数字存储示波器中300MHz模拟通道设计.pdf
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1、 I 分类号 密级 UDC 注 1 学学 位位 论论 文文 数数字存储示波器中字存储示波器中 300MHz300MHz 模拟通道设计模拟通道设计 王彦彬王彦彬 指导教师姓名 田书林田书林 教授教授 电子科技大学电子科技大学 成都成都 申请学位级别 硕士硕士 专业名称 测试计量技术及仪器测试计量技术及仪器 论文提交日期 2008.4 论文答辩日期 2008.5 学位授予单位和日期 电子科技大学电子科技大学 答辩委员会主席 评阅人 年 月 日 注 1 注明国际十进分类法 UDC的类号 II 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
2、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: 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
3、定) 签名: 导师签名: 日期: 年 月 摘要 I 摘要 模拟通道是数字存储示波器的关键组成部分之一,其性能指标直接制约数字 存储示波器的发展。如何使模拟通道具有更宽的频带、更低的噪声、更好的交直 流特性是数字存储示波器研究的重要内容,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。 本课题是进行带宽为 300MHz 的模拟通道设计,其主要工作包括信号调理通 道设计、触发通道设计、偏置调节和通道控制功能的实现以及电路的噪声抑制和 抗干扰设计。 在信号调理通道的设计中,幅度调理电路采用了数字步进衰减器+高速运算放 大器+固定增益运算放大器+差分运算放大器的全新结构,其模拟带宽达到了预期 的
4、 300MHz,同时增加了电路的可靠性,降低了调试的难度。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。设计了前级和后级相结合的独特的 偏置调节方式,使偏置调节范围从原来的每个档位10格增加到 2mV/div 200mV/div 档位V1,500mV/div5V/div 档位V20,同时这样的方式不必使用 高分辨率的 DAC,从而节约了成本。改用带有输出锁存功能的控制芯片,提高了 通道状态控制的可靠性,减少了非人为误操作的可能性。在电路设计和 PCB 的设 计上都注意采取了噪声的抑制和电路的抗干扰措施,通过实
5、际的测试,取得了不 错的效果。 在设计、调试和验证过程中,涉及到的主要理论有阻抗匹配、高速 PCB 设计 和运算放大器的应用等。 关键词关键词:信号调理,触发,运算放大器,数字步进衰减器,高速比较器 ABSTRACT II ABSTRACT Analog channels are pivotal part of DSO (Digital Storage Oscilloscope),their performance and index restrict the development directly. How to make the analog channels have wider fr
6、equency band, lower noise, better AC and DC performance is an important content in the process of DSO research, which making the design of analog channels is a sticking point for DSO design. This project is design of 300MHz analog channels, and signal conditioning channel、 trigger signal channel、 co
7、ntrolling and base adjusting circuit、 restraining noise and anti-jamming design are included in this project. The new frame of DSA (Digital Step Attenuator) + high-speed OP+ fixed gain OP+ differential OP is adopted in the signal conditioning channel design,which making the bandwidth reach to 300MHz
8、 , add the stability of the circuit and reduce the difficulty of debugging. More advanced analog multiplexer、video sync separator、high-speed comparator are Chose in trigger signal channel design and higher performance trigger signal、more simple circuit are obtained. The base adjusting range is expan
