（测试计量技术及仪器专业论文）高速vxi任意波形发生器的模拟通道设计.pdf

高速v x i 任意波形发生器的模拟通道设计 中文摘要 本文结合电子科技大学承担的军用型号项目v x i 任意波形发生器e s l 4 v 2 1 ， 展开对任意波形发生器模拟通道设计技术的研究，详细讨论了信号的滤波、放大、 衰减、加偏处理以及方波和调幅波的产生方式，并设计了具体电路。同时，本文 对高速电路板设计和电磁兼容性作了一定分析，并针对波形发生器的要求，采取 了相应的措施和技术，有效地提高了硬件性能和抗干扰能力。 本文的主要内容如下： 1 ，通过对d d s ( d i r e c td i g i t a l $ r n t h e s i s ) 系统输出波形的频谱特性分析，提 出用单个低通滤波器对所有频率的信号进行滤波处理，避免了使用滤波 器组，简化了硬件结构。最后给出低通滤波器的选型依据和设计方法。 2 提出一种放大与衰减相结合，精细控制和粗略控制分别进行的电压控制 方式，可以方便地实现信号幅度在5 0 m v 1 0 v p p 之间以l m v 的步进改 变。 3 分析并研究比较器产生方波的原理，提出一个专门的方波发生器电路。 该电路以一个高速比较器为核心，具有差分、迟滞的特色，可产生频率 高达1 0 0 m h z 的方波。 4 在深入探讨调制波的产生原理基础上，设计了一个基于乘法器的调制波 发生电路。该电路产生可变调制度的调制波信号。 目前，e s l 4 v 2 1 项目已通过设计定型鉴定。这证明了本文提出的技术是可 行的，并具有实际应用价值。 关键词：任意波形发生器、滤波、幅度控制、高速比较器、宽频带乘法器 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t a s s o c i a t e dw i t ht h em i l i t a r yp r o j e c t “h i g hs p e e da r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r ( a w g ) m o d u i e ”，t h i st h e s i sf o c u s e so n t h ed e s i g n i n gm e t h o d o l o g yo f a n a l o gc h a n n e l o ft h ea w gd e v e l o p e d b y u e s t c s i g n a lf i l t e r i n g ，a m p l i t u d e a n do f f s e t c o n t r o l l i n g ，s q u a r ew a v ea n dm o d u l a t i n gw a n e sg e n e r a t i n ga r es t u d i e di nd e t a i la n d c o r r e s p o n d i n gc i r c u i ti m p l e m e n t a t i o na r ed e v e l o p e d p r o b l e mr e l a t i n gt od e s i g no f h i 啦s p e e dc i r c u i t s b o a r da n de l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i i i t y ( e m c ) i nt h i s m o d u l ei sa n a l y z e da l s o h a r d w a r ep e r f o r m a n c ea n dt h ea b i l i t yo f a n t i i n t e r f e r e n c e a r e i m p r o v e de f f e c t i v e l y t os a t i s f yw i t ht h e r e q u i r e m e n t so f a w g t i f f st h e s i si n c l u d e sf o l l o w i n gf