遼寧工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院　王　浩　孟麗囡　孫福明

?

100MHz帶寬數(shù)字存儲(chǔ)示波器的模擬通道設(shè)計(jì)

遼寧工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院王浩孟麗囡孫福明

【摘要】本文采用分立元件設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于100MHz帶寬的數(shù)字存儲(chǔ)示波器的模擬通道。為克服傳統(tǒng)模擬通道中存在的固有缺點(diǎn)，使用了VGA與固定增益級(jí)聯(lián)的方法。所設(shè)計(jì)的模擬通道主要由信號(hào)垂直調(diào)理電路、觸發(fā)電路、通道控制與校正電路組成。方波增益測(cè)試和頻率響應(yīng)測(cè)試驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的有效性。

【關(guān)鍵詞】模擬通道；信號(hào)垂直調(diào)理；VGA；觸發(fā)

注：本文受遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助（LR2015030）。

1　引言

示波器可將人眼看不見的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為圖像信息，方便人們對(duì)電信號(hào)的測(cè)試和研究。為了更加直觀和深入理解被測(cè)對(duì)象，所以常需要借助示波器進(jìn)行[1]。采樣率和模擬帶寬是評(píng)價(jià)數(shù)字示波器的兩個(gè)重要指標(biāo)。模擬帶寬容易受外界環(huán)境干擾，特別是高帶寬示波器更易受系統(tǒng)中的地彈、串?dāng)_以及其他多種影響。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字示波器的模擬通道，主要的技術(shù)指標(biāo)要求包括：（1）模擬帶寬：100MHz；（2）垂直通道檔位：5mV/div－5V/ div (1-2-5步進(jìn))；（3）輸入阻抗：1MΩ/150Ω可選；（4）觸發(fā)類型：邊沿觸發(fā)；（5）觸發(fā)源：外部觸發(fā)、通道1信號(hào)、通道2信號(hào)、交流信號(hào)(50Hz)。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1總體方案

數(shù)字存儲(chǔ)示波器的整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　數(shù)字存儲(chǔ)示波器總體方案

模擬通道包含信號(hào)垂直調(diào)理通道和觸發(fā)通道。前者是限制數(shù)字示波器帶寬的關(guān)鍵。通常，ADC的輸入范圍比較窄（一般少于1Vpp），所以采用信號(hào)調(diào)理電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。為保證波形信號(hào)穩(wěn)定地顯示，每次的開始掃描的位置都必須是周期信號(hào)的同一點(diǎn)。

2.2信號(hào)垂直調(diào)理通道方案

信號(hào)通道由CH1、CH2通道組成，兩路通道完全相同。由于外接信號(hào)幅度不定，所以首先對(duì)其進(jìn)行衰減。帶寬限制是為減少高頻噪聲。阻抗變換可減小后級(jí)直流偏移量。增益控制是對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行增益和衰減，這可使ADC逼近滿量程。輸出驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)信號(hào)單端轉(zhuǎn)差分和加垂直偏移調(diào)節(jié)，外部輸入信號(hào)經(jīng)此通道進(jìn)入AD進(jìn)行處理。

設(shè)計(jì)要求外部輸入電壓范圍是±5mV～±50V[2]，具體設(shè)置如表1所示。

2.3觸發(fā)信號(hào)通道方案

觸發(fā)信號(hào)通道主要通過多路選擇器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行選擇，如果是50Hz交流或外部信號(hào)，需進(jìn)行信號(hào)調(diào)理；如果是經(jīng)信號(hào)調(diào)理的CH1和CH2信號(hào)，則可直接輸入高速比較器。高速比較器把輸入信號(hào)和觸發(fā)基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，輸出不同占空比的脈沖信號(hào)給FPGA處理。

2.4通道控制電路方案

通道控制電路是對(duì)觸發(fā)通道和信號(hào)調(diào)理通道的各個(gè)繼電器和調(diào)節(jié)電平進(jìn)行控制，比如交直流耦和、衰減網(wǎng)絡(luò)以及輸入通道的選擇。調(diào)節(jié)電平控制主要調(diào)節(jié)調(diào)偏電壓和VCA壓控端。

3　信號(hào)垂直調(diào)理通道電路

3.1無源衰減網(wǎng)絡(luò)

無源衰減網(wǎng)絡(luò)在信號(hào)垂直調(diào)理通道中起著重要作用[3]，因VCA824衰減范圍有限，所以有必要設(shè)計(jì)衰減網(wǎng)絡(luò)與之配合。

