任意波形發(fā)生器模擬通道設(shè)計(jì)方案案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u14702任意波形發(fā)生器模擬通道設(shè)計(jì)方案案例概述 1257971.1任務(wù)要求 1299981.2模擬通道整體方案設(shè)計(jì) 162311.3隔離緩沖級(jí)電路分析 3201311.4濾波電路模塊設(shè)計(jì) 3137161.5幅度調(diào)理電路 5265421.6偏移控制電路 61.1任務(wù)要求 文中任意波形發(fā)生器模擬通道電路的基本設(shè)計(jì)原則是輸出滿足任務(wù)要求的信號(hào)，具體的要求如下所示：實(shí)現(xiàn)輸出正弦波頻率范圍DC~15MHz；輸出幅度范圍為10mVpp~10Vpp(50Ω)；直流偏置調(diào)節(jié)范圍為±1.5V。1.2模擬通道整體方案設(shè)計(jì)任意波形發(fā)生器波形合成模塊中末端DAC的輸出信號(hào)，便是通道調(diào)理電路的輸入信號(hào)，在設(shè)計(jì)整體方案之前，首先要對(duì)此信號(hào)進(jìn)行分析，才能做到有的放矢。本文中任意波形發(fā)生器波形產(chǎn)生電路的輸出DAC選用的是云芯微電子生產(chǎn)的YD16D250，YD16D250是雙通道、16位、高動(dòng)態(tài)范圍DAC，其輸出電流可以從8.6mA配置到31.7mA。本文是在50Ω匹配下實(shí)現(xiàn)的信號(hào)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配后，該DAC可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)幅度范圍0.43V到1.585V，本文最終需要實(shí)現(xiàn)的輸出目標(biāo)是10mVpp~10Vpp(50Ω)，在高阻狀態(tài)下，輸出應(yīng)該為20mVpp~20Vpp，分析可知本文所設(shè)計(jì)的任意波形發(fā)生器的輸入信號(hào)的最大幅度與最小幅度之間相差近4倍，輸出最大幅度與最小幅度相差1000倍，不能通過(guò)固定倍數(shù)的衰減或者放大使得通道電路滿足任務(wù)要求，所以我們需要設(shè)計(jì)多級(jí)放大和衰減對(duì)信號(hào)進(jìn)行粗調(diào)。首先，我們需要設(shè)計(jì)一級(jí)隔離模塊，用來(lái)隔離前級(jí)DAC的輸出信號(hào)和其他電路模塊，該模塊由運(yùn)放搭建，實(shí)現(xiàn)2倍的放大，此時(shí)該隔離模塊輸出的信號(hào)幅度范圍為0.86V到3.16V，之后通過(guò)濾波模塊，用以濾除波形產(chǎn)生電路輸出信號(hào)中摻雜的鏡像頻率，根據(jù)鏡像頻率的計(jì)算公式f=nfs±f0,f是產(chǎn)生的鏡像頻率，f隔離緩沖級(jí)電路之后，本文設(shè)計(jì)了幅度調(diào)理模塊，在幅度調(diào)理模塊中的衰減模塊和放大模塊之間還有注入直流偏移電平的功能模塊，為便利后級(jí)工作電路中實(shí)現(xiàn)50Ω的阻抗匹配，本文將衰減網(wǎng)絡(luò)中的額定阻抗設(shè)成61.5Ω。通過(guò)模擬通道的輸入和任務(wù)要求的輸出信號(hào)的幅度范圍對(duì)比，我們可以在幅度調(diào)理功能模塊里設(shè)置多種不同大小的增益和衰減模塊，來(lái)使得本文設(shè)計(jì)的幅度調(diào)理模塊可以產(chǎn)生多個(gè)不同的幅度分布段，并且每一個(gè)相鄰幅度段應(yīng)當(dāng)互相有幅度重合的部分。由于在通道電路末端有輸出濾波模塊，其輸出電壓為其輸出電壓的一半，所以在幅度調(diào)節(jié)模塊中，需要使通過(guò)幅度調(diào)節(jié)模塊的電壓幅值范圍在20mV~25V內(nèi)，本文設(shè)計(jì)了兩級(jí)衰減與一級(jí)放大的幅度調(diào)理方案，通過(guò)衰減與放大部分的接入與斷開(kāi)實(shí)現(xiàn)對(duì)所需輸出范圍的覆蓋，設(shè)計(jì)-20dB、-10dB兩級(jí)衰減網(wǎng)絡(luò)，一級(jí)20dB放大模塊。