o u rs u b j e c t s ： 1 a c c o r d i n g t ot h e o u t p u ts p e c t r a o fd i r e c t d i g i t a ls y n t h e s i s ( d d s ) s y s t e m ，s i n g l el o w - p a s sf i l t e rr a t h e rt h a nf i l t e rb a n ki s i n t r o d u c e dt o f i n i s h f i l t e r i n go p e r a t i o n o ff u l l f r e q u e n c ys i g n a l ，t h i sa p p r o a c hl e a d s t o s i m p l e rh a r d w a r es t r u c t u r ec o m p a r e dt o r e a l i z a t i o nb yf i l t e rb a n k d e s i g n i n g m e t h o d o f l o w - p a s s f i l t e ri sg i v e na l s oi nt h i st h e s i s 2 o n e v o l t a g ec o n t r o l l i n gm a n n e r i sp r e s e n t e d t h i sm a n n e rc o m b i n e s a m p l i f i c a t i o na n da t t e n u a t i o n a n df i n e c o n t r o la n dc o a r s ec o n t r 0 1c a nb e o p e r a t e ds e p a r a t e l y ，i tc a na d j u s tt h ea m p l i t u d eb yl m vs t e pi nt h er a n g eo f 5 0 m vt o1 0 v p p c o n v e n i e n t l y 3 p r i n c i p l eo ng e n e r a t i n gs q u a r ew a v eb yc o m p a r a t o r i sr e s e a r c h e d a s p e c i a lc i r c u i t i sd e s i g n e dt og e n e r a t es q u a r ew a v e 、i mf r e q u e n c yu pt o 1 0 0 m h z b a s e do nah i g hs p e e dh y s t e r e t i ca n dd i f f e r e n t i a lc o m p a r a t o r 4 1 1 1 e g e n e r a t i o no fm o d u l a t i o nw a v eb yw i d eb a n dm u l t i p l i e ri s d e s i g n e da f t e rd e e pd i s c u s s i o no nt h e o r yo ft h em o d u l a t i o nw a v eg e n e r a t i o n t h em o d u l a t i o n d e g r e e i sa d j u s t a b l e a tp r e s e n t ，e s l 4 v 2 1h a sp a s s e dt h ef i n a l i z e dp r o d u c t i n s p e c t i o n i tp r o v e st h a t t h ed e s i g ni nt h i st h e s i si sf e a s i b l ea n d p r a c t i c a b l e k e y w o r d s ：a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r ,f i l t e r , a m p l i t u d ec o n t r o l ， h i g hs p e e dc o m p a r a t o r ， w i d eb a n d m u l t i p l i e r 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：日期：年月日 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) 签名：导师签名： 日期：年月日 高速v x i 任意波形发生器的模拟通道设计 第一章引言 任意波形发生器( a w g ，a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r ) 是近年来飞速发展 起来的一类通用信号源，与传统的信号源相比，任意波形发生器最大的优势在于 它产生信号的方式灵活。除了可以生成正弦、方波等标准信号外，它还能够通过 波形编辑软件，模拟被测产品在实际条件运行时所遇到的“真实世界”信号。目 前，任意波形发生器已经广泛应用于磁盘驱动器测试、串行数据通信、基带i f 调制测试、汽车防拖死、发动机控制、变频器和生物医学模拟等等。 很多的任意波形发生器使用一种称为“直接数字合成”( d d s ，d i r e c td i g i t a l s y n t h e s i s ) 的信号生成技术来产生波形。d d s 是从上世纪七十年代发展起来的一 种频率合成技术，它采用数字处理模块，参照一个频率固定且精确的时钟源，产 生频率、相位均可调的输出信号。相对于直接法、锁相法等传统信号合成方法， d d s 技术具有频率转换速度快、频率分辨率高、电路简单且易于控制的优点。 因此基于d d s 技术的任意波形发生器出现虽晚，但发展迅猛，市场份额日见扩 大，其状况和地位有如示波器家族中的数字存储示波器( d s o ) ，已开始逐步取代 传统的函数发生器。 任意波形发生器技术发展至今，引导技术潮流的仍是国外的几大仪器公司， 如t e k t r o n i x 、a n a l o g i c 、a g i l e n t ，其任意波形发生器产品已形成系列，从台 式机到v x i 模块都有不同档次的产品。 t e k t r o n i x 公司的a w g 产品在波形合成上采取了传统技术与d d s 技术相结合 的方式，使输出波形的质量很高。a g i l e n t 公司则是单纯的采用d d s 技术来合成 波形，这样在电路结构上要简单得多，性价比很高。a n a l o g i c 公司则在a w g 模 块研制技术上独领风骚，它生产了当今业界采样速率最快的a w g 产品。 目前，我国自行开发和生产高性能a w g 的条件已具备。2 0 0 1 年4 月，电子 科技大学测试技术及仪器研究所承担了的军事型号项目“高速v x i 任意波形发生 器模块”( e s l 4 v 2 1 ) 的研制任务。e s l 4 v 2 1 与国外主要的a w g 产品的指标比较见 表卜1 。总体上看，e s l 4 v 2 1 的性能介于a g i l e n t 公司3 3 1 2 0 和3 3 2 5 0 之间。 本论文的工作，就是结合该项目的具体任务，设计一个模拟信号处理通道。 在a w g 中，信号的合成主要在数字部分完成，而信号的处理则主要是在模 拟通道内进行的。模拟通道位于信号通道的末端，对信号进行滤波和波形处理。 数字部分不容易产生的波形也是在模拟通道里完成的，比如方波和调幅波。模拟 通道的具体功能如下： 电子科技大学硕士论文 信号滤波：滤除d d s 系统所产生的初始波形中的杂波分量，保证输出波 形的频谱纯度。 方波产生：产生占空比可调节的方波。 幅度控制：控制信号幅度在5 0 m v 一1 0 v 。的范围内以l m v 的步进改变。 偏移控制：控制信号偏移在一5 v 一5 v 的范围内以l m v 的步进改变。 振幅调制：产生调制深度可调节的a m 调制波。 模拟通道在很大程度上保证了输出信号的质量，所以它的设计是a w g 的设 计过程中一个重点和难点。 