（测试计量技术及仪器专业论文）数字存储示波器500mhz宽带模拟通道设计.pdf

摘要 摘要 模拟通道是整个数字示波器最重要的组成部分之一，数字示波器模拟通道的 带宽是评价示波器性能的主要指标。随着数字示波器的飞速发展，其模拟通道带 宽成为制约其发展的瓶颈之一。因此，设计具有噪声更低、带宽更高、交直流特 性更好的模拟通道是数字存储示波器研究的重要内容。 本论文将介绍模拟带宽可达5 0 0 m h z 的数字存储示波器模拟通道的设计，本 设计的主要任务为5 0 0 m h z 带宽模拟信号垂直调理通道的设计，为了满足设计任 务，需要同时设计配合其工作的5 0 0 m h z 带宽的触发通道及通道控制电路，此外， 为了确保示波器测试信号的准确性，还需加入自动校正模块的设计。 垂直信号调理通道为整个数字存储示波器模拟通道设计中最重要的部分。本 文阐述了通过功能强大的数控增益放大器、高速差分运算放大器以及较成熟的无 源衰减网络与阻抗变换网络共同设计出的带宽可达5 0 0 m h z 的模拟信号调理通道。 开拓性的将通道中增益调节部分由原来的三部分减少至两部分，增加了电路的可 靠性，降低了调试的难度。并在阻抗变换网络后就将信号转变为差分信号，增强 了电路对噪声的抑制和抗干扰性。 触发通道选用了更高性能的模拟多路选择器、视频分离器和高速比较器，在 提供了高质量的边沿同步信号和视频同步信号的同时，还简化了电路。 通道控制采用性能更好的串并转换器，芯片自带的所存功能提高了电路的稳 定性。 自动校正模块使用精度更高的运算放大器，提高了校正电压的准确性。 关键词：模拟通道数控增益放大器自校正触发抗干扰 a b s t r a c t a b s 仃a c t a n a l o gc h a n n e l s f i r e p i v o t a lp a r t o fd i g i t a l s t o r a g eo s c i l l o s c o p e ( d s o ) t h e b a n d w i d t ho fd s o a n a l o gc h a n n e l si st h ee v a l u a t i o no fs e v e r a lk e yi n d i c a t o r so f p e r f o r m a n c e w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fo s c i l l o s c o p e s ，t om e e tt h ed e s i g n n e e d st ob ed e s i g n e dw i t hi t st r i g g e rb a n d w i d t ho f5 0 0 m h za n dc h a n n e la c c e s sc o n t r o l c i r c u i t ，i no r d e rt oc o m p l e t et h eo s c i l l o s c o p et o t e s tt h ea c c u r a c yo fs i g n a l st ob e a u t o m a t i c a l l yc o r r e c t e db ya d d i n gt h ed e s i g nm o d u l e t h i sp a p e rw i l li n t r o d u c et h e d s o sa n a l o gc h a n n e ld e s i g n ，w h o s eb a n d w i d t hi su pt o5 0 0 m h z t h em a i nt a s ko ft h i s d e s i g ni s5 0 0 m h zb a n d w i d t ha n a l o gs i g n a lc o n d i t i o n i n gv e r t i c a lc h a n n e ld e s i g n ，f o e 5 0 0 m h zt r i g g e rc h a n n e ld e s i g n v e r t i c a ls i g n a l c o n d i t i o n i n gc h a n n e li s t h em o s t i m p o r t a n tp a r to ft h ed s o sa n a l o gc h a n n e ld e s i g n i nt h i sp a p e r ，t h ep o w e r f u ld i g i t a l l y c o n t r o l l e d ，v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r ，h i 曲s p e e dd i f f e r e n t i a la m p l i f i e r ，a sw e l la sm o