9、ded to 1V (2mV/div200mV/div) and 20V (500mV/div5V/div) because particular base adjusting circuit is Used. The cost is saved for using low resolution DAC. The IC with output latch is selected to control channel, and possibility of incorrect operation is reduced. More attention is paid to restraining
10、noise and anti-jamming in this design, such as filtering circuit, PCB design. Many important theories are applied in this design, such as impedance match, high-speed PCB design and high-speed amplifier application. Key words: signal conditioning, trigger, operational amplifier, Digital Step Attenuat
11、or, high-speed comparator 目录 III 目录 第一章第一章 前言前言 1 1.1 概述 . 1 1.2 技术现状与发展趋势 . 2 1.2.1 国外现状 . 2 1.2.2 国内现状 . 3 1.2.3 发展趋势 . 3 1.3 设计任务 . 4 1.4 总体设计方案 5 第二章第二章 信号调理通道信号调理通道 7 2.1 方案、主要器件的选择与确定 7 2.1.1 设计方案的选择与确定 . 7 2.1.2 主要器件的选择 . 8 2.1.3 具体设计方案 . 14 2.2 无源衰减网络 . 15 2.3 阻抗变换电路 . 17 2.3.1 输入阻抗 . 18 2.3
12、.2 直流成分传输 . 18 2.3.3 静态工作点 . 19 2.4 数字步进衰减器 . 19 2.5 放大电路和输出级 . 23 2.5.1 运算放大器的应用设计 . 23 2.5.2 放大电路的级联与匹配 . 27 2.5.3 驱动 ADC 时的电路 . 30 2.6 信号调理电路的带宽限制 . 32 2.7 输入阻抗的选择 . 34 第三章第三章 触发通道触发通道 35 3.1 关键器件的选择与具体方案 . 35 3.2 触发信号的产生和选择 36 3.3 高速比较器 . 37 3.4 视频触发 . 39 3.5 触发耦合 . 41 第四章第四章 通道控制和自校正通道控制和自校正 42
13、 4.1 通道控制电路 42 目录 IV 4.1.1 通道的状态控制电路 . 42 4.1.2 各种电平调节功能的实现 . 43 4.2 通道的自校正 . 49 4.2.1 自校正的目的和基本思想 . 49 4.2.2 自校正信号的产生电路 . 49 第五章第五章 噪声抑制和抗干扰设计噪声抑制和抗干扰设计 51 5.1 噪声和干扰源分析 . 51 5.1.1 噪声的来源 . 51 5.1.2 电路的干扰源分析 . 52 5.2 抑制噪声的措施及抗干扰设计 . 53 第六章第六章 调试与验证调试与验证 56 6.1 模拟通道的调试 . 56 6.1.1 调试电路的注意事项 . 56 6.1.2
14、数据存储示波器数据采集系统的调试 . 56 6.1.3.随机采样的调试 . 57 6.1.4 PE4302、CD4094 和 DAC 的调试 . 57 6.1.5 典型问题及解决方法 . 57 6.2 模拟通道指标的验证 . 58 6.2.1 上升时间 . 58 6.2.2 动态范围 59 6.2.3 偏置调节范围 60 6.2.4 输入电容的测试 61 6.2.5 手工校正 . 62 结论结论 63 致谢致谢 64 参考文献参考文献 65 攻硕期间取得的研究成果攻硕期间取得的研究成果 66 第一章 前言 1 第一章 前言 1.1 概述 数字存储示波器自上个世纪七十年代诞生以来,应用越来越广泛
15、,目前已成 为必不可少的测试工具之一。图 1-1 就是数字存储示波器的整体框图: 模拟通道 ADC 逻辑控制模块 (FPGA) 显存与LCD 控制器 (DSP) FLASH 各种接口 (USB, LAN) 信号调理通道 触发通道 通道控制 与 校正电路 模/数转换 数字电路部分 信号输入 外触发 图 1-1 数字存储示波器整体框图 依据上图,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 测信号通过信号调理通道后被调理成一定幅值的信号,经模数转换器后被量化成 数字信号, 这些数字信息被 DSP 处理后进行波形重构, 最终将信号波形显示在 LCD 上供用户观察。 数字示波器有着许多模拟