表1 - 1国内外任意波形发生器指标对照表 通道存储器最高取样 垂直 最高输 公司型号分辨备注 数容量 豪 出电压 塞b i t t e k t r o n i xa w g 2 0 2 11 或22 5 6 k2 5 0 m s s1 2 5 v p - p a n a l o g i c d b $ 2 0 4 015 1 2 k8 0 0 m s s8 5 v p p 厶 口 3 3 1 2 0 a11 6 k4 0 m s s1 2 l o v p p 寡 a g i l e n t 3 3 2 5 0 al6 4 k2 0 0 m s s1 2 1 0 v p p 7 z f l u k e3 9 516 4 k1 0 0 m s s1 2 l o v p p e 1 4 4 5 al2 5 6 k4 0 m s s1 3 2 0 v p p a g i l e n t e 1 4 4 1 a41 6 k4 0 m s s1 2 1 0 v p - p v x 4 7 9 212 5 6 k2 5 0 m s s1 2 5 v p - p 委 h t e k t r o n i x 模 v x 4 7 9 0 a12 5 6 k2 5 m s s1 2 2 0 v p - p 块 u e s t ce s l 4 v 2 116 41 0 0 m s i s1 2 1 0 v p - p 2 高速v x l 任意波形发生器的模拟通道设计 第二章设计要求与设计方案 v x i 任意波形发生器模块( 以下简称a w g 模块) 的硬件电路有下面四部分 构成： 控制电路控制所有电路有序地工作 v x l 接口电路完成与控制机的通信 d d s 电路波形合成，产生各种初始波形 模拟通道波形处理，将d d s 产生的初始波形转换成用户需要的模 拟波形 其中，d d s 电路是a w g 的核心，所有的波形生成都与它有关；模拟通道是a w g 设计中的难点，它位于波形发生器的末端，它的性能直接影响输出信号的质量。 2 1 设计要求 模拟通道的基本设计原则是能够产生满足指标要求的信号。a w g 的指标很多， 其中与模拟通道有关的有：正弦波纯度、方波信号特性、输出特性、a m 调制特 性。具体要求如下： 洫弦波纯度( v p p = l v 时的典型值) 谐波失真： d c 一2 0 k h z 2 0 k l m i m 一1 0 m 1 0m 总谐波失真： d c 一2 0 k h z 非谐波失真： o c 一2 0 k h z 2 0 k 一1 m i m 相位噪声： 一6 0d b c 一5 0d b c - 4 0d b c 一3 0d b c 0 5 + 0 5 m v r m s - 5 0d b c 一4 0d b c 一3 0d b c 一4 5 d b c ( 在3 0 k h z 带的典型值) 电子科技大学硕士论文 3 ) 方波信号特性 上升、下降时间： 过冲： 不对称性： 占空比： 4 ) 输出特性 幅度： 精度： 阻抗： 步进电压： 5 ) a m 特性 调制信号频率： 调制深度： 调制源： 2 2 关键技术 1 5 n s q 。按照振幅调制的定义，调制波的幅度按照调制信号的规 律作线形变化，可知已调波的振幅为： 0 ) = + 艺c o s f ) t ：u c ( 1 + 聊c 。s q f ) ( 2 - 3 ) 刍rr 其中m = 二导；旦，称为调幅系数或调制深度，它表示载波幅度在调制过程中 u c 的变化程度，通常用百分数表示。七。是比例系数，一般由调制电路确定，故又 称为调制灵敏度。由此可得调幅信号的表达式 1 , 1 a m ( r ) = u 。( 1 + m c o s f 2 t ) c o s c o c t( 2 - 4 ) 从上式可以看出，实现a m 调制的关键在于完成调制信号和载波信号的相 乘。具体一般可采用以下两种方式： 调制信号与载波的积与载波相加 调制信号与一直流的和与载波相乘 叫r 甲叫r 宁一 常数k“。 图2 - 7 实现调幅的两种方式 第一种方式用公式表达如下： b a m2 ”。( 1 + “n ) ( 2 - 5 ) 要实现调制度在0 到1 2 0 之间调节，只需要将调制信号的幅度在0 到1 2 v 之间改变即可。 第二种方式用公式表达如下： 1 甜m = k u = ( 1 + 专) ( 2 - 8 ) a 实现调制度在0 到1 2 0 之间调节，k 的最大值将达到无穷大，这是无法用 电路来实现的。