r e m a t u r ep a s s i v ea t t e n u a t i o nn e t w o r ka n di m p e d a n c et r a n s f o r m a t i o nn e t w o r ko fa r eu s e d t od e s i g nt h e a n a l o gs i g n a lc o n d i t i o n i n gc h a n n e l ，w h o s eb a n d w i d t hi s5 0 0 m h z t h ep a r t s o fc h a n n e lg a i nr e d u c t i o na r ec h a n g e df r o mt h eo r i g i n a lt h r e ep a r t st ot w op a r t s ，a d dt h e s t a b i l i t yo ft h ec i r c u i ta n dr e d u c et h ed i f f i c u l t yo fd e b u g g i n g t h es i g n a li sp u ti n t oa d i f f e r e n t i a ls i g n a l ，a f t e rt h ei m p e d a n c et r a n s f o r m a t i o nn e t w o r k ，w h i c he n h a n c e dt h en o i s e s u p p r e s s i o nc i r c u i ta n dt h ea n t i - j a m m i n g t h e t r i g g e rc h a n n e ls e l e c t e dm o r eh i g h - p e r f o r m a n c ea n a l o gm u x ，v i d e os p l i t t e r s ， a n dh i g h - s p e e dc o m p a r a t o r s i nt h ep r o v i s i o no fh i 班一q u a - l i t ye d g es y n es i g n a la n d v i d e os y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l s ，i ta l s os i m - p l i f i e st h ec i r c u i t a c c e s sc o n t r o lu s i n gt h es t r i n go fb e t t e rp e r f o r m a n c ea n dc o n v e r t e r ，s t o r e di nt h e c h i pb u i l t - i nf e a t u r e st oe n h a n c et h es t a b i l i t yo ft h ec i r c u i t s e l f - c a l i b r a t i o nm o d u l eu s e sah i g h e rp r e c i s i o no p e r a t i o n a la m p l i f i e r , t oi m p r o v e t h ea c c u r a c yo ft h ec a l i b r a t i o nv o l t a g e k e yw o r d s ：a n a l o gc h a n n e l ，d c v g a ，s e l f - c a l i b r a t i o n ，t r i g g e r ，a n t i - j a m m i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 毯三蕴 日期：劢毋年5 月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签轹弓蝴导师签名： 日期：洲年s 月j ? 曰 第一章绪论 1 1 数字存储示波器的概述 第一章绪论 本论文将介绍带宽可达5 0 0 m h z 的数字存储示波器模拟通道的设计。示波器 是电子测量中一种最常用的仪器。它可以用来观察、测量、记录各种瞬时物理现 象并显示其与时间的关系【1 1 。数字存储示波器的工作原理可简单表述为：输入到示 波器中的被测信号通过模拟信号调理通道后被调理成一定幅值的信号，经模数转 换器转换后被量化成数字信号，这些数字信息被d s p 处理后进行波形重构，最终 将信号波形显示在l c d 上供用户观察【2 】。因此，若数字存储示波器具备了完善 的数据采集系统及显示系统时，模拟通道的带宽就成为了评价示波器性能的最主 要指标。 数字存储示波器自上个世纪七十年代诞生以来，已成为现代测量领域的一种 必不可少的通用测试仪器。