實(shí)際線路中分布電容和引線電容對(duì)網(wǎng)絡(luò)有影響，當(dāng)電路工作在高頻段時(shí)，為抵消電阻的寄生電感和寄生電容，加入高頻補(bǔ)償電容。調(diào)節(jié)高頻補(bǔ)償電容使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最佳補(bǔ)償時(shí)，無源衰減網(wǎng)絡(luò)的衰減倍數(shù)K為：。

表1　增益衰減分布表

3.2阻抗變換電路

信號(hào)經(jīng)過無源衰減網(wǎng)絡(luò)后，在VCA824的輸入端會(huì)有直流偏移電流，這個(gè)電流為微安級(jí)。如果其作用在較高的對(duì)地電阻上將導(dǎo)致較高的直流偏移量。加入阻抗變換電路來減小輸出端對(duì)地阻抗，并提高帶載能力和隔離前后級(jí)影響[4]。

由于高速寬帶運(yùn)放的低頻特性不理想，所以直流與交流分開進(jìn)行阻抗變換。直流分量會(huì)影響射隨器的Q點(diǎn)，所以通過電容隔直。直流分量通過處于深度負(fù)反饋的AD8512的輸入端耦合到輸出端，與交流分量合二為一，通過阻抗反映法可把信號(hào)從輸入端傳輸?shù)捷敵龆恕?/p>

3.2.1輸入阻抗

無源衰減網(wǎng)絡(luò)與阻抗變換網(wǎng)絡(luò)之間沒有隔離，因此后級(jí)會(huì)影響前級(jí)的輸入阻抗。當(dāng)直通時(shí)，輸入信號(hào)直接進(jìn)入阻抗變換電路，示波器的輸入阻抗等于阻抗變換電路的輸入阻抗，則要求阻抗變換電路的輸入阻抗為1MΩ。表示無源衰減網(wǎng)絡(luò)的分壓電阻，表示阻抗變換網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)放輸入端的分壓電阻。當(dāng)使用前面無源衰減網(wǎng)絡(luò)時(shí)，示波器的輸入阻抗等于，由于無源衰減網(wǎng)絡(luò)為40倍衰減，則比1MΩ小很多，則示波器的輸入阻抗約等于。 3.2.2直流通道

由于輸入電壓可能會(huì)因檔位的不同而有不同，為使AD8512正常工作，我們對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行電阻分壓，然后在阻抗變換電路輸出端，通過電阻分壓將信號(hào)變換到原電壓值，具體定量分析如下。

3.2.3交流通道

我們利用場(chǎng)效應(yīng)管和三級(jí)管構(gòu)成復(fù)合管來提高輸入阻抗。為調(diào)整T1管的Q點(diǎn)，我們加入T3，并把它接成電流源的形式。對(duì)于T2來說，隨溫度升高，其Ic和Ie增大，則R4電壓增大使AD8512反相端電壓升高。同時(shí)，AD8512正相電壓不變，引起輸出減小，導(dǎo)致T2的Ic和Ie減小。經(jīng)此負(fù)反饋維持Ic和Ie的穩(wěn)定，從而穩(wěn)定了Q點(diǎn)，減小了溫漂，增加穩(wěn)定性。

3.2.4帶寬限制

由于環(huán)境以及輸入信號(hào)的高頻噪聲容易造成后級(jí)放大器自激等干擾，所以有必要對(duì)高于100MHz的高頻信號(hào)做濾波處理來提高系統(tǒng)的靈敏度[5]。本文采用無源一階低通濾波器。如選有源濾波器，因運(yùn)放的加入和級(jí)間直接耦合方式會(huì)引起自激或零漂。

因前后級(jí)電路會(huì)影響低通濾波器的性能，則把其加在阻抗變換和VCA824之間。

3.3VGA運(yùn)放電路設(shè)計(jì)

由于需要直流耦、寬帶寬、V/V線性連續(xù)可變，本設(shè)計(jì)選擇VCA824。其在10V/V時(shí)具有420MHz的帶寬，精度達(dá)到20dB±0.3dB。由于它在差分輸入狀態(tài)下增益不可變，所以本文設(shè)計(jì)為單端輸入。為提高VCA824的幅頻特性和通道平坦度，以及補(bǔ)償前面分壓電阻的誤差，設(shè)置VCA824的增益為0.05～7V/V。

