遼寧工業(yè)大學電子與信息工程學院　王　浩　孟麗囡　孫福明

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100MHz帶寬數(shù)字存儲示波器的模擬通道設(shè)計

遼寧工業(yè)大學電子與信息工程學院王浩孟麗囡孫福明

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

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

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

1　引言

示波器可將人眼看不見的電信號轉(zhuǎn)化為圖像信息，方便人們對電信號的測試和研究。為了更加直觀和深入理解被測對象，所以常需要借助示波器進行[1]。采樣率和模擬帶寬是評價數(shù)字示波器的兩個重要指標。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、串擾以及其他多種影響。本文設(shè)計的數(shù)字示波器的模擬通道，主要的技術(shù)指標要求包括：（1）模擬帶寬：100MHz；（2）垂直通道檔位：5mV/div－5V/ div (1-2-5步進)；（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、通道2信號、交流信號(50Hz)。

2　系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1總體方案

數(shù)字存儲示波器的整體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1　數(shù)字存儲示波器總體方案

模擬通道包含信號垂直調(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），所以采用信號調(diào)理電路對輸入信號進行調(diào)整。為保證波形信號穩(wěn)定地顯示，每次的開始掃描的位置都必須是周期信號的同一點。

2.2信號垂直調(diào)理通道方案

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

設(shè)計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)信號通道方案

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

2.4通道控制電路方案

通道控制電路是對觸發(fā)通道和信號調(diào)理通道的各個繼電器和調(diào)節(jié)電平進行控制，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)計衰減網(wǎng)絡(luò)與之配合。

實際線路中分布電容和引線電容對網(wǎng)絡(luò)有影響，當電路工作在高頻段時，為抵消電阻的寄生電感和寄生電容，加入高頻補償電容。調(diào)節(jié)高頻補償電容使網(wǎng)絡(luò)達到最佳補償時，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

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

由于高速寬帶運放的低頻特性不理想，所以直流與交流分開進行阻抗變換。直流分量會影響射隨器的Q點，所以通過電容隔直。直流分量通過處于深度負反饋的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，因此后級會影響前級的輸入阻抗。當直通時，輸入信號直接進入阻抗變換電路，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)中運放輸入端的分壓電阻。當使用前面無源衰減網(wǎng)絡(luò)時，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因檔位的不同而有不同，為使AD8512正常工作，我們對輸入信號進行電阻分壓，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

我們利用場效應(yīng)管和三級管構(gòu)成復合管來提高輸入阻抗。為調(diào)整T1管的Q點，我們加入T3，并把它接成電流源的形式。對于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，AD8512正相電壓不變，引起輸出減小，導致T2的Ic和Ie減小。經(jīng)此負反饋維持Ic和Ie的穩(wěn)定，從而穩(wěn)定了Q點，減小了溫漂，增加穩(wěn)定性。

3.2.4帶寬限制

由于環(huán)境以及輸入信號的高頻噪聲容易造成后級放大器自激等干擾，所以有必要對高于100MHz的高頻信號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，因運放的加入和級間直接耦合方式會引起自激或零漂。

因前后級電路會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運放電路設(shè)計

由于需要直流耦、寬帶寬、V/V線性連續(xù)可變，本設(shè)計選擇VCA824。其在10V/V時具有420MHz的帶寬，精度達到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)計為單端輸入。為提高VCA824的幅頻特性和通道平坦度，以及補償前面分壓電阻的誤差，設(shè)置VCA824的增益為0.05～7V/V。

為了矯正各級電路之間的誤差，壓控選擇12位DA對增益進行精準控制。因為高速信號對阻抗一致性、損耗等要求很高，且需要低阻抗的回流路徑，設(shè)計采用4層板設(shè)計。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