随着示波器的发展，不仅带宽及采样速率不断提升， 其功能也不断的延伸。尽管国内设计示波器的技术水平与国际水平相比还有很大 的差距，但国内研发人员还在不断努力，争取早日达到国际水平。 数字存储示波器的优点，主要表现在1 3 j ： ( 1 ) 单次信号捕捉：数字存储示波器能够捕捉到像电源开、关或故障发生瞬 间这样的单次瞬态事件。 ( 2 ) 波形处理：数字存储示波器内部嵌着一个微处理器，它具有对被测信号 完成幅度和时间等参数进行测量以及波形运算等功能。 ( 3 ) 数据存储：数字存储示波器带有非易失性的波形存储器，它们能够提供 与数字存储示波器兼容的存储卡或软盘。示波器也能够容易地与许多绘图仪或打 印机相连来进行高质量的硬拷贝。 ( 4 ) 更多的触发功能：数字存储示波器能够提供许多模拟示波器没有的触发 功能。如预触发、触发释抑等。 ( 5 ) 自动测试：数字存储示波器能够提供自动测试功能，简化了使用者的操 作，使仪器更加智能化。 评价数字存储示波器最重要的指标为其模拟通道带宽和采样速率。其中，模 拟通道带宽，取决于示波器的前端器件，如探头，放大器等；数字存储示波器的 电子科技大学硕士学位论文 采样速率，最主要决定于数模转换器的采样速率，与数模转换器的拼合技术也有 一定关系。提高示波器指标主要就是指提高这两个方面的性能。这两者之间，模 拟通道带宽的设计更为复杂，受外界干扰影响较大，因此，通道带宽是数字存储 示波器发展的瓶颈，制约着数字存储示波器的发展。本文基于数字存储示波器设 计的5 0 0 m h z 带宽的模拟通道展开论述。 具有较高带宽的数字存储示波器与低带宽仪器相比，能更加深入地了解信号 特性，能更好地在更短的上升时间内进行测量并捕捉和存储大量数据。在使用高 带宽仪器时，地弹、噪声、串扰及其它许多偏差都更易于观察到。如本设计调试 过程中，遇到不明原因噪声时，需测试产生噪声的位置。若噪声大于1 0 0 m h z ，使 用1 0 0 m h z 示波器测试并不能发现噪声的存在，而通过泰克5 0 0 m h z 示波器及高 频探头就可以找出噪声的来源。由此可见，1 0 0 m h z 示波器的使用有一定局限性， 有时会严重影响问题的解决，高带宽示波器在测试领域具有非常重要的作用。近 年来，示波器的带宽越做越高，在模拟通道部分保持良好的幅频响应和相频响应 越来越困难。除此之外，由于进入高频段，对于触发电路的要求也同样更加严格。 因此，如何拥有一个良好的信号调理电路和触发电路，成为了数字存储示波器设 计的首要问题。 目前，本研发部设计示波器产品的模拟通道带宽最高仅2 0 0 m h z 。所以，设计 具有频带更宽、噪声更低、交直流特性更好的模拟通道对示波器的发展具有重要 意义，模拟通道的设计也就成为数字存储示波器设计的关键环节。 1 2 数字存储示波器模拟通道的现状及示波器未来发展趋势 1 2 1 国际示波器的模拟通道的现状 国际数字存储示波器的领域，最主要的生产厂商是泰克公司、力科公司和安 捷伦公司。 泰克公司创始人在1 9 4 6 年发明了世界上第一台触发式示波器，始于这个突破 性的技术创新，如今的泰克已经崛起成为全球最大的测试、测量和监测设备供应 商之。现在，泰克公司在全球1 9 个国家都设有办事机构，2 0 0 6 年销售收入超过 1 1 亿美元。该公司早在2 0 0 0 年就推出了模拟带宽为4 g h z 带宽的示波器，以后陆 续在2 0 0 2 年和2 0 0 4 年推出了模拟带宽分别为6 g h z 和8 g h z 的示波器。目前，泰 克的最先进的数字示波器的模拟带宽已经高达8 0 g h z 。【4 】 2 第一章绪论 力科公司是一家专门从事高端数字示波器研发的公司。2 0 0 8 年1 月2 日，力 科公司新推出的w a v e m a s t e r8 z i 系列数字示波器，此系列示波器提供了最高可达 3 0 g h z 的带宽、8 0 g s s 的采样率、5 1 2 m h z 采样点分析功能及 1 5 g h z 的边沿触发 功能。力科公司在同一个硬件平台基础上设计了8 一z i 系列，支持全部8 种型号， 提供了4 3 0 g h z 的带宽。这就意味着工程师可以利用自己的投资，并紧跟新兴高 速技术和串行数据标准，他们只需为当前设计购买所需的带宽，在需要变化时再 升级到更高的带宽。这在经济衰退时期特别有吸引力，因为各个公司都在力图最 大限度地降低资本投资，尤其，力科示波器可以升级到3 0 g h z 的带宽。其中 w a v e m a s t e8 3 0z i 数字示波器的带宽为3 0 g h z 实时带宽，为世界上速度最快的实 时示波器。在示波器技术研发部分与泰克相当。【5 】 安捷伦公司的i n f i n i i u m 系列数字存储示波器覆盖1 g h z 至7 g h z 的带宽，各 种探头的最高带宽达到8 g h z ，也是泰克的主要竞争对手之一。 目前，数字示波器的模拟带宽最高可达1 0 0 g h z 。技术领先的数字示波器生产 商都采用集成电路的方式设计模拟通道。