（测试计量技术及仪器专业论文）示波器校准仪校准信号产生电路设计.pdf

摘要 摘要 示波器校准仪作为标准信号发生器，用来校准示波器的各项指标。本论文设 计的示波器校准仪校准信号产生电路能产生6 种功能信号，分别为幅度校准直流 电平、幅度校准低频方波信号、频率测试正弦信号、时基校准方波信号、快速沿 方波信号及触发测试三角波信号。这些信号用来校准1 0 0 m h z 示波器的一些主要 指标，包括：低频垂直增益、带宽、时基不确定度、上升时间和脉冲失真以及触 发功能。 而当今高性能的信号源大部分通过频率合成技术来实现。频率合成器是利用 一个或多个标准信号，通过各种技术途径产生大量离散频率信号的设备。传统的 频率合成器有直接模拟合成法与锁相环合成法两种。其中，直接数字频率合成 ( d d s ) 是近年来发展起来的一种新的频率合成技术，其主要优点有：相对带宽 很宽；频率转换时间极短( 可小于2 0 n s ) ；频率分辨率很高；全数字化结构便于集 成；输出相位连续；频率、相位和幅度均可实现程控。因此，能够与计算机紧密 结合在一起，充分发挥软件的作用。 本文采用d d s 芯片和d a c 芯片，产生宽频率范围的正弦波信号和高精度的 直流信号，再通过正弦波信号产生方波和三角波信号，加上专门的整形和幅度调 整电路，辅以软件控制，构成了示波器校准仪校准信号产生电路模块。该模块体 积小，稳定度和精度高，方便携带。本文先给出了模块的硬件电路和软件的具体 设计，最后给出了模块的调试结果及分析存在的问题。 器 关键词：直接数字频率合成，d a c ，示波器校准仪，模拟乘法器，运算放大 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h es t a n d a r ds i g n a lg e n e r a t o r ，o s c i l l o s c o p ec a l i b r a t o ri su s e dt o c a l i b r a t et h e s p e c i f i c a t i o n so ft h eo s c i l l o s c o p e i nt h i sp a p e r , c a l i b r a t i o ns i g n a lg e n e r a t o rc i r c u i to f o s c i l l o s c o p ec a l i b r a t o ri sd e s i g n e dt og e n e r a t es i xk i n d so fs i g n a l sc a l i b r a t i n gs o m eo ft h e m a j o ri n d i c a t o r so f10 0 m h zo s c i l l o s c o p e s w h i c ha r ed cs i g n a lf o ra m p l i f i c a t i o nc a l i b r a t i o n , l o wf r e q u e n c ys q u a r e w a v es i g n a lf o ra m p l i f i c a t i o nc a l i b r a t i o n , s i n e w a v es i g n a lf o r f r e q u e n c yc a l i b r a t i o n ，s q u a r e w a v es i g n a lf o rt i m ec a l i b r a t i o n , f a s ts q u a r e w a v es i g n a l f o re d g ec a l i b r a t i o na n d t r i a n g l e - w a v es i g n a lf o rt r i g g e rc a l i b r a t i o n b u tt h em a j o r i t yo fh i g h - p e r f o r m a n c es i g n a ls o u r c e sr e a l i z e sn o wt h r o u g ht h e f r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n o l o g y t h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e ru s e so rm a n ys t a n d a r d s i g n a l s ，p r o d u c e st h em a s s i v ed i s c r e t ef r e q u e n c i e ss i g n a le q m p m e n tt h r o u g he a c h t e c h n i c a lw a y t h et r a d i t i o n