所以，第一种方式更具有实用价值。 在电路中，实现载波与调制波相乘的是模拟乘法器。模拟乘法器是现代信号 处理系统的重要组成单元，它广泛应用于锁相环、混波器、滤波器等信号处理电 路中，可对信号进行线性或非线性处理。这里就是利用它的非线性来完成信号频 9 电子科技大学硕士论文 谱的搬移，产生调幅波。在后面，还将利用它的线性特性来实现压控放大器。 2 2 4 幅度控制电路 幅度控制电路是模拟通道的核心部分，难度也最大。幅度控制电路的原理见 图2 - 8 。 偏移控制电压v c0 】q t 图2 - 8 幅度与偏移控制原理图 幅度乘法器、型衰减网络和输出放大器以串联方式接入电路，依次对信号 幅度进行处理。其中，幅度乘法器是固定在电路中的，型衰减网络和输出放大 器则是根据所设定的信号幅度，由继电器控制它们是否接入电路。继电器控制原 则是：当输出为小信号时，电路只对信号进行衰减；当输出为大信号时，电路只 对信号进行放大；当信号幅度介于两者之间时，则将衰减和放大相结合，使设定 的幅度值落在相应的子区间内。 2 2 5 偏移控制电路 对一个信号来说，它的偏移相对于幅度是独立的，但在硬件设计时，对偏移 和幅度的处理电路的部分地重合到了一起，这两个参数是紧密联系在一起的，。 对幅度的控制会影响到偏移，同样，对偏移的控制会影响到幅度。 a w g 对偏移没有具体的指标，这增加了设计的自由度。在设计时，幅度是 首要考虑的问题，然后再幅度控制电路的基础上稍作改变，增加对偏移的控制电 路。幅度的处理流程是：精调一衰减l 一衰减2 一放大，“精调”处理后的信号是 一个纯交流信号，偏移控制就是要在这个交流信号上叠加个可调节的直流电 压，这个叠加过程可以用一个运算放大器来完成。 为了增加偏移控制的独立性，偏移控制电路位于“衰减2 ”之后，“放大” 之前加入，见图2 - 1 。图中的偏移控制信号是一个直流电压，它的大小有一个1 6 位d a c 控制。在各个子区间内，偏移控制信号的可变范围是一致的。 1 0 高速v x i 任意波形发生器的模拟通道设计 这样处理还存在一个问题：当信号幅度较大时，由于输出放大器处于工作状 态，可以使信号具有较大的偏移：但当信号幅度很小时，输出放大器处于空闲状 态，而偏移控制信号的大小是一致的，这样，在小幅度时就不能得到大偏移。注 意到在输出信号幅度最小时，电路只对信号进行了一次一2 0 d b 的衰减，如果把处 理方式改为一次1 0 d b 衰减、一次- 2 0 d b 的衰减和一次+ 2 0 d b 放大，最后是对信 号幅度进行一l o d b 的衰减，对信号偏移进行+ 2 0 d b 的放大。按照这种方法，修改 幅度控制逻辑，就可以在5 0 m v - - 1 0 0 m v 的幅度空间里实现偏移在- 5 0 0 m v + 5 0 0 m v 的范围内任意调节；在1 0 0 m v - - 1 0 v p p 的幅度空间里实现偏移在一5 v 一 + 5 v 的范围内任意调节。幅度与偏移最终的控制逻辑见表2 1 。 表2 - 1 通道幅度偏移控制 偏置电压一 5 0 0 m v 幅度范围 1 0 d b2 0 d b+ 2 0 d bp l p 2 p 31 0 d b2 0 d b+ 2 0 d bp 1 p 2 p 3 5 0 m vt o1 0 0 m v直通接入直通1 0 1 9 6 m vt o3 1 6 m v接入直通直通0 1 1接入接入接入0 0 0 3 0 0 m v t o1 v直通直通直通1 1 1直通接入接入1 0 0 0 9 6 vt o3 1 6 v接入直通接入0 1 0接入直通接入0 1 0 3 v t 0 1 0 v直通直通接入1 1 0直通直通接入1 1 0 2 4 开发工具 在电路设计过程中，e d a 工具可简化设计的难度和复杂度，模拟通道设计 用到的e d a 工具主要有p r o t e l 、p s p i s e 、o r i n g i n 等。 p r o t e l 是一个功能非常强大的电子线路计算机辅助设计软件，它有两大基 本功能：原理图设计和p c b 设计。对应的，p r o t e l 9 9 有两大组成部分： 原理图设计系统( s c h e m a t i c ) 。