泰克公司和力科公司均采用了硅锗 ( s i g e ) 材料，这种材料有很高的射频特性，并且与c m o s 工艺兼容。例如，2 0 0 4 年泰克公司推出的带宽为8 g h z 的t d s 6 0 0 0 b ，就是采用了m m 的0 1 8 u m7 h ps i g e 技术。正是依靠这种材料和工艺的进步，数字示波器的带宽得到迅速提高。安捷 伦公司虽然没有使用硅锗技术，但凭借其在s i 、g a a s 、以及e p h e m t 等方面的 卓越水平，也将模拟带宽迅速提高。另外值得一提的是，最初前端模拟电路采用 厚膜的封装方式，现在正逐步向薄膜封装的方向发展。二者的区别在于厚膜电路 的设计灵活、可靠性高、成本较低，而薄膜电路对于电阻和电容值的控制更为精 确，性能更高且体积更小。正是由于集成电路式的模拟通道引入到示波器设计中， 极大地减小了通道占用面积，泰克、力科、安捷伦等生产厂商陆续推出四通道、 八通道等示波器。 1 2 2 国内示波器的模拟通道现状 国内示波器生产商的研发技术水平与国际技术领先的示波器生产商之间还有 较大差距，因此，高端示波器在国内仍是泰克、安捷伦等公司的产品占据市场。 随着电子产业的发展，国内对示波器等测量仪器需求巨大，对高性价比的测量仪 器的需求强烈。国内示波器生产商主要占据此部分市场。 3 电子科技大学硕士学位论文 以北京普源精电科技有限公司( 对g o l ) 为代表的中国示波器生产企业，经 过不懈努力，已逐步占有国内市场。r i g o l 是国内领先从事测量仪器研发、生产 和销售的高新技术企业，其示波器产品的模拟带宽有2 5 m h z 、4 0 m h z 、6 0 m h z 、 1 0 0 m h z 、2 0 0 m h z 、3 0 0 m h z 等几个系列的产品，并于2 0 0 8 年4 月r i g o l 推出 国内第一台拥有4 通道，完全符合l x i 规范的数字示波器d s l 0 0 0 b 系列。江苏绿 扬电子仪器集团拥有带宽从6 0 m h z 到1 0 0 m h z 的系列产品。而优利德科技也有带 宽从2 5 m h z 至2 0 0 m h z 的一系列产品，并且3 0 0 m h z 与5 0 0 m h z 带宽的模拟通道 已经设计并调试成功，待与其匹配的采集系统验证成功后，3 0 0 m h z 与5 0 0 m h z 带宽的数字示波器产品即可投入市场。目前，多家国内厂家生产的示波器凭借其 高性价比已远销至国际市场。 6 】 由于国内的数字存储示波器研究起步较晚，且模拟通道部分都是用分立元件 搭建，集成化技术不足，因此，与国外示波器模拟带宽相比差距仍然相当大。 1 2 3 示波器未来的发展趋势 无论是国内还是国外，设计带宽更高的模拟通道，采样速率更高的采集系统 始终是整个示波器设计的主旋律。在整个行业对数据速率极限永无止境的挑战过 程中，示波器一直承担着系统设计和错误排除等应用中最为重要的任务。随着电 子产业不断引入新兴技术和标准，示波器也正在不断进化发展以应对层出不穷的 新挑战。 以下从几个方面介绍未来示波器的发展方向： 第一：模拟带宽频率更高 作为示波器的技术衡量指标，其重要性显而易见。国外高端示波器设计公司 仍然会不断创新，设计出具有更高带宽的示波器；国内示波器设计公司应参考国 外的设计，结合国内集成电路的工艺，早日研制出高抗干扰性的集成化模拟通道， 早日追上的国外数字示波器公司的设计水平。最初是一种对某种信号进行定性观 察的工具，但随着科技的进步，现在的数字示波器已经拥有了强大的定量分析能 力，如信号波形间的加减运算、傅立叶变换、诸如上升时间，过冲等波形参数的 测量等。可以预计，在将来，这种定量分析能力将会更加强大。 第二：不断满足行业测试新标准 未来的通信和娱乐消费电子行业，特别是电源设计领域，新的应用和标准不 断涌现，电子设计工程师在技术开发的过程中每天都要面临着这些新技术所带来 4 第一章绪论 的挑战。示波器制造企业就需要针对这些新的标准推出自己的解决方案和工具， 从而帮助用户基于这些新的技术开发出新的产品，而这些产品最终能够促进整个 电子行业的发展。 第三：功能集成趋势明显 未来市场的发展让示波器需要面对更多的应用，因此示波器的多功能集成对 于测试供应商来说更为重要。所以企业在开发测试平台时不仅要提供多功能硬件 平台，同时也要通过提供合理的应用软件来丰富测试平台，使其能够面对各种复 杂的测试任务。如：优利德公司2 0 0 8 年推出了u t 4 0 0 0 数字存储示波器，此示波 器除具备通用示波器的两路模拟信号输入外，还兼容了十六路逻辑分析仪，扩大 了示波器的测试范围，既可测试模拟信号，还可以测试数字信号。除此之外，此 示波器在设计时结还合了公司的传统技术项目，将万用表模块设计于其中。由于 万用表对电压测试的准确度要比示波器高，且具备了示波器不具备的测量电流、 电容等功能。因此，以上附加功能的设计极大地增加了示波器的实用性。未来的 示波器还将向小型化，更高集成化方向发展。 