a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rh a st h ed i r e c ts i m u l a t i o ns y n t h s i s a n dt h e p h a s e - l o c k e dl o o ps y n t h e s i st w ok i n d s t h ed i r e c t d i g i t a lf r e q u e n c y s y n t h e s i z e s ( d d s ) i so n ek i n do fn e wf r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n o l o g yw h i c ht h er e c e n t y e a r sd e v e l o p e d i t sm a i nm e r i ti st h er e l a t i v eb a n dw i d t hi sv e r yw i d e t l l e f r e q u j m c y s w i t c h i n gt i m ei se x t r e m e l ys h o r t ( m a ys m a l lt h a nlo o n s ) ，t 1 1 ef r e q u e n c yr e s o l u t i o ni s v e r yh i g h ，t h e e n t i r ed i g i t i z e ds t r u c t u r ei sa d v a n t a g e o u sf o rt h ei n t e g r a t i o n ，t h eo u t p u t p h a s ec o n t i n u o u s l y , t h ef r e q u e n c y , t h ep h a s ea n dt h es c o p em a yr e a l i z et h ep r o g r a m c o n t r 0 1 t h e r e f o r e ，c a nu n i f yc l o s e l yi nw i t ht h ec o m p u t e rt o g e t h e r , f u l l yd i s p l a y st h e s o f e w a r et h ef u n c t i o n c o n s i s t so fd d s m o d u l e ，d a cm o d u l e ，s q u a r ew a v es i g n a la n dt r i a n g u l a rw a v e s i g n a lp r o d u c t i o nm o d u l e ，s p e c i a lp l a s t i ca d j u s t m e n tc i r c u i t , a n dc o n t r o ls o f t w a r e ，a d e s i g no fc a l i b r a t i o ns i g n a lg e n e r a t o rc i r c u i tf o ro s c i l l o s c o p ec a l i b r a t o rw a sp r e s e n t e d g e n e r a t e db yt h ed d sa n dd a c ，b r o a d b a n ds i n e w a v es i g n a la n dh i g hp r e c i s i o nd c s i g n a lw e r eu s e d a st h e i n p u tt os q u a r ew a v es i g n a la n dt r i a n g u l a rw a v es i g n a l p r o d u 【c t i o nm o d u l e t h ec i r c u i tm o d u l ei ss m a l l ，s t a b l e ，a c c u r a t ea n de a s i l yt a k e n t h e p a p e rs h o w st h ec i r c u i td i a g r a mo ft h eh a r d w a r em o d u l e ，t h ed e s i g np r o c e s sa n dt h e s p e c i f i cd e s i g no f s o f t w a r ep r o g r a m s f i n a l l y , t h er e s u l t so fm o d u l e t e s t i n ga n da n a l y s i s o fe x i s t i n gp r o b l e m sa r eg i v e n i i a b s t r