便攜式多功能數字分析儀的前放電路設計
2015-10-08
示波器和頻率計是電子測量的常用儀表，其前端電路的設計對于儀表整體的性能指標起著十分關鍵的作用。本文主要介紹一款基于AD8260的數字分析儀前端模塊的設計方法。AD8260是AD公司生產的一款大電流驅動器及低噪聲數字可編程可變增益放大器(DGA)。該器件增益調節范圍為－6~+24 dB，可調增益的-3dB帶寬為230 MHz，可采取單電源3．3 V、5 V或+／-5 V雙電源供電。主要用于數字控制自動增益系統、收發信號處理等領域。本設計主要使用其數字控制自動增益功能。
1 設計原理
該數字分析儀包含示波器和頻率計兩大功能。頻率計功能分為高頻段和低頻段兩部分，其中20 MHz以下頻率信號由采樣后的示波器來測量；高于20 MHz的頻率信號則由頻率計通過等精度算法實現。為提高測量精度，本設計采用高穩定度的恒溫晶振來為系統提供時鐘源，通過FP-GA內置鎖相環為各模塊提供各時鐘信號。而對于100 MHz帶寬示波器功能的實現，若由單芯片的超高速采樣來實現，則要對采樣后的高速信號進行存儲，這種方法不易實現，且對電路的工藝要求也很高。為了避免這種情況．本設計參考了TEKtronix公司的100 MHz示波器的設計，因而采用了3片ADC來實現對輸人信號的分時采樣，并在分別存儲后由DSP處理。
本文主要介紹數字分析儀前端模塊的設計。由于示波器的輸入信號幅度范圍一般為+／-5Vpp，而AD9433 (AD采樣芯片)的輸入信號幅度要求不大于2Vpp，因此，在采集電路的前端加入信號衰減和信號增益兩級幅度調整電路，可保證測量的正確性，提高測量的精確度。與NI的數字分析儀不同，本數字分析儀的頻率計功能不是由超高速采樣后通過數字信號分析來實現，而是根據等精度頻率測量的原理來實現的，這樣可以大大降低儀表的造價。同時，考慮到儀表的便攜性及工程人員的應用習慣，本儀器只提供了單通道輸入，沒有設計外部觸發通道，因而簡化了儀表的體積，同時降低了設計的難度。數字分析儀前端模塊的原理框圖如圖1所示。
本系統的輸入信號經過壓保護電路及交直流耦合選擇后，將進入高阻衰減網絡，并通過外部控制信號實現對輸入信號的1：1、1：10的高阻衰減，衰減后的信號經差分變換后進入AD8260進行程控增益，程控增益后的信號一路直接進入AD9433進行高速采樣(此處要求增益后的信號幅度盡量達到AD9433的滿量程輸入，以提高AD采樣的精度)，并將采樣后的數據送入FPGA進行相應處理，從而實現示波器功能；而程控增益后的另一路信號則通過單端變換進入FPGA進行相應的處理，進而實現高頻頻率計數功能。
圖2所示是AD8260的外圍電路，其中AD8260芯片采用±5 V雙電源供電，也可以通過跳線實現+3．3V單電源供電。即將-5VS接地，R21焊接，R22斷路，+5VS接+3．3 V。
2 設計電路
數字分析儀前放電路中的耦合選擇及衰減控制電路如圖3所示，其中輸入信號由CH1通道進入，經D1、D2過壓限幅后，通過GPI01控制K2繼電器的通和斷，以分別選擇示波器的直流、交流耦合模式。然后進入1x、1 0x的高阻衰減(由GPI-02控制K1繼電器實現)，其中C1、C2、C3、R3、R5組成了10x高阻衰減網絡。衰減后的信號直接可送往AD8260進行數字程控增益放大。1x或10x衰減后的信號由AD8260的17、18腳輸入，經AD8260內部前端放大器6 dB的固定增益放大、-30 dB程控衰減以及末級放大器18 dB固定增益放大后，將由7和8腳輸出。所以，模塊總的增益范圍為-6～+24 dB。AD8260內部的數字程控增益功能框圖如圖4所示，表1所列是AD8260的增益調節真值表。
當信號由AD8260的7腳和8腳輸出后，一路以差分形式直接送往3片AD9433進行時分高速AD采樣，以實現100 MHz示波器及20 MHz以下的頻率計功能；另一路通過R19、R20組成的電阻匹配網絡及T1變壓器轉換為單端信號送往FPGA直接進行高頻信號的頻率計數。本設計的FPGA采用ALTERA公司的EP2C20。并通過FPGA內置鎖相環對輸入的高精度時鐘信號進行倍頻，其內核時鐘為600 MHz，頻率計數準確度達10－7的功能。在PCB制版中，因為是高頻電路的設計，因此，為了防止各模塊電源對電路的干擾，每個模塊的電源都要用電感和電容進行隔離和濾波。另外。還要注意數字電路和模擬電路的隔離。
3 結束語
經在實際系統中的調試證明，本文所介紹的方案能有效地實現100 MHz以下信號的程控放大，且成本較低，具有一定的實際意義。
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