1 3 本设计的主要任务指标 本设计的任务是设计带宽为5 0 0 m h z 的应用于数字存储示波器的模拟通道， 要求达到以下指标： ( 1 ) 通道模拟带宽：5 0 0 m h z ( 2 ) 垂直通道档位：5 m v d i v - - 5 v d i v ( 1 - 2 5 步进) ( 3 ) 输入阻抗：1 m q 5 0 q 可选 ( 4 ) 触发类型：边沿触发和视频触发 ( 5 ) 触发源：外触发、通道1 信号、通道2 信号、交流信号( 5 0 h z ) ( 6 ) 自动校正系统验证 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章5 0 0 m h z 模拟通道总体设计方案 图2 1 数字示波器的结构框图 6 第二章5 0 0 m h z 模拟通道总体设计方案 模拟通道是示波器的重要组成部分，也是信号采集系统的核心部分之一。图 2 1 介绍了数字存储示波器的设计框图，由图中方框可知，模拟通道主要包括模拟 信号垂直调理通道和触发通道两部分。其中信号垂直调理通道为模拟通道设计的 关键，也是示波器带宽最重要的限制因素。本论文即将介绍示波器原理框图中方 框内模拟通道电路的设计及外围控制电路的设计。 由于h o c ( 数模转换器) 的输入范围都比较小( 一般低于1 v p p ) ，不可能满足示 波器几十伏甚至几百伏的输入范围，所以必须设计信号垂直调理通道对信号进行 不失真的处理后输出，以达到a d c 的输入要求。通常情况下所讲的“示波器的模 拟带宽即为模拟信号调理通道的带宽。模拟带宽是评价示波器性能的重要指标。 从模拟示波器发展到数字示波器，模拟带宽一直为制约示波器发展的一大瓶颈， 因此，设计一款高带宽的模拟通道，对示波器的研发具有重要的意义。 触发通道的作用是保证每次屏幕扫描的时候，扫描位置都从输入信号每个周 期上某一精确确定的点开始，从而保证了信号波形稳定的显示在屏幕上，便于观 察及测试。用于触发的信号可分别设置为：l 、通道一信号触发；2 、通道二信号 触发；3 、外触发信号；4 、交流电源触发四种。分别应用于不同的测试要求。 2 1 模拟信号调理通道设计方案 图2 - 2 信号垂直调理通道设计 如图2 2 所示信号垂直调理通道主要由交直流耦合、直通衰减网络、阻抗变 换网络、数控增益调节电路、垂直偏移调节与a d c 驱动五部分组成。其中交直流 耦合与直通衰减网络的控制是通过f p g a 对通道控制模块的控制实现的。而d a c 则用来调节通道的直流偏移电压，包括：1 、将阻抗变换网络输出级的直流偏移电 压调为零；2 、在调偏电路模块进一步调节零偏与调节信号在屏幕中垂直位置的偏 移。具体功能的实现将在第三章中做详细介绍。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2 触发信号通道设计方案 刮发黟 触发源选 择及交直 f p g a 流耦合控 制模块 剖较器冷- - v 图2 - 3 触发通道设计 触发通道包括触发源选择、视频触发、高速比较器、通道控制和外触发信号 调理几部分。触发源选择由一个多路复用器来控制。测试时通常采用信号源对应 的通道信号输入高速比较器的产生同步信号，通过数模转换器调节触发电平位置， 使每个周期波形显示的起始位置固定于由比较器输出方波的固定位置( 如上升沿 位置) ，信号触发后即可看到稳定的波形。 视频信号作为一种通用信号被应用于多种场合，因此，视频信号也是示波器 须具备的一大功能，但因视频信号非常复杂，通用的示波器触发方式无法使视频 信号稳定触发。因此，设计时，触发通道通过设置视频信号分离器将信号分为简 单的可测信号从而实现视频触发，具体电路设计将在第4 章中详细介绍。 2 3 通道控制电路设计方案 为完成示波器模拟通道设计，通道控制设计必不可少。图2 1 已简述了数字存 储示波器模拟通道中需要控制的部分，图中已由虚线表示出来。 模拟信号调理通道需要控制的部分有： ( 1 ) 两通道信号的交直流耦合； ( 2 ) 无源衰减网络控制； ( 3 ) 阻抗变换网络调零电路的电压控制； ( 4 ) 偏移调节电路的控制。 触发通道需要控制的部分有： ( 1 ) 触发通道多路选择器的控制； ( 2 ) 触发通道交直流耦合控制； ( 3 ) 低频抑制； 8 第二章5 0 0 m h z 模拟通道总体设计方案 ( 4 ) 高频抑制； ( 5 ) 触发比较电平控制； ( 6 ) 视频触发信号控制。 对以上各部分的控制主要通过串并转换器控制相应继电器和d a c 输出对应的 电压来实现。而以上数据均由d s p 控制f p g a 产生串行数据输入相应芯片来产生。 2 4 抗干扰设计及高速p c i 3 布板 随着示波器的测试频率飞速提高、测试范围不断扩大，以往模拟示波器无法 识别的噪声、干扰已经成为影响示波器指标的重要因素。在设计模拟通道时，如 何找到和分析干扰源，并将噪声和干扰消除，是模拟通道设计的重要工作。 示波器任何的模拟电路设计，特别是高速模拟电路设计，p c b 布线方面都是 电路设计时首要考虑的因素。尽管是相同的电路原理，由不同设计人员绘制的p c b 电路板，其频率响应也可能出现巨大的差异。 