為了矯正各級(jí)電路之間的誤差，壓控選擇12位DA對(duì)增益進(jìn)行精準(zhǔn)控制。因?yàn)楦咚傩盘?hào)對(duì)阻抗一致性、損耗等要求很高，且需要低阻抗的回流路徑，設(shè)計(jì)采用4層板設(shè)計(jì)。為去除紋波和去耦電容的效果有限，本文選用電源EMI濾波器提高模擬通道的電磁兼容性（EMC）。本文選用的是BNX005直流電源濾波器，它由四接線端電容器、旁路電容和鐵氧體珠電感器構(gòu)成[6]。

3.4固定增益電路設(shè)計(jì)

固定增益電路是與ADC連接的運(yùn)算放大器，主要任務(wù)是對(duì)信號(hào)的固定增益放大和提高帶載能力，輸出電流能達(dá)到180mA?？紤]到輸入信號(hào)可能在高頻段，因運(yùn)放的外圍器件和線路會(huì)產(chǎn)生寄生電容，我們選取THS4302作為最后一級(jí)放大。

3.5單端變差分電路設(shè)計(jì)

ADC前級(jí)為信號(hào)的單端轉(zhuǎn)換為差分電路，其對(duì)信號(hào)進(jìn)行垂直偏移調(diào)節(jié)。本文采用LMH6552。在100MHz帶寬內(nèi)，它保證0.1dB的增益平坦度。信號(hào)為單端輸入，并利用其負(fù)端完成垂直偏移調(diào)節(jié)。

4　觸發(fā)電路

觸發(fā)通道是通過多路選擇器選擇觸發(fā)信號(hào)，然后進(jìn)行信號(hào)調(diào)理后進(jìn)入高速比較器，通過設(shè)置不同的觸發(fā)電平將輸入信號(hào)變換為不同占空比的觸發(fā)脈沖。觸發(fā)信號(hào)可以來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部，CH1和CH2的信號(hào)直接從信號(hào)調(diào)理通道中引出，引出時(shí)要做相應(yīng)隔離。當(dāng)從系統(tǒng)外部引入觸發(fā)信號(hào)時(shí)，需要先對(duì)信號(hào)調(diào)理后向多路選擇器傳輸信號(hào)。

4.1多路選擇器的設(shè)計(jì)

對(duì)于觸發(fā)信號(hào)選擇采用LMH6574。它可以通過向引腳12外加電阻的方式設(shè)定增益，這樣就可以設(shè)置增益以便減小后級(jí)運(yùn)放的放大倍數(shù)來提高系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。

4.2高速比較器電路設(shè)計(jì)

本文采用LMH7322。當(dāng)輸入超過100mv時(shí)，它的失真僅為5ps、供電為寬壓2.7V～12V。它的電路。

DAC輸出的電壓經(jīng)LM431調(diào)整為-2.5V～2.5V，再經(jīng)過三極管放大后輸入比較器。LMH7322輸出端將得到的差分同步脈沖信號(hào)送給FPGA進(jìn)行處理。其中，可以調(diào)節(jié)RHREF 與RHYS之間的遲滯電阻，減少因?yàn)榧傩盘?hào)噪聲引起的狀態(tài)變化進(jìn)而增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5　通道控制電路

對(duì)信號(hào)調(diào)理通道控制是把輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行不失真的放大和衰減以及偏移，保證AD工作在正常采樣范圍內(nèi)。對(duì)觸發(fā)信號(hào)通道控制是選擇不同的觸發(fā)源，對(duì)觸發(fā)信號(hào)的處理進(jìn)行選擇控制，例如觸發(fā)通道的交/直流耦合控制、高頻抑制和低頻抑制、高速比較器的輸入觸發(fā)電平的控制。

首先設(shè)計(jì)通道狀態(tài)控制電路，當(dāng)需要對(duì)通道的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，由DSP控制FPGA對(duì)外部進(jìn)行控制[7]。本文采用具有輸出鎖存功能和三態(tài)控制的高速轉(zhuǎn)換器CD4094。

然后需要設(shè)計(jì)電平調(diào)節(jié)電路，輸入調(diào)零和偏移控制都需要電平調(diào)節(jié)，本文通過DAC來實(shí)現(xiàn)。DSP控制FPGA發(fā)送控制信號(hào)給DAC，使DAC輸出模擬控制信號(hào)。選擇DAC時(shí)主要考慮3個(gè)方面：（1）電壓調(diào)節(jié)范圍和電壓分辨率；（2）數(shù)模轉(zhuǎn)換器的線性度和建立時(shí)間；（3）PCB布線的難易，比如是否需要外接參考源。

