實驗指導書基于AD9481的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實驗一信號調理通道原理實驗一實驗目的1了解數(shù)據(jù)采集的基本結構原理，包括模擬信號調理電路、模數(shù)轉換電路、數(shù)據(jù)緩沖與存儲電路、數(shù)據(jù)處理與顯示、通信接口等；2學習基本的數(shù)據(jù)采集平臺搭建、熟悉測試實驗平臺的操作；3學習觸發(fā)通道基本原理，加深對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中觸發(fā)功能的理解。4理解信號調理電路的工作原理，包括衰減電路、放大電路、偏移調節(jié)電路。二實驗任務1在測控技術及嵌入式系統(tǒng)平臺上，按照信號鏈路，學習了解實驗系統(tǒng)各個模塊的功能，包括模擬信號調理模塊，ADC采集模塊、處理及顯示模塊、電源模塊、數(shù)字萬用表模塊等。2搭建電路模塊并確認采集平臺正常工作，實現(xiàn)波形的正確采集及顯示。3信號調理功能實驗，掌握模擬通道對信號衰減、放大作用的原理；設置信號源發(fā)出頻率、幅度固定的交流電壓信號，并輸入到模擬通道，分別調節(jié)采集系統(tǒng)的幅度檔位，觀察并記錄測量結果表。三實驗設備1信號源普源精電DG4162一臺/EE1462；2測控技術及嵌入式實驗平臺PG1000一臺。四實驗原理1實驗平臺模塊簡介粗率減20阻抗變換可變增益放大器帶寬控制偏置調節(jié)緩沖驅動位移調整去觸發(fā)通道輸入粗率減20阻抗變換可變增益放大器帶寬控制偏置調節(jié)緩沖驅動位移調整去觸發(fā)通道輸入外觸發(fā)通道1信號通道2信號交流信號模擬多路選擇器高速比較器LVDS/PECL輸出耦合控制比較電平緩沖驅動ADCADCFPGA采樣時鐘觸發(fā)脈沖DSPRS232USBSDRAMFLASH鍵盤接口顯示接口擴展接口電源模塊液晶屏DMM模塊鍵盤信號調理模擬通道采集模塊處理模塊圖1測試技術與嵌入式系統(tǒng)綜合測試實踐平臺本實驗平臺結構框圖如圖1所示，輸入信號首先經(jīng)過信號調理模擬通道，進行適當?shù)姆糯蠡蛩p，調理至ADC的輸入范圍后送到采集模塊；采集模塊將模擬的信號進行數(shù)字量化，轉換成8BIT的數(shù)據(jù)流送至FPGA進行緩沖存儲，其中FPGA為ADC提供250MHZ的采樣時鐘，F(xiàn)PGA內部實現(xiàn)觸發(fā)功能、高速數(shù)據(jù)的接收和緩沖，并與處理模塊實現(xiàn)接口互連，將量化的二進制數(shù)據(jù)送至處理模塊；處理模塊包括DSP、SDRAM、FLASH存儲器、異步串行接口、USB接口、鍵盤接口、顯示接口等，將轉換的二進制數(shù)據(jù)進行處理并送LCD顯示；另外，本實驗平臺包括一DMM模塊，和處理板相連接，能夠實現(xiàn)數(shù)字萬用表的電壓測量、電阻測量、二極管測量、電容測量等。圖2測試技術與嵌入式系統(tǒng)綜合測試實踐平臺實物照片2信號調理模擬通道通常ADC的輸入范圍為1VPP或者500MVPP等，較為有限，如何測量幅度超過ADC輸入范圍的信號又如何測量幅度只有幾個MVPP或者UVPP量級的信號呢這就需要信號調理通道。信號調理通道，在ADC輸入端口之前將輸入信號調理至適合ADC量化采集的電壓范圍之內，對大的信號按一定比例進行衰減，對小的信號按一定比例放大。粗率減20阻抗變換可變增益放大器帶寬控制偏置調節(jié)緩沖驅動驅動ADC位移調整去觸發(fā)通道輸入圖3信號調理通道結構功能示意圖信號調理通道結構示意如圖3所示，輸入信號經(jīng)過粗衰減或直通、阻抗變換、可變增益放大器、帶寬控制、緩沖驅動后送至ADC。21衰減網(wǎng)絡電路原理無源衰減網(wǎng)絡的作用是對幅度較大的信號進行衰減，達到基本滿足ADC輸入范圍的要求。其原理如下圖所示，大概是一個20倍的衰減。圖4無源衰減網(wǎng)絡工作原理圖22壓控可變增益放大器（VGA）AD8337是美國ADANALOGDEVICESINC公司推出的一種高頻帶寬度、低功耗、采用直流耦合的可變增益放大器該放大器的增益均可以分貝為單位線性變化，其頻率可達100MHZ；帶寬3DB可達250MHZAD8337采用AD公司先進的專利電路技術和XAMP結構，因而具有優(yōu)異的增益控制特性，其增益控制范圍為024DB，同時，增益控制接口還可提供20DBV的精確線性控制率1AD8337的主要特點AD8337可廣泛應用于工業(yè)和儀表領域，和同類競爭方案相比，其速度快50，尺寸小30。