它主要用于层次化的原理图设计、器件 库编辑、设计检验并将设计结果生成网络表文件。 印制电路板设计系统( p c b ) 。它为用户提供了一条快捷的设计印制板的途 径。原理图设计和印制电路板设计通过网络表文件联系起来。 p s p i s e 是一个模拟电路和数字电路混合仿真e d a 软件，在国内被普遍使用。 整个软件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部 电子科技大学硕士论文 分组成，使用时是一个整体，但各个部分各有各的窗口。它主要用来做滤波器性 能仿真。 o r i n g i n 是一个用于数据分析和工程绘图的软件。它可以进行二维曲线拟 合并生成经验公式。它用来产生定标函数。 利用这些工具，可大大降低设计的工作量。具体的设计方法见第三章。 高速v x i 任意波形发生器的模拟通道设计 第三章功能电路设计 在a w g 中，模拟通道的功能主要体现在对信号的处理上。d d s 电路产生的初 始波形在各项指标上都不能完全满足用户的需要。以正弦波为例：从d d s 出来的 高频正弦波包含有很大的谐波分量，要得到幅度、偏移均可调的纯净正弦波，必 须将d d s 合成的初始波形进行滤波、加偏和幅度调节等一系列处理。 模拟通道对信号的完整处理流程见图3 1 。 3 1 滤波器设计 图3 - 1 模拟通道框图 滤波器就是要最大可能地抑制信号中的无用频谱，而保留有效成分。下面从 低通滤波器的传输特性开始，介绍其设计方法。 3 1 1 低通滤波器的传输特性 r 一 产 低通滤波器 图3 - 2 滤波器工作原理图 1 3 电子科技大学硕士论文 一工作衰减 工作衰减用来表征滤波器的振幅特性，定义如下： 4 2 1 0 1 9 詈 ( 3 1 ) 其中： 己= 蒜，最= 簪 因为吾1 ，可将式( 3 1 ) 改写如下： 爿= 1 0 1 9 0 + l d ) ( 3 2 ) 这里，d 称为特征函数，它决定了滤波器的过渡特性。若d 为椭圆函数， 则其对应的滤波器可称为椭圆滤波器。 a 图3 - 3 低通滤波器的衰减特性 二捕八衰减 插入衰减从另个角度描述滤波器的振幅特性，它是指未接滤波器时负载所 吸收的功率置。与接入滤波器后负载所吸收的功率丘的比值。由图3 - 2 可知， 耻( 彘衄，置= 譬 故插入衰减函数为： 妒蚓g 审一z o t g 熹+ z o - s 矧 ， 参照式( 3 - 1 ) 、( 3 3 ) 可知： 爿= 4 + 1 0 l g 哗 (3-4)4r 。 ，r 。 ” 显然，当吃= 坞时，a = 4 。需要指出的是，当r l 足时，4 可能为负， 1 4 v s v s 高速v x i 任意波形发生器的模拟通道设计 三相位特性 当不同频率的信号通过滤波器时，除了得到不同的衰减外，还将得到不同的 相移，这就是滤波器的相位特性，它可以用滤波器电压转移函数的相角与频率的 关系来表征。 p ( 叻：a r g ( 刍 e ， ( 3 - 5 ) 妒n c o 的微分即为群延迟勺 “：塑 ( 3 6 ) ”d o 电子设备中所传输的信号，一般都具有一定的带宽，即它包含了许多的频率 分量。若要不失真地传输这些信号，馀了要求滤波器的带宽足够高，以使信号中 各频率分量的幅度能保持原有比例传输( 即不产生频率失真传输) 外，同时还必 须使每个频率分量的传输速度相同( 即不产生相位失真传输) 。 3 1 2 设计方法 9 阶椭圆低通滤波器和7 阶线性相位低通滤波器的原型电路及其幅频特性见 图3 4 。 图3 4 a 九阶椭圆低通滤波器原 风l ll 2l 3 图3 - 4 b 七阶线性相位低通滤波器原型 o o d b 5 0 d b 1 0 0 d b 电子科技大学硕士论文 、 l i 、 i 、 ha 尹f - 一 、 1 l ，l ，、j 、太 | il 叶叶 。 “一 ) d b 入 - - _ _ - 弋 k 0 0 1 v i h z4 0 m h z8 0 m h z1 2 0 m h z0 0 m h z5 0 m h z1 0 0 m h z 1 5 0 m h z 图3 4 c 椭圆滤波器的截止特性图3 4 d 线性相位滤波器的截止 图3 - 4 滤波器原型及其截止特性 1 工作参数设计法 滤波器的设计采用工作参数设计法( 网络综合法) ，它是根据给定的传输特 性要求，按滤波器接在信号源和负载之间能量的实际传输过程用现代网络综合的 办法设计滤波器。