综合以上问题，结合高速电路板设计相关资料及实际调试经验，本论文于第6 章对如何进行抗干扰设计及高速p c b 做了详细阐述。 9 电子科技大学硕士学位论文 第三章信号垂直调理通道的设计 信号垂直调理通道设计是模拟通道设计的核心内容。本设计中a d c 的输入范 围为5 0 0 m v 峰峰值。其中大档位和小档位的平衡、高频与低频的兼顾是设计时要 解决的关键问题。本章将从方案和主要器件的选择与确定、具体功能电路的设计 及相关的理论几个方面进行介绍。 3 1 设计方案的选取和确定 绍： 根据设计目标，并结合本人参与设计、调试的以往方案，以下将进行对比介 图3 - 1 信号调理通道设计方案( 1 ) 方案( 1 ) 类似于以往的垂直信号调理通道设计方案。使用压控增益放大器 ( v g a ) 。压控增益的调节与数控增益调节最大区别是具有很好的精度和连续性， 以往使用的为a d i 公司的a d 8 3 3 7 ，在模拟带宽低于1 5 0 m h z 的情况下使用可以 取得很好效果。此设计使用的v g a 为t i 公司的v c a 8 2 1 ，其小信号带宽可达 7 1 0 m h z ，通道仅改变v g a 增加带宽，而其他已经比较成熟的模块保持不变，因 此，会使通道设计软硬件改动最小且便于调试。从产品工程方面考虑，对于2 0 0 m h z 和3 0 0 m h z 模拟通道比较适用。在调试过程中发现，此方案中，若v c a 8 2 1 增益 较大时，其工作性能会明显下降，甚至带宽会下降至2 0 0 m h z 以下( 与其 d a t a s h e e t 上大信号带宽3 2 0 m h z 不符) 。因此，使用此方案时需要均衡前级 衰减倍数，使v g a 工作于信号低增益模式后可以应用于2 0 0 m i - - l z 通道。 l o 第三章信号垂直调理通道的设计 图3 - 2 信号调理通道设计方案( 2 ) 方案( 2 ) 是用数字步迸放大器( d s a ) 代替了可变增益放大器。本设计采用 的是美国国家半导体公司的l m h 6 5 1 8 ，其3 d b 带宽为9 0 0 m h z 。使用数字步进衰 减器其优点为可以直接控制增益大小，缺点为连续性不好，例如l m h 6 5 1 8 可从 1 1 6 d b 一3 8 8 d b 以步进为2 d b 准确的控制增益值，同时还具有插入损耗小，控制 简单等特点，但其缺点就是对信号的增益控制不连续，无法实现信号幅度的精确 调整。考虑到采集系统中a d c 的内部校正模块可在+ - 1 5 d b 范围内校正，可实现 精确校正。此方案应用l m h 6 5 1 8 可将单端转为差分的特性，将单端信号输入 l m h 6 5 1 8 经增益调节输出差分信号。输出后接差分运放l m h 6 5 5 2 ，触发信号输 出与偏移调节电路均在此处完成。 图3 - 3 信号调理通道设计方案( 3 ) 如图3 3 所示，方案( 3 ) 类似于方案二，区别是：信号经过阻抗变换网络后， 首先通过l m h 6 5 5 2 将单端信号转化为差分信号后再输入l m h 6 5 1 8 。后级设计与 方案( 2 ) 相同。 从理论上讲，方案( 1 ) 仅可以实现设计2 0 0 m h z 通道的要求，方案( 2 ) 、 ( 3 ) 均可满足5 0 0 m h z 设计要求。为了使l m h 6 5 1 8 的性能达到最高，本设计选 用方案( 3 ) 作为最终的设计方案，具体调试过程将在以下介绍。 3 2 无源衰减网络 无源衰减网络是示波器模拟信号调理通道重要的组成部分。而数控增益放大 器的衰减范围有限，无法满足大档位的衰减要求，因此，必须设计一套可控的衰 减网络与其配合。本设计中采用无源衰减网络形式，它是一种由r 、c 等无源器件 构成，并可通过改变阻容元件的值，调整衰减倍数。其结构如下图所示： 电子科技大学硕士学位论文 c l r 3 c 2 图3 _ 4 无源衰减网络电路 由图3 4 可知，无源衰减网络通过一个双刀双掷的继电器来实现对直通与衰减 档位的切换。对其的控制是由c d 4 0 9 4 输出的高低电平来控制其通断，具体过程将 在通道控制模块介绍。无源衰减网络的衰减倍数： k ：旦：r + r 2( 3 1 ) 圪l fr 2 由于大信号进入通道时，其电平往往高于有源器件可承受的最大电压，故必 须将无源衰减网络设计为信号调理通道的第一级，而示波器要求输入的对地电阻 为1 m h z ，因此，在选取电阻时要在满足衰减倍数k 值的基础上，调整阻值达到。 r1 + r2 r = 1mq( 3 2 ) r 约等于直通档时对地1 m 电阻( r 为阻抗变换网络之后的信号对地电阻) 。 本设计中需要衰减5 0 倍，综合以上因素，r 1 与r 2 取9 7 5 k 与2 5 k 。鉴于高频时分 布电容的影响，需要对衰减网络进行补偿。对补偿电容值的选择无法用公式计算。 本设计借助了o r c a d 的p s p i c e 仿真软件，通过反复仿真测试，使信号在所有频 率通过此网络都以固定k 值衰减。 