在完成阻抗匹配之后，幅度調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓范圍為20mV~25V，最后該信號(hào)通過(guò)輸出濾波器，在低阻狀態(tài)下，其輸出信號(hào)幅度為10mV~11.5V，包含了本文任務(wù)所需的幅度范圍。綜上所述就是通道調(diào)整電路的總體設(shè)計(jì)規(guī)劃方案，主要由以下幾個(gè)部分組成：1.隔離緩沖級(jí)模塊：該模塊的目的是隔離前級(jí)DAC的輸出信號(hào)和通道電路中的其他電路模塊。1.濾波電路模塊：該模塊主要作用是濾除前級(jí)波形產(chǎn)生模塊在調(diào)制信號(hào)過(guò)程中產(chǎn)生的鏡像頻率。3.幅度調(diào)理模塊：通過(guò)兩級(jí)衰減一級(jí)放大對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分段調(diào)制達(dá)到能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)要求的信號(hào)幅度范圍。4.偏移控制模塊：該模塊是對(duì)通道內(nèi)的交流信號(hào)疊加一個(gè)可以調(diào)節(jié)的直流電壓。其具體每一模塊的設(shè)計(jì)方案在下文中闡述，本文通道電路設(shè)計(jì)框圖如下圖2-1所示。圖2-1模擬通道電路設(shè)計(jì)框圖1.3隔離緩沖級(jí)電路分析隔離緩沖級(jí)工作電路的綜合設(shè)計(jì)，該模塊的主要目的是為了隔離前級(jí)DAC的輸出波形以及模擬通道調(diào)理電路里其它功能模塊，由運(yùn)放構(gòu)建的隔離及緩沖功能電路不僅僅能夠完成額定阻抗匹配對(duì)應(yīng)還能夠提升該電路的驅(qū)動(dòng)能力，為后續(xù)功能模塊對(duì)波形的調(diào)理工作提供了便利。在隔離緩沖電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)放的選型十分重要，它直接影響到輸出波形純度和帶寬等指標(biāo)。為了保證接入的效果，本文設(shè)計(jì)選用兩級(jí)運(yùn)放搭建隔離緩沖電路，在實(shí)現(xiàn)隔離作用的同時(shí)完成了對(duì)信號(hào)的增益。在該模塊中，本文在兩級(jí)運(yùn)放之間嵌入了濾波電路，濾波模塊的作用以及設(shè)計(jì)方案在下一小節(jié)中進(jìn)行說(shuō)明。壓擺率（SR）是選擇運(yùn)放的一個(gè)重要參數(shù)，它指的是單位時(shí)間內(nèi)元器件輸出信號(hào)幅度的可變化范圍，從波形產(chǎn)生模塊輸出的信號(hào)在實(shí)現(xiàn)50Ω匹配后電壓范圍是0.43V到1.585V，根據(jù)壓擺率計(jì)算公式SR=2*π*f*Am。f表示輸出頻率，Am表示輸出頻率為f時(shí)的信號(hào)幅度，在本文中f最大是15MHz，Am的范圍是0.86V到3.16V，計(jì)算可得在第一級(jí)放大中選擇的放大器壓擺率應(yīng)大于300V/us，在第二級(jí)放大中Am的范圍是1.72V到6.32V，選擇的放大器壓擺率應(yīng)大于1190V/us。根據(jù)這一指標(biāo)本文第一級(jí)2倍增益選取圣邦微電子的SGM8061高速軌到軌運(yùn)算放大器，SGM8061是單位增益穩(wěn)定的器件，軌到軌輸出，壓擺率為420V/us。第二級(jí)4倍增益選取24所生產(chǎn)的SX811MD型高速運(yùn)算放大器，工作帶寬100MHz,壓擺率2500V/us。