线弯曲的两端进行电气连接。将电线放置在永久磁铁的强大磁场中。

不同频率的正弦电流流经电线，电流在电线周围产生变化的磁场，电线在两个磁场的交互作用下不停振动。

当流经电线的电流频率等于电线的固有振动频率时，振幅最大。

固有振动频率是电线的张力、长度、直径及材质密度的函数。

如果知道所有的参数，设计工程师就可以测量振动的固有频率，他们也可通过这个函数来计算线张力。

T =π×ρ×(L×f×d)²其中，T为线张力，单位：牛顿；ρ为线材质密度，单位：千克/立方米；L =电线长度，单位：厘米；f为共振基频，单位：赫兹，d为电线直径，单位：米。

图1为该测量仪的结构图。图2为共振传感电路，该电路是测量仪的核心部分。

压控振荡器(VCO)通过待测的电线发送不同频率的信号。位于共振传感电路前端的全波有源整流器在输入端接收电线两端的压降。在大多数情况下，该压降很小，小于半导体二极管的导通电压。

图1。

对于整流来说，有源整流器是用运算放大器IC1a 和IC1b构造的。运算放大器IC1c被设置为增益等于23，然后C1对放大信号进行滤波。选择时间常数R7-C1，这样C1两端的电压就能快速变化。同时，直流电压纹波足够小以便能在最低操作频率下工作。 缓冲放大器(IC1d)把直流电平同下面的微分器级(IC2a)隔离开。

当电线在不同磁场中振动时，电线感应到电机电枢导体中产生的类似于反电动势的小电压。在共振时，振动最大，感应电压大大增加，这可提高微分器的输入直流电平，使微分器输出脉冲。这个脉冲被用来锁住斜坡振幅以及由斜坡振幅控制的VCO频率。内置频率计数器读取共振VCO频率，然后通过前面描述的函数计算电线的张力。

图2。

USB数据采集成为便携式或简单测量首选

作者：Chandran Nair，东盟区管理总监，美国国家仪器公司

Serial Bus)最初是为了将键盘、鼠标等外设连接到PC而设计的。近年来，USB的应用日益广泛。大部分PC和便携式电脑都配备有USB，而且当今的大部分操作系统都支持USB。事实证明，USB的普遍采用以及USB规范的最新改进对于测量和自动化等许多其他应用也是很有帮助的。本文讨论USB及其在实现测量系统中的有效性的更多细节。

传统上，数据采集系统由独立的机箱设备通过串口或GPIB接口与计算机连接组成。随着基于计算机的测量技术的出现，数据采集设备可以通过PCI、ISA或PXI连接到PC的数据总线。现在，越来越多的测量系统包含有通过USB总线连接的测量设备。本文的后续部分将讨论USB及其在实现测量系统中关于有效性的更多细节。

USB的技术特点

USB标准是为简化外围设备与计算机的连接而开发的。USB 1.1规范规定的最大传输速率为12Mb/s，但USB的最新发展已极大地提高了这个速度。

USB主机自动检测何时某个新设备被添加上去，并查询设备的身份，正确配置其驱动程序。由于总线拓扑结构的设计，一个端口最多可同时运行127个设备。相比之下，传统的端口在每个端口只支持一个设备。通过增加连接器(hub)，可以在一个USB主机上添加更多端口，为更多的外设建立连接。

USB 2.0 规范根据传输速率将USB设备分为三类：

* 低速设备，例如键盘和鼠标，工作在1.5 Mb/s

* 全速设备，工作在12Mb/s

* 新的高速类设备传输速率可达480 Mb/s，比USB 1.1标准快40倍

USB 2.0和1.1规范相比，影响测试和测量设备的主要区别是，增加了低延迟480 Mb/s传输，以及改进了主机软件规范。但USB 1.1兼容设备不会被淘汰，因为所有的USB 1.1设备都与USB 2.0标准兼容(它们被区分为全速或低速设备)。

除了速度上的变化之外，新的高速协议还包含了一些其他的不同。本文不打算深入研究USB 2.0的技术细节，而将重点放在USB在测量应用中的使用方面。

USB具有易于嵌入的特点。即插即用(plug & play)特性使得USB设备的配置很简便，由于与主机之间采用单根电缆连接，使USB设备非常便携。这些优势使得在数据采集中采用USB非常具有吸引力。