按此方法设计出来的滤波器特性很好，节省器件，且又符合实 际情况，能较好的达到预期特性。其缺点是计算复杂、繁琐，不便于一般设计人 员掌握。随着计算机技术的发展，大量的计算由计算机完成，计算结果仪表各的 形式给出，在多数模拟滤波器设计资料中都附有通用滤波器的归一化元件值表。 设计人员根据工作参数查表即可完成通用滤波器的设计。其流程如图3 5 所示。 图3 - 5 滤波器设计流程 在工程计算中，查表得到的是频率和阻抗都已归一化了的元件值，要转换成 实际需要的截止频率和负载电阻的元件值，应按以下公式进行标定： r = r r z( 3 7 ) 三：拿( 3 - 8 ) n 1 6 ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) c 上舰她 = j i c 国 高速v x i 任意波形发生器的模拟通道设计 式中r 、l 、c 一器件的实际值 畏以c 器件的归一化值 r l 一一负载电阻值 q 一归化频率 u c 一滤波器的截止频率 在实际电路中，由于分布参数和寄生参数的影响，综合标定后的元件值还需 经过进一步的调整，才能得到最佳的滤波效果。 3 2 方波发生器设计 d d s 系统不能合成高频方波，当a w g 产生方波时，d d s 系统合成的是与 所需方波同频率的正弦波形，然后由模拟通道将正弦波整形为方波。方波整形是 由比较器完成的。比较电路采取差分迟滞比较形式。 3 2 1 差分迟滞比较器 迟滞比较器的特点是具有正反馈回路。正反馈使比较电路具有迟滞特性，同 时也加速了比较器的转换过程。按照迟滞回路的方向可将迟滞比较器分为上行迟 滞比较器和下行迟滞比较器。图3 - 6 所示是一个下行迟滞比较器的原理图及输出 特性曲线。将弘和墨交换位置即可得到上行迟滞比较器。 u i e r u o jl u o u 0 1 4 蒋 o “1 _ 2 j u i u o l 图3 - 6 下行迟滞比较器 如图3 - 6 所示，迟滞比较器具有滞回曲线形状，它具有两个门限电平，其差 叫做门限宽度。当干扰电压在门限宽度以内时，比较器的输出状态不会翻转。这 大大提高了比较器的抗干扰能力，但也使方波的可调占空比范围缩小了。 所谓差分比较，就是比较器的两路输入是一对差分信号，而不是如图3 - 6 所 示电路中的一路是信号，一路是直流比较电平，改变差分信号中一路信号的偏移 电平即可改变占空比。差分比较的过程如图3 7 所示。差分形式同样提高了比较 器的抗干扰能了j 而且扩宽了占空比的可调节范围。 1 7 电子科技大学硕士论文 滤波输出 占空比控制 + u o h u o l乙厂 厂 图3 7 差分比较示意图 3 2 2 比较电路设计 图3 - 8比较电路原理图 方 波 输 出 比较电路由五部分组成： 比较器核心部分。在本设计中，比较器采用低功耗、极快速的集成 比较芯片，其传输延迟小于4 5 n s ，上升、下降时间小于2 3 n s ，可产生 频率高达1 0 0 m h z 的方波。 隔离电路由于反馈的引入，比较器的输入端信号会有严重的畸变，故 在比较器和滤波器之间有两个配置成射随状态的三极管，它将比较电路 和主通道的信号隔离开来。 反馈电路引入正反馈，使电路具有迟滞特性。反馈电路由电阻网络构 哪 舢 高速v x i 任意波形发生器的模拟通道设计 成。 求和电路将正弦信号、反馈信号和占空比控制信号叠加到一起。它也 是由电阻网络构成的。 衰减电路方波信号和滤波器的输出信号都要进入相同的幅度控制通 路处理，故它们的电压幅度应大致相同。比较器的输出电平要大于滤波 器的输出，所以在比较器之后要接一个分压电路作幅度匹配。 比较电路产生的方波有两个用途，一是作为方波信号，一是作为标准波形的 同步信号。在设计印制电路板时，为了尽量利用比较器的高速性能，需要采用高 速电路板布线技术，这在后续章节将会详细叙述。 3 3 调幅电路设计 所谓调幅，就是使载波的振幅随调制信号的变化规律而变化。从频域上说， 就是将调制信号频谱搬移到载波频率两侧的一个频率搬移过程。搬移过程中调制 信号的频谱结构不变，即搬移前后各频率分量的比例关系不变，只是在频域上的 简单搬移。 