1 2 第三章信号垂直调理通道的设计 f 毒：f ：；一：_ o ：_ ：o ：p ：_ ：= z _ ：o ：t - = ： ：。：。；：o ，：0 。 ：；，： “7 i i _ f ? _ _ i j ：| _ f 一_ f i 了了_ i # ”：_ l i ， r 、 t + - 卜：! j j ，i | - _ 。：，。 ! ，：； ： 一1 l - ：卜一- 一- ：一， ： h_ 。 | 一 i ，_ 。卜- _ _ 。- - 。p _ l _ - _ 。_ _ 。_ _ 。，_ _ - 1 卜中_ - 。- _ _ 卜_ _ _ 卜_ _ _ _ _ _ - _ ，_ _ _ _ _ _ _ ，- - 叶 1 。二+ j 。j ! + ： ： 1+-。， - - ：t 一，= 一；- - ：- 一，一 。l。；， r 一”，；。，t 1：i ：。： ：= ：_ ：- ：一一一：一： j ：“ ! ：一：j ：_ ：，_ ，i：1 图3 - 5 无源衰减网络仿真图( 按对数形式显示) 补偿不理想 a， ： i 。 tr - 一- 。一，- 一j 一r - 一- ： 。； 。； l!； - ，- - - 。：- - - - - - - 二- - - “，- - - ，- ；- - - ：； 卜，。o 图3 - 6 无源衰减网络仿真图( 按对数形式显示) 补偿理想 经过仿真测试电路正常工作后，由于不同电路板的分布参数也不同，所以， 在实际调试过程中，实际结果与仿真结果往往存在微小的偏差。为了消除此偏差， 在电路中补偿电容分为两个。一个固定l o p f ，另一个为l o p f 的可调电容。可通过 调节电容值使衰减网络达到最佳效果。 在无源衰减网络实际p c b 布板方面， 高低电平的跳变很容易带来信号的干扰， 有以下几方面必须注意：首先，继电器 若没将继电器焊盘下面的参考层挖空， 通道电容效应可以直接耦合到信号内部，从而带来干扰。其次，由于本设计中使 用的电阻均为贴片电阻，而贴片电阻的耐压值较低，且r l 两端压差很大，故在设 计时将r 1 分为两个电阻串联分压使用，从而避免了电阻损坏。最后，后级阻抗变 换网络中射随器的输入级为场效应管，对电压的变化极为敏感，衰减前的大信号 很可能对衰减后小信号产生干扰，因此，在设计p c b 时应该使衰减网络的信号输 电子科技大学硕士学位论文 入点尽量远离阻抗变换网络，并把无源衰减网络中信号主线下面的参考层挖空， 最大限度的减少分布电容对电路的影响。 3 3 阻抗变换电路 阻抗变换网络由其名称可以看出它能够实现阻抗变换，具体作用是将输入阻 抗变得很高，通常在兆欧以上；将输出阻抗变得很低，通常低于5 0 欧。其目的是 为了隔离前后级电路之间的影响，增加对后级的驱动能力，其工作原理如图2 1 0 所示。 图3 - 7 阻抗变换电路 如图3 7 ，阻抗变换网络的主要器件有：一个运算放大器、两个场效应管、一 个三极管以及一些阻容元件构成。图中v i n 为通过无源衰减网络输出的信号，结合 前面所提及的无源衰减网络，由式( 3 2 ) 可知，使用衰减网络计算衰减倍数时， r 2 与r 并联计算。选取1 m 的r 为满足衰减网络选直通时1 m 对地电阻，由于运 算放大器是高阻输入，本设计可选用r i + r 2 = r = i m 。至于r l 与r 2 阻值的选取将 通过以下分析介绍。 1 4 第三章信号垂直调理通道的设计 3 3 1 主要器件介绍 本设计阻抗变换网络中使用的运算放大器为a d 8 5 1 2 、场效应管为k 2 6 、三极 管使用r 2 5 。以下分别进行介绍。 a d 8 5 1 2 为美国a d i 公司的一款低噪声精密w e t 放大器，具有低失调电压、 低输入偏置电流、低输入电压噪声和低输入电流噪声等特性。低失调、低噪声和 极低输入偏置电流这些特性相结合，使这些放大器特别适合高阻抗传感器放大以 及采用分流的精密电流测量。直流精度、低噪声和快速建立时间特性相结合，则 使医疗仪器、电子测量和自动测试设备可以获得优异的精度。与许多竞争产品不 同，即使容性负载相当大，a d 8 5 1 2 也能保持快速建立性能。a d 8 5 1 2 作为阻抗变 换网络直流通路中运放。其作用相当于电压跟随器，即通过运算放大器特性将原 有电压幅度不变，由于此运放为j f e t 放大器，所以将输入阻抗变得很大，输出阻 抗变得很小。不同于许多旧式j f e t 放大器，当输入电压超过最大共模电压范围时， a d 8 5 1 2 仍不会发生输出反相。其主要参数：3 d b 带宽为8 m h z ；摆率为2 0 v u s 【7 j 。 其特性如下： ( 1 ) 0 1 快速建立时间：5 0 0n s ； ( 2 ) 低失调电压：4 0 0 “v ( 最大值) ； ( 3 ) 低t c v o s ：1 川o c ( 典型值) ； ( 4 ) 低输入偏置电流：2 5p a ( 典型值，v s = 士1 5 ； ( 5 ) 低噪声：8n v 4 h z ( 典型值，f = 1k i - t z ) ； ( 6 ) 低失真：0 0 0 0 5 ； ( 7 ) 无反相； ( 8 ) 单位增益稳定。 