a c t k e yw o r d s ：d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ，d a c ，o s c i l l o s c o p ec a l i b r a t o r ， a n a l o gm u l t i p l i e r ，o p e r a t i o n a la m p l i f i e r i 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： 蹶口7 年日 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：塑生挂 日期： 一年明1 目 第一章绪论 第一章绪论 1 1示波器校准仪研究意义和价值 示波器校准仪作为标准信号发生器，用于校准示波器的各项指标，广泛用于 现代测量领域。示波器是电子计量测试中最常使用的仪器之一，其计量性能准确 可靠与否，直接影响各类电子工程和产品的质量。对示波器的定期校准是一项十 分必要而又繁重的工作。示波器校准仪是调试、测试和校准示波器的工具，用于 示波器的生产、使用和计量单位作检测、计量各种模拟式、数字式示波器的标准 仪器，是现代测试领域的重要测试工具之一，它的发展成为研发示波器和正确使 用示波器的前提。 具有良好性能的示波器校准仪是各种模拟式、数字式示波器研发、调试不可 缺少的设备。高性能示波器校准仪一般按正弦、方波、窄三角波和脉冲四种形式 输出时标信号，这些高质量的信号满足各种模拟式、数字式示波器校准的需要。 其输出的高精度直流电平和低频方波用来校准示波器的低频垂直增益；其输出的 频率测试正弦波信号用来校准示波器的带宽；其输出的时间标记方波和正弦波信 号用来校准示波器的时基不确定度；其输出的快速沿脉冲信号用来校准示波器的 上升时间和脉冲失真；其输出的触发测试方波、正弦波、三角波信号用来校准示 波器的触发功能。 示波器校准仪是各种模拟式、数字式示波器诊断、维修的重要设备。由于示 波器校准仪具有程控性、通用性和准确性，在示波器诊断、维修中，能够快速、 准确的判断出故障产生部分、故障产生原因，为排除故障提供足够的信息，从而 提高排除故障的效率。 而当今，市场上1 0 0 m h z 示波器越来越多，从而对1 0 0 m h z 示波器校准仪的 需求量也越来越大，本课题设计的示波器校准仪主要针对于1 0 0 m h z 示波器，为 1 0 0 m h z 示波器提供一些主要功能的校准。本文的关键技术包括高精度直流和低频 方波产生技术、快速沿脉冲产生技术和高带宽的精密正弦波产生技术。这些技术 被广泛应用于各种高端的标准信号源和脉冲制电子装备中，如：任意波形发生器、 高速脉冲信号发生器、雷达、敌我识别、通信系统、指挥系统。因此示波器校准 仪的研发对国防和科研有着巨大的现实意义。 电子科技大学硕士学位论文 1 2示波器校准仪国内外发展现状 从目前的情况看，国外的示波器校准仪生产商居领先地位的是韦夫特克公司 ( w 怂厂e t e k ) 和福禄克公司( f l u k e ) 。 韦夫特克公司9 8 年推出的9 5 0 0 型示波器校准仪应用了独立的先进技术，具 有其他示波器校准仪难以媲美的程控性、通用性准确度。9 5 0 0 型应用最新式的阶 跃恢复二极管和肖特基二极管，产生出幅度5 m v 到3 v 连续可调节的、固定延时 1 5 0 p s 的快速沿信号，幅值达到2 0 0 v ；能输出连续可调的0 1 h z 至3 2 g h z 的精 密正弦波，频率平坦度小于5 ，幅值范围为4 4 4 m v 至2 2 v 。9 5 0 0 型按正弦、 方波、窄三角波和脉冲四种形式输出时标信号，这些高质量的信号满足了各种模拟 式、数字式示波器校准的需要。9 5 0 0 型可以校准1 g h z 以内的各种模拟式和数字式 示波表。9 5 0 0 型是目前世界上一流的示波器校准源。其直流的幅度准确0 0 2 5 ， 方波的幅值准确度为0 0 5 ，时标准确度为l o p p m ，加选件后可提高至0 2 5 p p m ， 足以保证校准最新式的数字示波器i l j 。 福禄克公司( f l u k e ) 推出的示波器校准仪5 8 2 0 a 是在其经济型5 8 0 0 a 示波器 校准仪基础上研制的，并将校准技术提高到一个全新水平，以满足带宽2 1 g h z 的 需要。5 8 2 0 a 示波器校准仪提供完整、灵活的示波器校准方案，以校准迅速、操作 简单、价格合理、实用的方式，支持所有的模拟和数字示波器校准。5 8 2 0 a 具有 2 1 g h z 电平正弦波和1 5 0 p s 快沿，6 0 0 m h z 电平正弦波和3 0 0 p s 快沿；前面板电流 环路可校准电流探头，直流电压测试功能校准参考信号；可调脉冲宽度l 至5 0 0 n s ， 具有2 5 0 p s 的分辨率，以满足复杂的触发信号测试；通道间的偏移时间从- 1 0 n s 到 + 3 0 n s ，以检验触发的建立和保持时间，0 3 3 p p m 的频率基准包括记数器功能， 并提供更好的测试余量；5 通道输入选件提供了快速、自动的校准条件；校准软件 包含几千种自动校准程序，可使校准质量得到有效的保证。 