采用USB的测量应用

虽然目前市场上的大部分数据采集设备使用的是PCI或PXI总线，但USB总线正在迅速流行起来。2003年VDC公司(Venture Development Corporation)一份关于数据采集发展趋势的研究表明，几乎半数受访者计划在2007年前购买一件USB数据采集设备。虽然一般而言PCI和PXI数据采集设备具有更高的性能指标，但现在人们可以把USB数据采集与其他技术结合起来，在测量时充分发挥简单、便携和距离上的优势。

USB比PCI和ISA等一些传统的内部PC总线更容易使用。采用USB的设备可以热拔插，免除了增减设备时必须关闭PC机的麻烦。USB总线还具有自动的设备检测能力，设备插入之后，操作系统软件会自动地检测、安装和配置该设备。

高速数据和控制应用将得益于USB可以同步或异步地进行数据传输的能力。同步传输时，USB通过基于时间的数据包分发保证了带宽。同步传输可以保证一次传输在规定的时间长度内完成，但不能保证传输中没有误码。USB协议保证，请求了同步带宽的设备在每一帧中有预定数目的数据包。数据量庞大的应用通常要求同步带宽。

表1：采用传感器即插即用技术来替代传统数据 采集系统时，系统的组装和配置步骤大大减少。

测量和控制系统往往需要对事件进行响应的能力。USB允许任何设备产生一个异步事件。异步传输能保证准确发送，具有紧急消息需要传输的设备可以被给予最高的优先级别。异步传输应用包括发送控制消息和更改设备的参数。

USB和传感器即插即用简化了数据采集

2004年5月，NI公司发起了一波“传感器即插即用”(Sensors Plug&Play)行动，在针对灵巧的TEDS (Transducer Electronic Data Sheet，传感器电子数据表) 传感器的IEEE 1451.4标准的基础上推出了一系列数据采集产品。通过采用传感器即插即用技术和新的USB数据采集设备，工程师和科学家们可以创建一个从传感器到软件的完整的即插即用数据采集系统。现在有许多厂商提供经过预先测试可以无缝地与传感器即插即用硬件共同工作的传感器，开发人员可以使用NI LabVIEW、Microsoft Visual Basic和C来开发软件应用，以迅速、方便地进行测量。读者可以在ni.com/sensors网址上找到有关灵巧传感器的更多信息。

传感器即插即用与USB相结合，带来的好处是不仅降低了组建和配置的成本，而且还降低了编程的成本。

下表显示了在有和没有传感器即插即用以及USB的两种情况下，组建和配置一个数据采集系统过程的对比。表说明1：采用传感器即插即用技术来替代传统数据采集系统时，系统的组装和配置步骤大大减少。由表可见，数据采集系统的组建时间可缩短50％。

USB和“远距离”数据采集应用

远距离可能并不是USB技术的一项特性，因为USB规范将主机与设备之间，连接器与设备之间，以及主机与连接器之间的距离限制在5m之内。USB规范还限制总层数不超过7层，这意味着用户可以通过最多使用5个连接器，将一个USB设备置于距离主机最远为30m的位置。

不过，一些厂商开发出了新的技术，将主机与USB设备之间的距离扩展到了2km，同时仍然满足USB规范。扩展距离的两种主要方法为：

1) CAT5(以太网)电缆(100英尺到100m)：这类扩展器提供两个部件，即一个本地部件(主机一侧)和一个远端部件(设备一侧)，用CAT5电缆通过RJ45连接器进行连接。设备一侧的部件起着远端连接器的作用，而且常常具有多个端口。这是一种成本较低的USB扩展方案。提供这种技术的公司包括Network Technologies, Inc. (NTI)和Icron Technologies等。

2) 光纤电缆(230英尺到2km) ：这种方法采用与CAT5扩展器相同的概念，使用一个本地部件和一个远端部件。不同的是在这种方案中，二者通过光纤电缆进行连接，传输距离更远。这种方案的成本比CAT5更高。提供这种技术的公司包括Icron Technologies