帶寬和壓擺率指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，最終設(shè)計(jì)的緩沖隔離電路如下圖2-2所示。圖2-2緩沖隔離電路1.4濾波電路模塊設(shè)計(jì)從任意波形發(fā)生器波形產(chǎn)生電路輸出端進(jìn)入到模擬通道電路的信號(hào)，不僅包含了任務(wù)所需的輸出信號(hào)的頻譜分量，還包含了波形產(chǎn)生模塊引入的鏡像頻率，在本次設(shè)計(jì)中，濾波電路模塊的主要任務(wù)就是濾除鏡像頻率。濾波器有兩大主要特性，分別是截止特征與群延時(shí)特征，其中截止特征表現(xiàn)為過(guò)渡轉(zhuǎn)化帶的陡峭程度，而群延時(shí)特征表現(xiàn)通帶內(nèi)不相同頻次的波形通過(guò)濾波模塊之后的相移特征。在濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程中往往要從這兩個(gè)方面展開(kāi)考量。兩個(gè)特征是互相之間存在矛盾的。群延時(shí)特征好，那么其波形相位失真小，存在的問(wèn)題是過(guò)渡帶相對(duì)來(lái)說(shuō)比較寬。截止特征好，過(guò)渡轉(zhuǎn)化帶窄，盡管可以非常好地過(guò)濾高頻波形信號(hào)，但是會(huì)造成波形相位失真。不相同種類的濾波電路在幅度特征與波形相位特征上各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，依據(jù)濾波器的響應(yīng)類型不同，可以將濾波器分為四類，其中巴特沃斯型、切比雪芙型和橢圓型濾波器幅度特性較好，而相位特性方面表現(xiàn)一般。貝塞爾型濾波器相位特性表現(xiàn)較好，幅度特性表現(xiàn)一般。在本文的設(shè)計(jì)中除了根據(jù)濾波器的響應(yīng)類型選擇合適濾波器后，還應(yīng)該根據(jù)濾波器的選頻作用來(lái)選擇合適的濾波器。根據(jù)濾波電路的選頻作用分類，可將濾波電路劃分為四類，高通濾波電路、低通濾波電路、帶通濾波電路與帶阻濾波電路。為進(jìn)一步表明四類濾波電路的差別，本文設(shè)0<f1<f2，其中，低通濾波控制電路在0～f2之間，振幅頻率特征平直，它能夠使波形中頻率低于f2的有效成分基本上不會(huì)受到衰減作用地經(jīng)過(guò)，而頻率高于f2的成分受到很大地衰減作用。高通濾波電路和低通濾波完全相反，從頻率f1～∞，其振幅頻率特征平直。它使波形中頻率高于f1的有效成分基本上不會(huì)受到衰減作用地經(jīng)過(guò)，而低于f1的頻率成分將會(huì)受到很大的衰減作用。帶通濾波電路，它的通帶信號(hào)頻率在f1～f2范圍內(nèi)。它使波形中頻率高于f1而低于本文信號(hào)指標(biāo)為DC~15MHz，選用橢圓型濾波模塊，它在四類濾波器種類里，具備良好的截止特征，通帶內(nèi)紋波較低，并且通帶數(shù)據(jù)內(nèi)存在具備線性相位特征的信號(hào)頻段，基本能夠符合本次任務(wù)指標(biāo)需求。從前級(jí)波形合成電路傳入到通道調(diào)理電路中的信號(hào)，是含有鏡像頻率的，根據(jù)鏡像頻率的公式f=nfs±f0,fs是前級(jí)波形合成電路的采樣頻率，f0是目標(biāo)信號(hào)的頻率，f是鏡像頻率。設(shè)計(jì)橢圓型LC濾波器的方法是根據(jù)濾波器的系統(tǒng)函數(shù)的系數(shù)以及根，再根據(jù)通帶信號(hào)有效帶寬，通帶內(nèi)起伏，阻帶頻次以及阻帶衰減作用等指標(biāo)能夠運(yùn)算出濾波電路的階數(shù)及各LC元件的有效數(shù)值?，F(xiàn)如今能夠利用電腦計(jì)算機(jī)操作應(yīng)用軟件來(lái)設(shè)計(jì)LC濾波電路，本文中設(shè)計(jì)濾波電路使用的軟件是ADS2021（AdvancedDesignSystem2021），在設(shè)計(jì)過(guò)程中只需要明確要搭建的是橢圓型低通濾波電路，輸入濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)例如通帶信號(hào)帶寬，通帶內(nèi)紋波，阻帶信號(hào)帶寬，阻帶衰減值，能夠直接得到濾波模塊的工作電路原理示意圖，將原理圖轉(zhuǎn)換為微帶線后可以直接仿真出濾波器的幅頻響應(yīng)曲線。