国内在示波器校准仪研发上处于领先地位的是中国计量科学研究院和华电计 量新技术开发公司。由中国计量科学研究院和华电计量新技术开发公司研制成功 的p o c 一2 型程控示波器校准仪能以自动或手动方式，对各种类型的示波器进行校 准。该仪器内部带有微处理器，可与g p i b 接口或r s - 2 3 2 串行接口联结，构成自动 测量系统，其主要技术指标和特点如下：时标输出高达i n s ( 1 g h z ) ，时标产生采用 锁相技术和程控分频技术，准确度达到4 - 0 0 0 0 0 5 ；脉冲标准幅度电路中，使用了 2 片1 2 位d a 变换器，分别对倍率和偏差进行调节，并利用软件对系统误差进行修 正，输出脉冲幅度从5 0 u v 至u 2 2 0 v ，准确度达( 0 5 + l o u v ) ；仪器具有1 0 m v 到2 v 2 第一章绪论 的5 0 欧姆阻抗变换电路，可对低组示波器进行校准，准确度优于1 ；仪器附有 p a c - 0 1 型幅度比较器，可直接测量i o o m v 至u i o o v 的脉冲电压，准确度优于1 ，还 可选用p a c - 0 2 型微小脉冲幅度比较与发生器，用于测量或产生5 0 u v 至u 5 0 0 m v 方波脉 冲幅度；仪器附有f e g l 型快沿脉冲发生器，输出幅度为3 v 到l o v 连续可调，上升 时间小于2 5 0 p s ( 5 0 欧姆负载) ，可对被检示波器进行全量程的瞬态测试。也可选 用t p g 一0 1 型隧道管快沿脉冲发生器，用以输出4 5 0 m y ( 5 0 欧姆负载) 的快沿脉冲， 上升时间小于1 2 0 p s 2 。 从主要性能指标上看，国内的示波器校准仪同国外的相比，仍然具有相当大 的差距，国内各科研单位使用的示波器校准仪大多依赖进口，因此研发高性能的 示波器校准仪具有巨大的国内市场，对国防和科研也有重要的意义。 1 3 本文的设计任务 本文的设计任务是示波器校准仪校准信号产生电路设计，其电路可以产生6 种功能信号，分别为幅度校准直流电平、幅度校准低频方波信号、频率测试正弦 信号、时基校准方波信号、快速沿方波信号及触发测试三角波信号，用来校准 1 0 0 m h z 示波器的一些主要指标。各信号的功能和指标参数如下： ( 1 ) 直流电平信号，用来校准示波器的低频垂直增益，其指标如下： 幅度范围：+ _ 2 m v - - 8 0 v ( 5 0 q 负载) ，2m v 4 0 v ( 1 m q 负载) ； 分辨率：2 m v - - , l o o m y 范围内为0 1 m v ， 1 0 0 m v ，- - - 1 o o v 范围内为1 0 m v ， 1 o o v - - 1 0 0 0 v 范围内为1 0 m v ， 1 0 o o v - 4 0 0 0 v 范围内为1 0 0 m v 精度：( 1 幅度+ 4 0 0 u r ) 。 ( 2 ) 低频方波信号，用来校准示波器的低频垂直增益，其指标如下： 幅度范围：2 m v 8 0 v ( 5 0 q 负载) ，2m v - - - 4 0 v ( 1 m q 负载) ； 分辨率：2 m v1 0 0 r a y 范围内为0 1 m v ， 1 0 0 m y - - - 1 0 0 v 范围内为1 0 m v ， 1 o o v 1 0 0 0 v 范围内为l o m v ， 1 0 0 0 v - 4 0 o o v 范围内为1 0 0 m v ； 幅度精度：( 1 幅度+ 4 0 0 u v ) ； 频率范围：1 0 h z - - - 5 0 k h z ； 电子科技大学硕士学位论文 频率不确定度：小于+ 3 p p m 。 ( 3 ) 频率测试正弦波信号，用来检测示波器的带宽，其指标如下： 频率范围：1 0 k h z - - 2 0 0 m h z ； 频率分辨率：1 0 k h z - 1 m h z 范围内为1 k h z ， 1 m h z - - 一1 0 0 m h z 范围内为i o k h z ， 1 0 0 m h z 2 0 0 m h z 范围内为i o o k h z ； 谐波失真：二次谐波小于一3 0 d b ，三次谐波小于一3 5 d b ； 幅度范围：1 0 m y - - 4 v ( 5 0 q 输出) ； 幅度分辨率：小于1 v 时为2 m v ，大于1 v 时为5 0 m v ； 幅度不确定度：( 2 幅度+ 3 m v ) 。 ( 4 ) 时间标记方波和正弦波信号，用来校准示波器的时基不确定度，其指标 如下： 方波：5 s 到5 0 n s , 抖动小于1 0 0 p p m + 0 6 n s , 幅度大于1 v 。 正弦波：2 0 n s1 0 n s5 n s ；抖动小于1 0 0 p p m + 0 6 n s ；幅度 i v 。 ( 5 ) 快速沿脉冲信号，用来校准示波器的上升时间和脉冲失真，其指标如下： 上升时间：小于0 6 n s ； 幅度范围：0 1 v 2 v ，0 1 v 分辨率； 频率范围：i o k h z - - - , i o m h z ； 占空比：4 5 - - 一5 5 。 ( 6 ) 触发测试方波和三角波信号，用来校准示波器的触发功能，其指标如下： 幅度范围：0 1 v 2 v ( 5 0 欧姆负载) ；o 1 v 1 2 v ( 1 m 欧姆负载) 。 频率范围：1 0 h z - - - 1 0 k h z 。 其中，本文设计的难点和重点是：高精度、大幅度范围的直流电平和低频方 波信号的产生；高稳定度和宽频率范围的正弦信号的产生以及快速沿方波信号的 产生。 4 第二章系统总体设计方案 第二章系统总体设计方案 2 1 总体设计方案 系统的功能是产生幅度校准直流电平、幅度校准低频方波信号、频率测试正 弦信号、时基校准方波信号、快速沿方波信号及触发测试三角波6 种信号，要求 它们的频率、幅度和电平在一定范围内可以控制。系统的总体设计思路是：先产 生频率可以控制的各种波形信号，然后让信号通过模拟通道，调节信号的幅度和 电平，使最终输出信号达到设计要求。由系统总体设计框图2 1 所示，系统分为正 弦信号产生模块，方波信号产生模块，快速沿脉冲信号产生模块，三角波信号产 生模块，直流电平信号产生模块，模块通道和控制模块。其中，直流电平信号产 生模块，正弦信号产生模块，快速沿脉冲信号产生模块和模拟通道是设计的难点 和重点。下面分节介绍各模块的设计方案。 控制些信曼线 图2 - 1 系统总体设计框图 电子科技大学硕士学位论文 2 2 正弦信号产生方案 方案一：采用专门的函数信号发生器芯片产生。早期的函数信号发生器芯片， 如：l 8 0 3 8 、b a 2 0 5 等，电路功能少，输出信号精度不高，调节方式不灵活，频率 和占空比单独调节，二者之间互相影响。输出信号的频率最高为几百k h z ，不能 产生更高频率的正弦信号。 方案二：采用传统的直接频率合成器对模拟信号进行频率合成。使用这种方 法，可以使频率合成速度快、噪声低，但需要以引入大量分频、倍频、混频和滤 波电路为代价，这就使得电路复杂、体积庞大、成本高，电路调试困难。 方案三：采用锁相环式频率合成器对模拟信号进行频率合成。采用这种方法， 避免了使用大量的分频、倍频和滤波电路，使电路大大减化。但是，由于锁相环 本身是一个惰性环节，频率转换时间较长，无法实现高精度的频率信号输出。 方案四：用f p g a 芯片实现d d s 。采用直接数字频率合成技术( d i r e c td i g i t a l f r e q u e n c ys y n t h e s i s 简称d d s 或d d f s ) ，将正弦波的波形量化数据先存于存储器 中，通过锁相环构成的频率合成器产生所需要频率的脉冲驱动地址计数器，这样 在存储器的数据线上会出现所需频率的正弦波波形数据，该数据经过数模转换及 滤波整形后，即得到正弦波。d d s 技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件。 可编程逻辑器件以其速度高、规模大、可编程，以及有强大e d a 软件支持等特性， 十分适合实现d d s 技术。但是就f p g a 的制造工艺而言，f p g a 在掉电后数据会 丢失，上电后必须进行一次配置，因此f p g a 在应用中需要为电路配置一定的程 序。并且，f p g a 器件作为一个数字逻辑器件，竞争和冒险正是数子逻辑器件较为 突出的问题，因此，在使用时必须注意毛刺的产生、清除及抗干扰，这就增大了 电路和程序的复杂程度和可实施性【3 】。 方案五：利用专门的直接数字合成d d s 芯片。专门的d d s 芯片由于采用特 定的集成工艺，内部数字信号抖动很小，可以输出高质量的模拟信号，也能达到 很高的频率，但成本较高。 系统要求产生频率范围为1 0 h z 2 0 0 m h z 的正弦信号，为了实现高稳定，宽 频率范围的正弦信号输出我们选择了最后一种方案。 2 3 方波产生方案 方案一：用d d s 来实现。在频率比较高且波形周期不是d d s 系统时钟周期 6 第二章系统总体设计方案 的偶数倍时，其输出频率和占空比的误差很大。 方案二：采用比较器的方式。两路差分正弦波通过比较器进行差分比较输出 方波，在比较器负输入端叠加一个直流信号，通过改变直流信号的大小来改变比 较器的电压比较点，从而改变输出方波的占空比。虽然增加了额外电路，但是信 号输出频率稳定，波形良好，方波的占空比控制方式简单灵活，所以决定采用这 种方梨1 1 1 。 2 4 直流电平信号产生方案 为了输出最小分辨率为0 1m v ，动态范围为_ _ 2 m v - - - + 4 0 v 的直流电平信号， 本模块的设计思路是：先产生一个分辨率为0 0 2 m v ，动态范围为0 - - - 2 v 的初始电 压信号v 4 ；然后通过5 倍的放大电路将该初始电压v 4 放大，就可以得到0 - 1 0 v 、 分辨率为o 1 n l v 的直流电压圪啪d ；最后通过4 倍的放大电路将电压圪咖d 放大， 就可以得到0 v - - 4 0 v 、分辨率为0 4 m v 的直流电压v 6 。