AD8337的VGA能提供極好的直流DC和交流AC電性能。其優(yōu)秀的直流和高速特性使AD8337VGA特別適合于大范圍HIGHCHANNELCOUNT工業(yè)和儀器應用，譬如PETPOSITRONEMISSIONTOMOGRAPHY醫(yī)療影像、工業(yè)超音波、RF射頻測試儀器、和高性能AGC自動增益控制系統(tǒng)主要特點如下低噪聲22NVRTHZ；低功耗78MW；器件的頻帶寬度范圍可從低頻到250MHZ3DB；額定增益范圍024DB前置放大器增益為6DB；增益控制率20DBV；直流耦合；單端輸入和輸出；電源5V，25V或5V；工作溫度4085；33毫米8引腳LFCSP2引腳說明AD8337的引腳排列如圖1所示，各引腳的功能說明見表1所列圖5AD8337關鍵封裝視圖3結構原理AD8337的原理電路結構如圖6所示。該芯片主要由前置放大器、衰減器、偏置單元、內插器、增益控制接口和輸出放大器等部分組成。AD8337可以采用雙電源供電和單電源供電兩種形式，并可由偏置單元來完成。電源可為5V，25V或5V。圖6AD8337功能結構框圖AD8337的輸入級是一個電流反饋前置放大器，可用來緩沖XAMP的階梯網(wǎng)絡。前置放大器的電壓放大倍數(shù)可以通過外部電阻來設置，其給定設置是采用R1R2100構成的同相放大器，放大倍數(shù)為2即6DB。設計時通過外部電阻的不同配置，前置放大器的放大倍數(shù)也可被設置為大于2的其它值。緊跟前置放大器的是衰減器，該電阻網(wǎng)絡由每級衰減量為301DB的8級衰減網(wǎng)絡組成，總的衰減范圍是2408DB，每級梯形網(wǎng)絡以固定的分貝數(shù)衰減輸人信號。衰減器后邊是固定增益輸出放大器1806DB。由于前置放大器的放大倍數(shù)可以通過外部電阻進行設置，所以AD8337的增益可根據(jù)前置放大的不同便放大倍數(shù)發(fā)生一些變化，范圍為024DB。圖7AD8337增益（GAIN）與增益控制電壓（VGAIN）關系五實驗內容1信號調理通道無源衰減/放大實驗信號調理通道幅度檔位（垂直靈敏度）分為兩類衰減檔/放大檔,在衰減檔模式下（對應垂直靈敏度500MV/DIV5V/DIV），首先是對信號做20倍的衰減，然后在送入后級電路。對于相同幅度的信號，由于衰減檔位進行了較大衰減，送至ADC后信號幅度小于放大檔位時候對應的幅度，在顯示屏中可以明顯看到。輸入3VPP，10KHZ的方波信號，在不同幅度檔位下，觀察顯示的波形幅度（格數(shù)），顯示的波形格數(shù)代表了輸入到ADC的信號大?。@示格數(shù)與ADC量化成正比關系），并完成下表。表1信號調理通道功能實驗記錄表輸入信號幅度（VPP）幅度檔位類型幅度檔位測量顯示幅度（DIV）5V/DIV072V/DIV163VPP衰減檔1V/DIV34500MV/DIV76200MV/DIV溢出放大檔100MV/DIV溢出2壓控可變增益放大器實驗由于垂直靈敏度檔位較多，不同檔位對應不同的增益，這里就需要可變增益放大器來調節(jié)實現(xiàn)，這里采用了壓控增益放大器AD8337來實現(xiàn)。簡單的說，不同的靈敏度檔位，對應的壓控電壓不同。其中增益控制電壓可以通過DMM測量圖8中所示的測試點（紅圈1所示的貼片電阻焊盤）。12圖8信號調理電路實物照片輸入500MVPP，1KHZ的方波信號，在不同幅度檔位下，顯示的相對幅度不同，記錄下表。表2壓控增益放大器實驗記錄表幅度檔位增益控制電壓（VGAIN）測量顯示幅度（DIV）200MV/DIV84132100MV/DIV8376250MV/DIV826溢出3偏移調節(jié)電路實驗為了實現(xiàn)對波形的上下移位，需要給輸入信號調節(jié)疊加直流偏置電壓，在此實驗平臺中，處理器通過控制數(shù)模轉換器（DAC）產(chǎn)生直流可調電壓，送至緩沖電路，如下圖所示）。圖9偏置調節(jié)電路原理去除外部輸入信號，調節(jié)位移旋鈕，用數(shù)字萬用表測量偏置調節(jié)電壓V_OFFSET（圖8紅圈2）可觀察隨著屏幕基線的上下移動，電壓在發(fā)生變換。4思考題1通常模數(shù)轉換器ADC為單電源供電器件，只能對單極性信