振幅调制按其频谱结构的不同分三种方式： 普通的振幅调制发射载波的双边带调制( a m ) 抑制载波的双边带调制s b ) 抑制载波的单边带调制( s s b ) 在信号发生器中一般采用发射载波的双边带调制。它的原理在第二章中已经 讲过了。 在具体电路中，完成调制信号和载波信号的相乘的器件事一款宽频带的四象 限乘法器a d 8 3 5 ，带宽2 5 0 m h z ，电压输出，两乘法输入为差分。a d 8 3 5 实现 的基本功能为：w = x y + z 。这里，令= u c ，y = ，z = 妻“c ，则有： z 1 w = u ( 1 + 2 c o s f 2 t ) c o s c o j ( 3 1 1 ) x y z ，各9 l a d 8 3 5 a n 图3 - 9a d 8 3 5 基本功能 1 9 w 电子科技大学硕士论文 这种调幅电路具有如下特点： m = 2 ，调制度与调制信号的幅度成线性关系，容易调节。 当m = 1 ，即1 0 0 调制时，调幅信号的幅度与载波幅度相同：当m = 0 时， 调幅信号的幅度是载波幅度的1 2 。 电路中，调制信号u 。可由a w g 内部产生，即内调制；也可通过面板上的 b n c 头子从外界引入，及外调制。外调制和内调制的切换由继电器控制。内调 制时，调幅度可已是o 一1 2 0 的任意整数；外调制时，实现0 1 2 0 全范围调 幅的条件是：c ，n = 5 v 。 从上面的分析知道，影响调幅度的唯一因素是调制信号的幅度【，n 。电路中， 改变l ，q 的是一个低频四象限乘法器a d 6 3 3 ，它将调制信号与一个直流电平相乘， 使在o 一1 2 v 之间变化，从而实现了调制度的控制。这个直流电平通过d a 变换得到。 3 4 幅度与偏移控制电路设计 从图2 - 1 中可知，幅度控制电路由以下几个部分组成： 幅度乘法器完成o 1 0 d b 范围内的幅度精调。 1 7 型衰减网络两组，分别完成1 0 d b 和2 0 d b 的固定衰减。 输出放大器完成+ 2 0 d b 的固定增益。 缓冲放大器加载偏移电压。 3 5 1 幅度乘法器 幅度乘法器选用的是与调幅相同的芯片a d 8 3 5 。此时，a d 8 3 5 的x 输入端 接的是差分形式的信号，该信号是继电器从滤波器和比较器的输出中选择的一 路。y 输入端接的是直流电平a m p _ c t r l ，电平高低由d a 变换器a d 7 6 6 控制。 调节a m p _ c t r l 的大小，可对输出端信号进行极细微的控制。z 输入端作为零 偏调节，通过分压电阻分别接到+ 5 v 和5 。2 v 。 a 图3 一l o a d 8 3 5 a n 配置图 高速v x i 任意波形发生器的模拟通道设计 3 5 2 兀型衰减网络 型衰减网络是广泛应用于有特殊阻抗要求系统中的一种衰减器。它的输 入、输出端具有相同的阻抗z 。，使用时，信号可以正向加载或方向加载，而衰减 比g 不变。n 型衰减网络还可以级联使用，但末端须作阻抗匹配。 v l n 图3 。1 1n 型衰减网络 一z o 定义衰减比g ；v 。“，则g 、z o 与r a 、r b 之间有如下计算公式 z o = & , 1 ( 1 + 2 9 a r b ) 1 g = l + 砒+ i 万r b2 磋- r b 兄= z o 篙 = r o ( 1 三- r g 2 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) r 3 - 1 4 ) ( 3 1 5 ) 在设计中，第一级衰减器的衰减比为1 0 d b ，第二级衰减器的衰减比为一2 0 d b 。 特征阻抗均为5 0 q 。这两级衰减网络都不是固定接在信号通道内的，而是在需 要时通过继电器接入。 3 5 3 输出放大器 集成放大器是在模拟电路中使用最为广泛的一种电路。用集成运放组成的电 路，能完成放大、振荡、稳压、数学运算、信号处理、电压比较等多种功能。描 述集成运放的参数很多，比如输入失调电压、输入失调电流、开环增益、输出电 阻等。这些参数，现在的集成运放芯片都能达到很高的要求。在模拟通道设计时， 选择运放主要应考虑的是芯片的电源电压范围、单位增益带宽、压摆率、耗散功 率和谐波失真。其中，压摆率( s r ) 是一个非常关键的参数，它描述运放的全 功率带宽f b 。