为了得到负电压输出，让 矿。j 在放大4 倍前先通过反相器。 于是如何产生基本电压信号v 4 便是该模块的关键所在。 若是使用一片d a c 来直接产生该基本电压v 4 ，那么通过算式( 2 1 ) ： l 0 9 22 x 1 0 0 0 + 0 0 2 = 1 6 6 1 7 ( 2 1 ) 可以知道至少需要选择d a c 的位数在1 7 位以上，这样做不仅成本高而且由于 量化误差的影响精度与分辨率的性能指标并不能得到保证，因此采用以下方法： 使用两块较低精度的d a c 来共同产生这一高精度电压，由一片d a c 产生o 2 v 的粗调电压来保证电压的动态范围，另一片生成细调的电压来对粗调电压进行 补偿以达到所要求的分辨率与精度。 下图2 2 为生成基本电压信号v 4 的示意图： v 1 _ d a c l 加 法 t ，一、r o气r 。器 d a c 2 叫精密数字电位器| - _ 叫衰诚| _ - c = = 图2 - 2 基本电压v 4 信号产生示意图 电子科技大学硕士学位论文 v 2 的分辨率为墨专乒垦( 其中n 为。a c 的位数) ，显然v 2 的分辨率与。1 m v 很难构成整数关系，单纯的通过程序也不能达到，于是就需要使用图2 - 4 中的精密 数字电位器和衰减器对v 2 的分辨率进行调整，使v 2 的分辨率与o 1 m v 构成整数 关系。 2 5快速沿脉冲信号产生方案 可以产生皮秒快速沿脉冲的高速器件有隧道二极管、雪崩晶体三极管、阶跃 恢复二极管、浮越二极管、耿器件( 体效应管) 等分立器件；e c l 门电路、转移 电子器件逻辑电路、超导逻辑电路、砷化镓场效应管逻辑电路等集成电路以及两 种特殊器件：脉冲发电管及光导开关。本文采用的是阶跃恢复二极管( s t o pr e c o v e r y d i o d e s 简称s r d ) ，利用它的快速反向恢复阶跃恢复的特点来产生快速沿脉冲 信号。 2 6 三角波信号产生方案 方案一：用d d s 技术实现三角波输出。 方案二：通过积分电路来实现三角波输出，当其输入为方波信号时输出为三 角波信号。虽然第一种方案输出的三角波线性很好，但成本高，电路比较复杂； 然而本设计中有可用的方波信号，只需要添加积分电路就能实现三角波输出，电 路简单，成本低，方便调试。因此我们采用第二种方案来产生三角波。 2 7 模拟通道的设计方案 模拟通道的主要功能是对输入的信号的幅度和电平分别进行调节，其设计方案 是：在信号放大之前，让输入信号与一个电平可控的直流电平信号相乘，从而使 信号的放大倍数可调，实现对信号幅度的控制；最后再把信号与另一个电平可控 的直流电平信号相加，实现对信号电平的控制。其基本原理如图2 5 所示。 第二章系统总体设计方案 信号输入 幅度调节信号 电平调节信号 图2 - 3 模拟通道模块的基本原理框图 2 8 控制模块和软件设计方案 信号输出 本文采用p c 机通过并口线及接口电路对系统写控制字，实现对整个系统的控 制。软件采用基于虚拟仪器的l a b w i n d o w s c v i 作为系统软件开发平台，方便快捷、 界面美观，而l a b w i n d o w s c v i 这种以c 语言为中心的编程方式有着其优势，其所 带的c 语言的功能比较灵活，我们基于这个平台开发的测试软件具有很好的移植 性，层次清晰，简明易用，能够很好的实现功能。 9 电子科技大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 根据本文的设计任务，系统要求产生6 种功能信号，包括幅度校准直流电平、 幅度校准低频方波信号、频率测试正弦信号、时基校准方波信号、快速沿方波信 号及触发测试三角波信号。本文以直接数字合成技术和数模转换技术为基础，产 生宽频率范围的正弦波信号和高精度的直流信号，再通过正弦波信号产生方波和 三角波信号，加上专门的整形和幅度调整电路，辅以软件控制，构成了示波器校 准仪校准信号产生电路。示波器校准仪校准信号产生电路的总体设计框图如下图 3 1 所示，主要包括正弦信号产生、方波信号产生、直流电平信号产生、快速沿方 波产生、三角波产生、模拟通道和控制7 个小模块。其中，直流电平信号产生模 块、正弦信号产生模块、快速沿信号产生模块及模拟通道模块的设计是本设计的 重点和难点。下面分节介绍各硬件模块的具体设计。 控制数据线 叫墼坌皇堕j 图3 3 1 时基校准方波的幅度和电平调节电路框图 我们采用乘法器芯片a d 8 3 5 来实现乘法和加法功能，它的一3 d b 截止频率为 2 5 0 m h z ，差分输入范围为+ i v ，摆率为1 0 0 0 v u s 。a d 8 3 5 的传输函数为：w = x y + z 。 其结构功能图如3 3 2 所示【14 1 。 x l 般 y 1 忱 图3 3 2a d 8 3 5 结构功能图 前端方波产生模块输出的差分方波信号( v d l 、v d 2 ) 幅度为1 v 、最大频率为 2 0 m h z ，通过乘法器a d 8 3 5 与一个幅度范围为o 1 v 的幅度控制信号v a m p 相乘； 再与一个幅度范围为一1 v 一- i v 的幅度控制信号v o f f 相加。