本设计主要用于直流通路。只要求其精度高、噪声低，对该运放的摆率等高 频参数没有要求。因此，从以上参数可知，该运放适用于本设计。因其输入电压 范围为2 0 v 至2 5 v 。由于不同档位输入电压大小不同，为使电压不超过运放输入 范围，结合阻抗变换网络需采用对地1 m 电阻，设计电路将1 m 电阻变为两个电阻 分压后接入运放，并在后级以相同比例电阻将信号放大，还原为相同大小电压并 且实现了阻抗变换，即可达到设计要求。 由于本设计场效应管与双极型三极管组合使用，故在此将二者结合起来介绍。 场效应管具有输入阻抗高，噪声低等特点，被广泛的应用与电子设备的输入级， 1 5 电子科技大学硕士学位论文 如以上介绍的a d 8 5 1 2 为高阻输入，即通过场效应管作为输入级实现的高阻输入。 下面结合实际的设计经验，对场效应管和三极管的选择做简单阐述。 场效应管的基本工作原理就是通过外加电场对沟道的几何形状进行控制，以 改变沟道电阻的大小。场效应管主要分为三类：结型场效应管、绝缘栅场效应管 和金属场效应管。它们虽然结构不同，但是性能上却大同小异。这些场效应管的 输入阻抗都很高，而绝缘栅场效应管的输入阻抗最高。有很多重要的参数，但我 们在选择场效应管时，场效应晶体管的主要参数应符合应用电路的具体要求。小 功率场效应晶体管应注意输入阻抗、低频跨导、夹断电压( 或开启电压) 、击穿 电压待参数。大功率场效应晶体管应注意击穿电压、耗散功率、漏极电流等参数。 主要考虑的几个参数是：v o s ( 蚴x ) ，i g ( ，一) ，i d s s ，v p ，c r s 。 v d s 。m 积，为场效应管的漏极和源极所能承受的最大电压，i g 。m 舣，为场效应管的 门极的最大电流，i d s s 为场效应管的饱和漏电流，在选择时，要考虑到电路的极限 情况，避免电压超过这些参数使管子损坏，从而影响电路功能。c r s 为场效应管的 反馈电容，在选择时，应该越小越好。v p 为场效应管的夹断电压，表征漏极电流 与门源极电压的关系特性。 同时，由于很多场效应管都没有明确的标注其频率特性，所以在选择时，一 定要注意其说明文档中所标称的使用场合，如v h f ( 甚高频) 或u h f ( 超高频) 等。 以往使用的n e c 的k 2 6 、p h i l i p s 的b f 5 1 3 和s i l i c o n i x 的s s t 5 4 8 5 其频 率带宽都最高的b f 5 1 3 只能达到3 1 8 m h z ，因此需要使用高带宽的场效应管，而 高达1 g 带宽的n 沟道硅双栅极m o s 场效应管b f 9 9 8 ，即可应用到设计中。 选用三极管需要了解三极管的主要参数。三极管的参数很多，根据实践经验， 本人认为主要需了解三极管的四个极限参数：i c m 、v c e o 、p c m 及夕即可满足使用 需要【8 1 。 ( 1 ) i c m 是集电极最大允许电流。三极管工作时当它的集电极电流超过一定 数值时，它的电流放大系数将下降。为此规定三极管的电流放大系数变化不 超过允许值时的集电极最大电流称为i c m 。所以在使用中当集电极电流i c 超过i c m 时不至于损坏三极管，但会使值减小，影响电路的工作性能。 ( 2 ) v c e o 是三极管基极开路时，集电极发射极反向击穿电压。如果在使用 中加在集电极与发射极之间的电压超过这个数值时，将可能使三极管产生很大的 集电极电流，这种现象叫击穿。三极管击穿后会造成永久性损坏或性能下降。 1 6 第三章信号垂直调理通道的设计 ( 3 ) p c m 是集电极最大允许耗散功率。三极管在工作时，集电极电流在集电 结上会产生热量而使三极管发热。若耗散功率过大，三极管将烧坏。在使用中如 果三极管在大于p c m 下长时间工作，将会损坏三极管。需要注意的是大功率三极 管给出的最大允许耗散功率都是在加有一定规格散热器情况下的参数。使用中一 定要注意这一点。 ( 4 ) 特征频率疗。特征频率是双极型晶体管最重要的频率参数之一p j 。为了 具体说明厅的含义，定义为共射交流电流放大系数，即 =拿陋=常数名等cecli bi b = 。 3 ) 当频率较低时，夕z 是与频率无关的实常数，当频率很高时，由于晶体管 内p n 节的电容效应，使得f c 和如与输入信号不再同相，幅值也和频率有关系， 三极管的放大能力将会下降。当f l = l 时的频率厅叫做三极管的特征频率。此时集 电极电流增量和基极电流增量相等，共射接法的b j t 失去电流放大能力。 在实际应用中，双极型晶体管的工作频率应该远远小于特征频率，一般选用 特征频率是输入信号频率1 0 倍的管子。另外需要说明的一点就是，特征频率高的 三极管适合应用于高频电路，但是在低频电路里用特征频率太高的三极管有可能 引起高频振荡，由于本设计的数字存储示波器观测信号的频率是从直流开始，所 以在电路设计时，要采取必要的措施，减小噪声干扰，防止观测低频信号时产生 的高频振荡。在调试过程中，曾遇到过高频振荡，当时即通过调整阻容元件的参 数，如调整r 8 的阻值，消除了振荡产生的噪声。