本文为学习笔记，本项目为一个完整的双通道250MSps采样率示波器的开源项目，包含信号调理、采集、DAC输出、I/O控制，FPGA等多项内容，是硬件爱好者进阶学习的范例，项目地址为：ScopeFun - 开源示波器 --- ScopeFun - Open Source Oscilloscope

模拟前端

模拟前端是连接真实世界信号与数字处理系统之间的关键桥梁，位于输入接口与数模转换器ADC之间，核心任务是对信号进行调理，放大，阻抗匹配，降噪滤波等一系列操作后，传入到ADC进行采样的环节。在本开源项目中，由信号隔离、信号放大以及偏置处理几个步骤构成。

第一部分（信号隔离）

信号隔离部分的原理图如上图所示，一共包含6个部分，本文将依次介绍这6各部分的功能。

1.钳位电路（过压保护）

这个钳位电路包含一个气体放电管。当输入电压小于阈值前，气体放电管处于高阻状态，电路正常工作，信号从输入流向2，当电压超过气体放电管的电离阈值时，气体放电管发生电离，对地导通，从而将浪涌泄放到地。

2.交流/直流耦合切换

示波器能够切换交流和直流耦合，交流耦合指只检测信号的交流部分，而直流耦合就是检测信号的全部信息包含直流分量。RE AQY282SX是一个光耦继电器，当继电器闭合时，信号通过下方回路直接流向后级，示波器工作在直流耦合模式。当继电器断开时，信号通过电容C1流向后级，起到通交隔直的作用，此时示波器工作在交流耦合模式。电阻R4是为状态切换时电容C1提供放电回路。

3.接地耦合

这是一个单刀双掷开关，当3-4连接时，信号被输入到后端，当2-3连接时，GND信号被连接到后端完成接地耦合。有朋友会问，接地耦合有什么作用？实际上，这是为示波器提供参考零点，用于示波器的基线校准，这一步在商用示波器中会自动完成。

4.衰减器与量程切换网络

这里用于示波器的量程档位切换，使用了两组单刀双掷继电器。当使用左边网络时，Vout = Vin*R10/（R10+R9），信号变为原来的约1/20，用于大信号的测量，否则经过右边网络，信号幅值基本保持不变，用于小信号测量。

这个电路有个很有意思的点，就是电阻旁边并联了三个电容，这三个电容的作用是为了保证分压在所有频率都相同，以左边电路为例。当不并联三个电容时，直流情况下信号的分压即为电阻分压，当信号频率升高时，电阻的寄生电容开始发挥作用，此时电阻的分压值变成了：

当c9*R9=c10*R10时，我们可以发现，频率项从分压公式里被消除了，就等于R10/(R9+R10)，因此完成对所有频率信号的同等分压。但是电阻本身的寄生电阻不会满足这个公式，所以我们加了一个大电容，用于掩盖原来小的寄生电容，并添加了一个可变电容器来补偿元器件的误差，从而实现频率补偿。

5.二次钳位电路

这里用了两个二极管做二次钳位，电阻R13是为了当电压过大时，二极管导通时限制电流大小。

6.电压跟随电路

这里使用了一个高速理想运放来实现电压跟随，这个运放是一个FET运放，具有极高的输入阻抗，用于从高阻抗的分压电路中读取全部电压，并转化成低阻输出，提高带载能力。

至此，模拟前端的第一部分就全部完成了，实现了钳位保护、交流/直流/接地耦合的转换，量程转换，二次钳位以及阻抗变换（提升带载能力）。