固定增益電路是與ADC連接的運算放大器，主要任務(wù)是對信號的固定增益放大和提高帶載能力，輸出電流能達到180mA。考慮到輸入信號可能在高頻段，因運放的外圍器件和線路會產(chǎn)生寄生電容，我們選取THS4302作為最后一級放大。

3.5單端變差分電路設(shè)計

ADC前級為信號的單端轉(zhuǎn)換為差分電路，其對信號進行垂直偏移調(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。信號為單端輸入，并利用其負端完成垂直偏移調(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，然后進行信號調(diào)理后進入高速比較器，通過設(shè)置不同的觸發(fā)電平將輸入信號變換為不同占空比的觸發(fā)脈沖。觸發(fā)信號可以來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部，CH1和CH2的信號直接從信號調(diào)理通道中引出，引出時要做相應(yīng)隔離。當從系統(tǒng)外部引入觸發(fā)信號時，需要先對信號調(diào)理后向多路選擇器傳輸信號。

4.1多路選擇器的設(shè)計

對于觸發(fā)信號選擇采用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運放的放大倍數(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

本文采用LMH7322。當輸入超過100mv時，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送給FPGA進行處理。其中，可以調(diào)節(jié)RHREF 與RHYS之間的遲滯電阻，減少因為假信號噪聲引起的狀態(tài)變化進而增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5　通道控制電路

對信號調(diào)理通道控制是把輸入的模擬信號進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)。對觸發(fā)信號通道控制是選擇不同的觸發(fā)源，對觸發(fā)信號的處理進行選擇控制，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)計通道狀態(tài)控制電路，當需要對通道的狀態(tài)進行調(diào)整時，由DSP控制FPGA對外部進行控制[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來實現(xiàn)。DSP控制FPGA發(fā)送控制信號給DAC，使DAC輸出模擬控制信號。選擇DAC時主要考慮3個方面：（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三個引腳控制AD5628。其中VOUTA～VOUTH分別對應(yīng)的是模擬電壓值，用于實現(xiàn)各處電平調(diào)節(jié)。

6　測試結(jié)果與內(nèi)容

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

首先是方波增益驗證，由于線路阻抗匹配的原因，信號源顯示的數(shù)值與示波器實際測量值之間有一定誤差，為了保證測試結(jié)果的準確，我們以示波器測量數(shù)據(jù)為準。信號調(diào)理通道調(diào)至20mV檔時，測試直通情況下的方波增益。此時不通過衰減網(wǎng)絡(luò)，電阻分壓為0.8倍，VGA放大倍數(shù)為1.56，整個模擬信號調(diào)理通道放大倍數(shù)為6.25。信號調(diào)理通道調(diào)至200mV檔時，測試通過衰減網(wǎng)絡(luò)時的情況。此時通過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，整個模擬信號調(diào)理通道放大倍數(shù)為0.625。完全符合設(shè)計目標。

然后是頻率響應(yīng)驗證,本次設(shè)計的模擬通道的帶寬為100MHz，因為有無源衰減網(wǎng)絡(luò)的加入，所以要分別測試直通和帶無源衰減網(wǎng)絡(luò)兩種情況，應(yīng)用正弦信號點頻法測試模擬通道的頻率響應(yīng)，具體為保持輸入信號幅度不變，測試當輸入信號頻率為不同頻率時幅度的變化情況。

首先驗證直通情況，此時將檔位調(diào)至20mV檔，設(shè)置輸入信號幅值為160mV，然后調(diào)節(jié)不同頻點并記錄輸出幅值。20mV檔理論增益G0為6.25。測試結(jié)果為帶寬內(nèi)0.1dB平坦度達到了60MHz，-3dB帶寬達到110MHz，完全符合設(shè)計目標。

7　結(jié)論

本設(shè)計主要實現(xiàn)了多級衰減、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。同時，在電源線上加入了磁環(huán)減少噪聲，并通過加補償電容對高頻部分進行頻率補償。本文的設(shè)計從理論分析到實驗驗證都達到預期結(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

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