陳彥麗, 羅通頂, 田 耕, 阮林波, 王 晶

(西北核技術(shù)研究所， 西安 710024)

在強脈沖輻射測量中，為獲得輻射源的物理信息，需盡可能精確記錄探測器輸出的直流信號波形，用于推斷脈沖射線和脈沖射線源的特征及參數(shù)[1]。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，脈沖輻射探測器輸出的信號前沿越來越快，為精確獲取探測器輸出的大動態(tài)范圍的單次超快脈沖信號波形，需在近端采用超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄不同能量區(qū)域的信號波形，在有限時間內(nèi)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸出去并存儲下來，進行分析處理。脈沖輻射探測器輸出的信號動態(tài)范圍大、信號前沿快及有直流偏置，因此對超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端模擬信號調(diào)理電路(signal conditioning circuit， SCC)設(shè)計提出了較高要求。本文以電路結(jié)構(gòu)簡單、帶寬合適夠用為原則，設(shè)計了線性范圍為±10 V、模擬帶寬為500 MHz的SCC。與之前的SCC[1-3]相比，本文簡化了電路設(shè)計，更有針對性。本文設(shè)計的SCC已應用于脈沖輻射場4 GHz超高速數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)中。

1 4 GHz超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)介紹

測量強脈沖輻射的4 GHz超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實物如圖1所示。該系統(tǒng)采用機箱式架構(gòu)，由8個數(shù)據(jù)采集模塊、背板和電源模塊組成。

圖2為單路超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成示意圖。由圖2可見，數(shù)據(jù)采集模塊由模擬信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter， ADC)驅(qū)動采集電路和數(shù)據(jù)存儲傳輸及控制單元等組成。SCC是連接探測器和數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的橋梁，關(guān)系到整個系統(tǒng)的指標，直接決定了系統(tǒng)的下限水平，通常用于對模擬信號進行幅度和偏置調(diào)節(jié)、帶寬設(shè)置及阻抗匹配等[4-5]，以滿足后端數(shù)字化系統(tǒng)的輸入要求。

2 SCC設(shè)計原理

在脈沖輻射場診斷中，脈沖輻射探測器輸出的直流脈沖信號上升沿快，動態(tài)范圍大，約100 dB[1]，要求SCC可調(diào)節(jié)偏置，有較高的模擬帶寬，可衰減大幅度的信號，能對后端ADC芯片進行過壓保護。同時，為滿足ADC芯片的輸入要求，SCC要具備阻抗匹配、單端轉(zhuǎn)差分和抗混疊濾波的功能。

由于信號過大容易損壞昂貴的高速ADC芯片，因此，提出了一種模塊化設(shè)計，將前端模擬電路設(shè)計成1個單獨的模塊，與后端ADC電路隔開，便于更換和升級，節(jié)省成本和研發(fā)周期。模塊化的設(shè)計需有共模電壓產(chǎn)生電路，為單端轉(zhuǎn)差分提供共模電壓。SCC設(shè)計原理如圖3所示。

由圖3可見，SCC主要由衰減電路、過壓保護、ADC驅(qū)動電路、偏置調(diào)節(jié)、共模電壓產(chǎn)生電路、抗混疊濾波電路和直流電源轉(zhuǎn)換電路等組成。SCC的設(shè)計要求為：(1)輸入信號范圍為±10 V；(2)模擬帶寬超過300 MHz；(3)偏置調(diào)節(jié)范圍為-3 ～ +5V；(4)差分信號輸出共模電壓為1.25 V；(5)噪聲水平盡可能低。