本文選擇采用AD5628。AD5628的分辨率為12bit，電壓調(diào)節(jié)范圍為0-5V，建立時(shí)間為6us并且內(nèi)部已經(jīng)集成參考電壓源。FPGA通過SCLK、DIN、SYNC三個(gè)引腳控制AD5628。其中VOUTA～VOUTH分別對(duì)應(yīng)的是模擬電壓值，用于實(shí)現(xiàn)各處電平調(diào)節(jié)。

6　測(cè)試結(jié)果與內(nèi)容

信號(hào)源使用RUITE的SG1110數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器，示波器為固緯GDS-1102A-U。首先，設(shè)置信號(hào)源的參數(shù)并分成兩路，一路直接送到示波器，另一路送到本次設(shè)計(jì)的模擬通道中，將其輸出送入示波器。然后，對(duì)比兩路波形，測(cè)試系統(tǒng)方波增益與系統(tǒng)頻率響應(yīng)。

首先是方波增益驗(yàn)證，由于線路阻抗匹配的原因，信號(hào)源顯示的數(shù)值與示波器實(shí)際測(cè)量值之間有一定誤差，為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確，我們以示波器測(cè)量數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。信號(hào)調(diào)理通道調(diào)至20mV檔時(shí)，測(cè)試直通情況下的方波增益。此時(shí)不通過衰減網(wǎng)絡(luò)，電阻分壓為0.8倍，VGA放大倍數(shù)為1.56，整個(gè)模擬信號(hào)調(diào)理通道放大倍數(shù)為6.25。信號(hào)調(diào)理通道調(diào)至200mV檔時(shí)，測(cè)試通過衰減網(wǎng)絡(luò)時(shí)的情況。此時(shí)通過40倍衰減網(wǎng)絡(luò)，電阻分壓為0.8倍，VGA放大倍數(shù)為6.25，整個(gè)模擬信號(hào)調(diào)理通道放大倍數(shù)為0.625。完全符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

然后是頻率響應(yīng)驗(yàn)證,本次設(shè)計(jì)的模擬通道的帶寬為100MHz，因?yàn)橛袩o源衰減網(wǎng)絡(luò)的加入，所以要分別測(cè)試直通和帶無源衰減網(wǎng)絡(luò)兩種情況，應(yīng)用正弦信號(hào)點(diǎn)頻法測(cè)試模擬通道的頻率響應(yīng)，具體為保持輸入信號(hào)幅度不變，測(cè)試當(dāng)輸入信號(hào)頻率為不同頻率時(shí)幅度的變化情況。

首先驗(yàn)證直通情況，此時(shí)將檔位調(diào)至20mV檔，設(shè)置輸入信號(hào)幅值為160mV，然后調(diào)節(jié)不同頻點(diǎn)并記錄輸出幅值。20mV檔理論增益G0為6.25。測(cè)試結(jié)果為帶寬內(nèi)0.1dB平坦度達(dá)到了60MHz，-3dB帶寬達(dá)到110MHz，完全符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

7　結(jié)論

本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了多級(jí)衰減、VGA可控增益放大、固定增益放大相結(jié)合的方式來調(diào)控信號(hào)。同時(shí)，在電源線上加入了磁環(huán)減少噪聲，并通過加補(bǔ)償電容對(duì)高頻部分進(jìn)行頻率補(bǔ)償。本文的設(shè)計(jì)從理論分析到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證都達(dá)到預(yù)期結(jié)果，但是在增加帶寬與降低噪聲方面還有一定的提升空間。

參考文獻(xiàn)

[1]古天祥,王厚軍,習(xí)友寶,詹惠琴.電了測(cè)量原理[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2]涂建.DSO通道與觸發(fā)電路模塊設(shè)計(jì)研究[D].成都:電了科技大學(xué)白動(dòng)化工程學(xué)院,2010.

[3]張濤.數(shù)字存儲(chǔ)示波器500MHz寬帶模擬通道設(shè)計(jì)[D].成都:電了科技大學(xué),2008.

[4]董平.1GHz帶寬多功能數(shù)字存儲(chǔ)示波器模擬通道設(shè)計(jì)[D].成都:電子科技大學(xué),2012.

[5]王彥斌.數(shù)字存儲(chǔ)示波器中300MHz模擬通道設(shè)計(jì)[D].成都:電了科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院,2008.

[6]王立欣,林雨波.門亮.高速數(shù)據(jù)采集模擬通道設(shè)計(jì)相關(guān)[J].電測(cè)與儀表,2007,44(497):44-46.

[7]董立志.示波器信號(hào)調(diào)理通道與觸發(fā)電路設(shè)計(jì)[D].成都:電了科技大學(xué),2012.