具体电路如下图3 3 3 所 示： 第三章系统硬件设计 图3 - 3 3 乘法和加法电路图 根据a d 8 3 5 的传输函数，其输出信号v d 3 的幅度为：( v d l v d 2 ) x v a m p = 2 v a m p ，电平为v o f r o 乘法和加法电路输出的方波信号虽然幅度和电平可以控制，但幅度范围很小， 最大为2 v ；当输出电阻为5 0 欧姆时，要求最终的输出幅度大于1 v ，实际放大电 路输出电压要大于2 v ( 负载为1 0 0 欧姆) 。我们采用运放t h s 3 2 0 1 来实现信号3 倍放大。具体放大电路如图3 3 4 所示。 r 12 f 0 1 5 z = _ a 图3 - 3 4 放大电路图 由于信号v d 4 输出电阻为5 0 欧姆，接5 0 欧姆负载时，信号衰减一半，因此 最终输出方波信号幅度为3 v a m p ，电平为1 5 v o f f 3 4 3 低频方波信号的幅度和电平调节电路设计 该电路功能是对输入的1 0 h z - 5 0 k h z 带宽方波信号的幅度和电平进行调节， 其电路详细流程如下图3 3 5 所示，信号通过乘法电路与直流电平信号产生模块产 生的幅度调节信号v a m p 相乘，实现对信号幅度的控制；再把信号通过加法电路与 直流电平信号产生模块产生的电平调节信号v o f f 相加，实现对信号电平的控制。 电子科技大学硕士学位论文 方波 输入 幅度调节信号 卜一葱) 鼍哥f 刁五丽、 低麴立渡捡出 电平调节信号 图3 3 5 低频方波信号的幅度和电平调节电路框图 为了实现高精度的低频方波信号输出，我们采用乘法器芯片a d 7 3 4 实现乘法 功能。激光校准的a d 7 3 4 b 四象乘法器可提供高精度，而且对被乘数的范围没有 严格的限制，其精度不用调谐可达到0 2 5 满度，使用简单的外部微调则优于0 0 5 满度，同时对1 0 m h z 提供匀称的响应。其传输函数如式3 1 8 ： 肚如 锴 国。且接近缈。时下降较 陡。其幅频特性一般可表示为： i 么。( 缈) 1 2 = k 2 a 印2 ( 1 + s ( z ( 缈国p ) 2 ) ( 3 - 2 2 ) 其幅频特性如图3 4 1 所示： 电子科技大学硕士学位论文 图3 4 1 切比雪夫型低通滤波器的幅频特性 ( 3 ) 对椭圆( e l l i p t i c ) 模拟低通滤波器的分析： 椭圆滤波器由于在阻带内有衰减极点，幅频特性在过渡带内下降比以上两种 滤波器都快，椭圆滤波器在通带内也有波动。椭圆滤波器的特点是在阻带中具有 有限的频率处的衰减极点，这意味着其电压衰减函数也是一个具有有限的频率极 点的有理函数。这一点意味做对于给定的电压衰减指标要求，椭圆滤波器所需要 的阶数一定要比巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器的阶数要小，因此椭圆滤波器 所需要的元件数最小，最为经济。 根据本章第3 节的介绍可知，在理想情况下，d d s 的输出信号频率最高值为 参考时钟的半，但由于低通滤波器的非理想过渡特性及高端信号频率恶化的限 制，工程上可实现的d d s 输出频率的上限为参考时钟的4 0 。也就是说a d 9 8 5 8 输出信号的最高频率为4 0 0 m h z 。故所设计的低通滤波器的截止频率根据输出信号 频率最高为4 0 0 m h z 。在带通滤波器中有切比雪夫，椭圆滤波器，巴特沃斯滤波器 等滤波器可供选择。由上面的分析可知，巴特沃斯滤波器的通带内的波动最小， 但带外抑制也比较小，且矩形系数较差，因此不太适合作为a d 9 8 5 8 输出滤波器 的使用。切比雪夫滤波器的带外抑制很好，但是其矩形系数不高，在通带附件的 衰减不是足够大，同时带内的纹波比较大，所以也不太适用作为d d s 输出滤波器 使用。椭圆滤波器是这三种中用相同的阶数能够得到最好的矩形系数，5 阶椭圆滤 波器在通带附件的频点可以得到4 0 d b 的带外抑制，很适合将杂散信号滤除。因此 本文中的4 组滤波器都采用了低通椭圆滤波器，只是截止频率不同。 本滤波器采用f i l t e rd e s i g ns y s t e m2 0 设计，用o r e a dp s p i c e 7 0 来仿真滤波器 第三章系统硬件设计 以验证元件值的正确性。f i l t e rd e s i g ns y s t e m2 0 软件功能强大，设计方便，输入 滤波器指标之后，便可自动计算出元器件的值和电容电感的连接关系【2 2 】。 设计椭圆滤波器的步骤如下： 1 ) 根据实际要求得出指标： 2 ) 用f i l t e rd e s i g ns y s t e m2 0 得到滤波器元件参数与电路排布； 3 ) 把元件参数的非标称值化为最接近的元件标称值； 4 ) 用o r c a dp s p i c e 7 0 仿真。如果得到的幅频曲线符合要求则元件值可用，如 果得到的幅频曲线不符合要求，则需要重新设计。 