為設(shè)備小型化和便于試驗現(xiàn)場調(diào)節(jié)，衰減電路采用了固定衰減和可變衰減相結(jié)合的方式。信號幅度由集成固定衰減芯片T1進行粗調(diào)，由R2、R3和R4組成的π型網(wǎng)絡(luò)進行細調(diào)，不同調(diào)理電路分別設(shè)置不同的衰減系數(shù)。±5 V過壓保護電路由快速恢復肖特基二極管MMBD352WT1G(D1)實現(xiàn)。偏置調(diào)節(jié)電路通過高速緩沖芯片LMH6559(A2)和電阻R01，R02實現(xiàn)，調(diào)節(jié)電壓范圍為-3 V～+5 V。為降低噪聲，選用了標準電源基準芯片REF3212產(chǎn)生1.25 V共模電壓。二階RLC有源抗混疊濾波電路由R12，R13，C4，L1，L2，R14和R15構(gòu)成，用于降低帶寬，提高輸出信號的信噪比，防止頻譜混疊。為最大簡化電路，ADC驅(qū)動電路由1個高帶寬的單端轉(zhuǎn)差分運算放大器LMH5401(A1)和匹配平衡電阻R5，R6，R8，R9，R10，R11組成，C1，C2用來穩(wěn)定放大器輸出。為抑制共模信號，降低諧波，提高ADC芯片輸出信號的性能指標，SCC輸出的差分信號要有較好的線性、對稱性和平衡性，因此需選擇低噪聲、低溫漂及高精度的電阻[6-7]。本文單端轉(zhuǎn)差分電路的各參數(shù)可由式(1)-式(4)[8]精確計算得到，表示為

(1)

(2)

RG1+RT//RS=RG2

(3)

(4)

首先選定RF值(R10，R11)和電路增益Av，然后根據(jù)式(1)-式(4)計算出RT(R5和R6)和RG1(R8，R9)。其中，RS為輸入端阻抗，一般選為50 Ω。

圖4為圖3中直流電源轉(zhuǎn)換電路示意圖。由圖4可見，直流電源轉(zhuǎn)換電路由2個低噪聲高轉(zhuǎn)換效率的DC/DC模塊(PTH0808W和PTN04050A)和3個低紋波低噪聲的LDO芯片(TPS7A3301和PTN04050A)組成，可將5 V電壓源轉(zhuǎn)換為3.75，-1.25，-3 V 3種電壓源，為單端轉(zhuǎn)差分的運放和偏置調(diào)節(jié)電路提供電壓。5 V電源的輸入端安裝了貼片式保險絲，用來保護電路防止過流。

在設(shè)計印制電路板(printed circuit board, PCB)時，布板采用6層板設(shè)計，層間布局依次為信號層、地層、正電源層、負電源層、地層和信號層，器件放置在頂層。這樣的設(shè)計提供了完整的地平面，使信號線的回流最近，簡化了頂層電路設(shè)計，極大地降低了系統(tǒng)噪聲。PCB走線、過孔和電路布局等均采用對稱設(shè)計，使用小封裝表貼元器件，減少了寄生參數(shù)，降低了噪聲；差分信號線采取等長和阻抗匹配設(shè)計，單端輸入端阻抗盡可能接近50 Ω，差分輸出阻抗盡可能接近100 Ω。此外，挖空運算放大器芯片下方的電源層和地層，以減少寄生電容，降低電源和地層的干擾。圖5為電路板實物圖。

3 SCC性能測試

電路系統(tǒng)測試之前，通常要對各個模塊進行性能測試。SCC性能測試主要包括頻域測試、時域測試、噪聲測試及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試等。

3.1 SCC頻域測試

為獲得不失真和穩(wěn)定的輸出信號，需測試模擬電路帶寬，使設(shè)計滿足實際需求。使用高速信號源(R&S SMA100A)產(chǎn)生幅度固定的正弦波信號，信號幅值使用示波器測試后，輸入SCC，改變信號源信號的頻率，記錄不同頻率下，SCC輸出信號峰的峰值，使用Orign軟件對數(shù)據(jù)進行處理，得到單端轉(zhuǎn)差分運放增益為2 dB和4 dB時，系統(tǒng)增益G隨信號源信號頻率f的變化關(guān)系，如圖6所示。由圖6可見，系統(tǒng)增益下降3 dB時, 對應的頻率分別為500 MHz和320 MHz，即單端轉(zhuǎn)差分運放增益為2 dB和4 dB的SCC -3 dB帶寬分別為500 MHz和320 MHz。測試結(jié)果表明，-3 dB內(nèi)帶寬較平坦，單端轉(zhuǎn)差分運放增益越大帶寬越低，穩(wěn)定性越好。