1.5幅度調(diào)理電路在本項(xiàng)目中，模擬通道電路幅度調(diào)理模塊的輸入信號(hào)的電壓范圍是1.72V到6.32V，任務(wù)所需要的實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)要求是正弦信號(hào)幅值在10mVpp~10Vpp(50Ω)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知由輸入信號(hào)有限的電壓范圍是無(wú)法通過(guò)固定的放大或者衰減倍數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)數(shù)值的，因此在電路中需要設(shè)計(jì)多級(jí)放大和衰減的幅度調(diào)理模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求。根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，在模擬通道電路中主要處理的是DC~15MHz范圍內(nèi)的信號(hào)，其輸出范圍是10mVpp~10Vpp(50Ω)，要滿足這樣的輸出要求，需要幅度的精調(diào)電路和粗調(diào)電路相結(jié)合，精調(diào)過(guò)程已經(jīng)在波形合成電路完成，所以模擬通道電路只需要實(shí)現(xiàn)幅度的粗調(diào)。通過(guò)模擬通道的輸入和任務(wù)要求的輸出信號(hào)的電壓對(duì)比，我們可以在幅度調(diào)理功能模塊里設(shè)置多種不同大小的增益和衰減模塊，來(lái)使得本文設(shè)計(jì)的幅度調(diào)理模塊可以產(chǎn)生多個(gè)不同的幅度分布段，并且每一個(gè)相鄰幅度段應(yīng)當(dāng)互相有幅度重合的部分。在這個(gè)理念下，本文設(shè)計(jì)了兩級(jí)衰減與一級(jí)放大的幅度調(diào)理模塊，通過(guò)衰減與放大部分的接入與斷開(kāi)實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)要求輸出范圍的全覆蓋，如圖2-3所示：圖2-3模擬通道幅度調(diào)理模塊如上圖所示，本文最終設(shè)計(jì)了兩級(jí)衰減和一級(jí)放大的方案，接下來(lái)確定具體衰減功能模塊與放大功能模塊的搭建方式。一般來(lái)說(shuō)，在工作電路設(shè)計(jì)中完成衰減功能的方案主要有三類：第1類是使用分立額定電阻元件構(gòu)建衰減作用網(wǎng)絡(luò)，此方案設(shè)計(jì)過(guò)程較為簡(jiǎn)單，搭建成本也比較低，并且能夠根據(jù)電路的現(xiàn)實(shí)需要更換電阻來(lái)調(diào)整衰減的倍數(shù)。第2類是電調(diào)式衰減控制器，這類方案使用壓控設(shè)備元件構(gòu)建T型或者π型衰減作用網(wǎng)絡(luò)，它的設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程難度較大，同時(shí)衰減倍數(shù)的變換操作控制龐雜；第3種是使用專門(mén)的電壓衰減集成芯片，此方案造價(jià)成本較高。結(jié)合三類方案的優(yōu)缺點(diǎn)本文優(yōu)先考慮使用分立電阻元件搭建π型衰減網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅度放大的手段比較多，在平時(shí)電路設(shè)計(jì)中，常用的方法有以下兩種，第一種是通過(guò)分立元件搭建ECL放大電路，該方案具有低成本的優(yōu)勢(shì)但實(shí)現(xiàn)周期長(zhǎng)；第二種是通過(guò)運(yùn)放來(lái)完成放大功能，這種方案使用較多，而且其設(shè)計(jì)和調(diào)試也較為方便。