16、示波器所不具备的优点,主要表现在 1: (1)单次信号捕捉:数字存储示波器能够捕捉像电源开、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内嵌一个微处理器,它能够对被测信号 完成幅度和时间等参数的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 电子科技大学硕士学位论文 2 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
17、能,简化了使用者的操 作,使仪器更加智能化。 对于数字存储示波器来说,模拟带宽是其重要指标之一,它取决于示波器的 前端器件,如探头,放大器和模数转换器等,因此,模拟通道的带宽成为数字存 储示波器发展的瓶颈,制约着数字存储示波器的发展。 具有较高带宽的数字存储示波器比低带宽仪器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,不容易被忽略。带宽 越高,信号再现就越准确。 从这几年的发展来看,示波器的带宽越做越高,当示波器的带宽达到一定程 度时,模拟通道部分保持良好的幅频响应和相频响应越来越难,另
18、外,由于进入 高频段,对于触发电路的要求也同样更加严格。如何能够有一个良好的模拟通道, 是数字存储示波器设计的重要内容。 所以,如何使模拟通道具有更宽的频带、更低的噪声、更好的交直流特性是 数字存储示波器研究的重要内容,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 技术现状与发展趋势 1.2.1 国外现状 目前,在国外数字存储示波器的主要生产厂商是泰克公司、安捷伦公司和力 科公司。 泰克公司在数字示波器设计研究领域一直保持着领先地位, 占有高档数字示 波器市场的 50%以上的份额。 该公司早在 2000 年就推出了模拟带宽为 4GHz 带宽的 示波器,以后陆续在 2002 年
19、和 2004 年推出了模拟带宽分别为 6GHz 和 8GHz 的示 波器。目前,泰克的最先进的数字示波器的模拟带宽已达到 15GHz。 安捷伦公司的 INFINIIUM 系列数字存储示波器覆盖 1GHz 至 7GHz 的带宽,各种 探头的最高带宽达到 8GHz,是泰克的主要竞争对手之一。 力科公司是专门的数字示 波器供应商,它的 WaveMaster8000A 系列产品档次最高,带宽为 6GHz;中档产品有 WavePro7000 系列,带宽为 1 至 3GHz;普及型产品有 Wave Runner 系列,带宽为 第一章 前言 3 350MHz 至 2GHz。 目前,领先的数字示波器供应商都采
20、用集成电路的方式设计前端模拟电路。 泰克公司和力科公司均采用了硅锗(SiGe)材料,这种材料有很高的射频特性, 并且与 CMOS 工艺兼容,例如,2004 年泰克公司推出的带宽为 8GHz 的 TDS6000B, 就是采用了 IBM 的 0.18um 7HP SiGe 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 Si、GaAs、以及 E-PHEMT 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
21、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。 1.2.2 国内现状 目前中国示波器市场的格局是,中高端市场基本上被安捷伦、泰克等海外厂 商垄断,而在低端市场,很多用户用的还是 20 世纪 5、60 年代的产品。进入 21 世纪后,国家对电子产业的发展日益重视,对示波器等测量仪器需求巨大,尤其 是对高性价比的测试测量仪器需求强烈。 在示波器领域与国外测试测量巨头的博弈中,中国企业已取得非常大的突破。 北京普源精电科技有限公司作为中国仪器界崛起的生力军,产品有模拟带宽为 25MHz、40 MHz、60 MHz、100 MHz、200 MHz 等几个系列的产品,打破了这个 领
22、域国外产品一统天下的局面,弥补了国内空白。江苏绿扬电子仪器集团有带宽 从 60 MHz 到 100 MHz 的系列产品。另外,中国电子科技集团公司第四十一研究 所,优利德科技也有较完整的产品系列。 由于国内的数字存储示波器研究起步较晚,前端的模拟通道部分都是用分立 元件搭建,很难做到高带宽。综上所述,国内厂商在品牌、技术、人才上都与国 外巨头之间仍然存在差距。 1.2.3 发展趋势 无论国内还是国外,高速数据技术的发展多年来始终是整个信息技术行业的 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
23、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。 电子科技大学硕士学位论文 4 第一:分析能力更加强大 示波器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的能力,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:测试功能更加全面 在现今数字存储示波器的设计中,触发功能日益丰富,频率计、万用表和逻 辑分析仪等功能均可以在示波器中实现,这就说明数字示波器已经不再是一种单 纯的观察信号波形的测试仪器,而成为了一种多功能的测试平台,未来这种趋势 将更加明显。
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