3 4 4 2 比较器前置滤波器设计 本文要求输出的方波最高频率为2 0 m h z ，因此比较器前置滤波器的通带截止 频率可设为2 1 m h z ，阻带截止频率为2 5 m h z 。阻带对应的最小衰减定为5 0 d b ， 能够容忍的纹波大小为o 1 d b ，输入输出电阻为5 0 欧姆，根据这五个参数，可以 用f i l t e rd e s i g ns y s t e m2 0 得到滤波器元件参数与电路排布，再把元件参数的非标 称值化为最接近的元件标称值。 设计好的椭圆低通滤波器的电路图如图3 4 2 所示，因为d d s 输出的是电流源， 所以在信号的输入端并联了一个电阻： ll柏u沁l 1 j l4 确h 瞄 2 7 骱 刮 圭r 2 ic 2 式1 宁5 0 b 卜一 剥 芗上w 2 2 p 1 8 0 0 7 - c 9 t3 3 8 白 = c 5 j = c 1= 1 2 1 5 0 p 了o 图3 - 4 22 5 m h z 截止频率的椭圆低通滤波器电路图 用p s p i c e 获得的幅频曲线仿真图如3 - 4 3 所示： 4 1 电子科技大学硕士学位论文 l 一。i 一- o p r - 一 o 一。一j 一1 】、【 i r ” i ； ：一 m q _ i e n y 图3 4 32 5 m h z 截止频率的椭圆低通滤波器幅频曲线 3 4 4 3 模拟通道中前置滤波器设计 d d s 输出的最大正弦波频率为4 0 0 m h z ，而我们要求输出信号的最高频率为 2 0 0m h z ，椭圆低通滤波器的通带截止频率可设为2 1 0 m h z ，阻带截止频率为 2 5 0 m h z 。阻带对应的最小衰减定为5 0 d b ，能够容忍的纹波大小为0 1 d b ，输入输 出电阻为5 0 欧姆，根据这五个参数，可以用f i l t e rd e s i g ns y s t e m2 0 得到滤波器 元件参数与电路排布，再把元件参数的非标称值化为最接近的元件标称值。 设计好的椭圆低通滤波器的电路图如图3 4 4 所示，因为运放t h s 3 2 0 1 输出的 是电压源，所以在信号的输入端串联了一个5 0 欧姆的电阻： r 2 l 3 0k 4 0t r i ol 1 v v v b日帷_ j剀 掣 岁 ：c 9 2 2 d 草0 图3 鹕2 1 0 m h z 截止频率的椭圆低通滤波器电路图 用p s p i c e 获得的幅频曲线仿真图如3 4 5 所示： 4 2 第三章系统硬件设计 ；呻 j ，；- 、l 一 j l ，j ；， i _ ：i 【 i： h 1 一一 一- 7 j 、。： 图3 4 52 1 0 m h z 截止频率的椭圆低通滤波器幅频曲线 3 4 4 4 模拟通道中输出滤波器组设计 虽然在模拟通道最开始时有过渡带非常陡峭的椭圆滤波器滤除高频噪声，但 经过加法器和放大电路之后，信号产生了一定的谐波失真和交调失真，输出频率 越高时失真越明显。为了提高系统指标，在输出前再加一组滤波器。根据上面分 析，这组滤波器采用能有效滤除离主频谱较近噪声谱线的椭圆低通滤波器。 通过实验观察，正弦波信号在大于6 0 m h z 时谐波失真就很明显，为3 0 1 d b ， 如果直接接一个截止频率为2 5 0 m h z 的滤波器，那么1 2 0 m h z 以下信号的二次谐 波难以滤除。所以把滤波器分成两路，截止频率分别为1 2 0 m h z 和截止频率为 2 5 0 m h z 各一路。 设计好的截至频率为1 2 0 m h z 的椭圆低通滤波器的电路图如图3 4 6 所示： r 3i3l 4l 5 图3 4 61 2 0 m h z 截止频率的椭圆低通滤波器电路图 用p s p i c e 获得的幅频曲线仿真图如3 - 4 7 所示： 4 3 电子科技大学硕士学位论文 、 ￥ 一 1 ， 1i，r j 一t 1 i ： ! l 一? f “： ；l ； 。 | l ；i ；+ i ： ! l 一 ! l | ：f i i ，l l l 一t ” j ；! l 一 ”e”“ l ：一 i “ 、 j 、 、1 f r e q u e n c y 图3 _ 4 71 2 0 m h z 截止频率的椭圆低通滤波器幅频曲线 设计好的截至频率为2 5 0 m h z 的椭圆低通滤波器的电路图如图3 4 8 所示： 图3 _ 4 82 5 0 m h z 截止频率的椭圆低通滤波器电路图 用p s p i c e 获得的幅频曲线仿真图如3 4 9 所示： 1 卜，、 7 _ 、 ： i； l 一i l l l ：。 ：。y j t k ；l e t e q u e n c y 第三章系统硬件设计 图3 - 4 92 5 0 m h z 截止频率的椭圆低通滤波器幅频曲线 3 5快速沿脉冲信号产生模块设计 本设计要求产生上升沿小于6 0 0 p s 的快速沿脉冲信号，我们采用的是阶跃恢复 二极管( s t o pr e c o v e r y d i o d e s 简称s r d ) ，利用它的快速反向恢复阶跃恢复的 特点来产生幅度大、边沿陡的脉冲信号。 和一般二极管有所不同，阶跃恢