結(jié)合本次任務(wù)的具體需求，分析之后本文最終選用的方案是：以運(yùn)放來(lái)搭建幅度調(diào)節(jié)模塊的放大電路，分立電阻元件搭建π型衰減網(wǎng)絡(luò)作為幅度調(diào)節(jié)模塊的衰減電路。確定好電路幅度調(diào)理模塊之后，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到本文設(shè)計(jì)的幅度分段方案如下表2-1所示：表2-1幅度分段方案（高阻狀態(tài)下）幅度?10dB?20dB+20dB調(diào)整倍數(shù)20.6mVpp~75.7mVpp連接連接不接?30dB68mVpp~250mVpp不接連接不接?20dB206mVpp~757mVpp連接連接連接?10dB680mVpp~2.5Vpp不接連接連接0dB2.0Vpp~7.5Vpp連接不接連接10dB6.8Vpp~25Vpp不接不接連接20dB1.6偏移控制電路由本文工作任務(wù)指標(biāo)需求可以得知，模擬仿真信號(hào)通道需求添加的偏移工作電平在-1.5V~+1.5V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，我們需要設(shè)置一個(gè)專門(mén)的偏移控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)這一功能，首先我們可以確定這個(gè)電路有兩個(gè)部分組成，一是偏移電平的產(chǎn)生模塊，二是偏移電平的注入模塊，我們選擇一個(gè)高分辨率的DAC來(lái)實(shí)現(xiàn)偏移電平的產(chǎn)生，然后再通過(guò)運(yùn)放將這一工作電平擴(kuò)大至指標(biāo)需求。在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般有三種直流偏移電平的注入方案，第1類是經(jīng)過(guò)加法控制器直接把正弦波形信號(hào)與直流型電平相加，這類方案操作比較簡(jiǎn)單并且容易完成額定的阻抗匹配對(duì)應(yīng)，但是加法控制器是有源設(shè)備器件可能會(huì)引進(jìn)噪音，影響通道調(diào)理電路的輸出信號(hào)效果。第2類是用分立額定電阻設(shè)備元件構(gòu)建電阻網(wǎng)絡(luò)，用并行連接額定電阻的方式，把直流電平加入到正弦信號(hào)之中，此方案不會(huì)引入噪音，但是在實(shí)現(xiàn)整體電路的阻抗匹配時(shí)較為困難。第3類是使用全差分運(yùn)放，通過(guò)運(yùn)放的共模電壓輸入管腳直接加入直流偏移電平，這種方案只需要找一個(gè)可以滿足主信號(hào)帶寬要求和偏移電平幅度范圍的全差分運(yùn)放就可實(shí)現(xiàn)，完成比較簡(jiǎn)易但對(duì)器件性能的要求較高。綜上所述，通過(guò)對(duì)本次任務(wù)的需求分析，本文采用加偏額定電阻把直流型電平添加正弦信號(hào)之中，偏移控制模塊功能示意圖如圖2-4所示：圖2-4偏移控制模塊功能示意圖本文中，由于偏移控制模塊中有加偏電阻，所以會(huì)導(dǎo)致后面的阻抗發(fā)生變化，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們將前級(jí)衰減模塊阻抗設(shè)置為61.5Ω，這時(shí)偏移電路中的加偏電阻設(shè)置為249Ω便可以實(shí)現(xiàn)整體通道調(diào)理電路的50Ω阻抗匹配；我們將偏移控制模塊的電平注入時(shí)機(jī)選在兩級(jí)衰減網(wǎng)絡(luò)之后，擴(kuò)大功能模塊以前，這樣一來(lái)能夠使后級(jí)工作電路獲取更大作用范圍的偏移工作