3.2 SCC時域測試

為保證待測信號工作在線性范圍內(nèi)，需測試模擬調(diào)理電路的線性區(qū)間。使用信號源產(chǎn)生脈沖信號，輸入SCC的輸入端，改變輸入信號，使用示波器測量不同輸入信號時，SCC輸出信號峰的峰值。記錄數(shù)據(jù)并分析處理，得到單端轉(zhuǎn)差分運放增益為2 dB和4 dB的SCC輸出電壓峰的峰值隨輸入電壓的變化關(guān)系，如圖7所示。通過線性擬合可得，2種增益下SCC線性范圍約為±10 V，增益越小，線性度越好。

由于輸入電壓范圍較大，使用示波器標定輸入信號時需加衰減器或功分器，測試會有一定偏差，但能滿足使用要求。

另外，為驗證本文設(shè)計的SCC的基本功能，開展了時域波形測試，采用信號源輸出信號作為輸入，測試輸出的差分對信號，觀察差分波形的對稱性和一致性。圖8為時域波形測試結(jié)果。由圖8可見，差分對的幅度和脈寬一致性較好。

3.3 SCC噪聲測試

噪聲是模擬信號調(diào)理電路指標之一，噪聲影響系統(tǒng)的下限指標，要盡可能地降低系統(tǒng)噪聲，因此設(shè)計需測試SCC噪聲水平。測試方法：首先測試示波器本身的噪聲水平；然后將SCC輸入端接地，用示波器測試SCC輸出端信號噪聲水平；將兩個噪聲值平方差開根號，即為系統(tǒng)的噪聲。測量結(jié)果表明：示波器本身噪聲為123.5 μV；SCC輸出噪聲為444.3 μV；通過計算得出SCC本身噪聲為426.7 μV，噪聲水平小于1 mV，可滿足設(shè)計要求。

3.4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試

為驗證4 GHz超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能，將SCC與后端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)聯(lián)合測試。信號源輸出信號分為2路：一路信號輸入到示波器；另一路信號輸入到SCC輸入端。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試結(jié)果如圖9所示。其中：1為示波器信號；2為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出信號。由圖9可見，二者幾乎重合，說明SCC能滿足采集系統(tǒng)的要求，驗證了4 GHz超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能。

3.5 性能對比

對比大動態(tài)的具有高低增益的模擬信號調(diào)理電路[1-3]，本文設(shè)計的信號調(diào)理電路根據(jù)信號幅度大小設(shè)計不同衰減倍數(shù)，不同通道具有不同量程，覆蓋整個測量范圍，進行單通道信號采集，更有針對性，減少了通道間的干擾及影響信號前后沿的不確定因素，帶寬增益可調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種大動態(tài)、高帶寬及模塊化的SCC設(shè)計，該電路具有阻抗匹配、偏置電壓調(diào)節(jié)、共模電壓產(chǎn)生、單端轉(zhuǎn)差分及抗混疊濾波等功能。將SCC設(shè)計成單獨模塊，與后端ADC電路隔開，便于更換和升級，節(jié)省成本和研發(fā)周期。性能測試結(jié)果表明，系統(tǒng)可正確獲得數(shù)據(jù)，SCC設(shè)計能滿足采集系統(tǒng)要求。但由于該電路是直接將衰減后的信號單端轉(zhuǎn)差分，前后端均沒有通過運放緩沖，對電路匹配要求更高，需精確計算電路參數(shù)，選擇高精度電阻。