-52-任意波形發(fā)生器模擬通道電路硬件與控制實現(xiàn)分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u21676任意波形發(fā)生器模擬通道電路硬件與控制實現(xiàn)分析案例 184811.1隔離緩沖電路實現(xiàn) 160841.2濾波電路的實現(xiàn) 2255441.3幅度調(diào)節(jié)電路的實現(xiàn) 3256301.4偏移控制電路的實現(xiàn) 665021.5控制方案實現(xiàn) 8277451.5.1單片機(jī)介紹 866331.5.2編譯環(huán)境 8248591.5.3控制器件分析 947571.5.4控制實現(xiàn) 9178321.5.5控制流程圖 91.1隔離緩沖電路實現(xiàn)在第二章的模擬通道電路設(shè)計中已經(jīng)確定了隔離緩沖電路的實現(xiàn)要通過兩級運放實現(xiàn)，該模塊的主要任務(wù)是隔離前級DAC產(chǎn)生的輸出信號，不僅提高了通道的整體驅(qū)動能力，而且為后續(xù)電路的幅度調(diào)理和偏置加入提供了便利。本文第一級2倍增益選取圣邦微電子的SGM8061高速軌到軌運算放大器，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4倍增益選取24所生產(chǎn)的SX811MD型高速運算放大器，工作帶寬100MHz,壓擺率2500V/us。帶寬，幅度平坦度和壓擺率指標(biāo)均滿足要求。為了保證接入的效果，本文設(shè)計了在兩級運放中加入濾波電路用來濾除前級波形合成電路中產(chǎn)生的鏡像頻譜分量，避免其進(jìn)入后級電路，對后級的電路功能造成影響。具體的電路原理圖，如下圖3-2所示。圖3-2隔離緩沖級電路原理圖1.2濾波電路的實現(xiàn)本文主信號指標(biāo)為DC~15MHz，選用橢圓型濾波控制器設(shè)備，它在四類濾波控制器設(shè)備種類里，具備良好的截止特征，通帶內(nèi)紋波較低，基本能夠符合本次任務(wù)指標(biāo)要求。在前文的任意波形發(fā)生器波形產(chǎn)生部分的分析可知，它的輸出作為任意波形發(fā)生器模擬通道電路的輸入的信號，是含有鏡像頻率的，根據(jù)鏡像頻率的公式f=nfs±f0,fs是前級波形合成電路的采樣頻率，傳統(tǒng)的橢圓型LC低通濾波模塊的設(shè)計是依據(jù)濾波系統(tǒng)運算函數(shù)的系數(shù)以及根，再根據(jù)通帶信號有效帶寬，通帶內(nèi)起伏，阻帶頻率以及阻帶衰減作用等指標(biāo)運算出濾波電路的階數(shù)以及構(gòu)成濾波電路的各電容和電感的元件值。現(xiàn)如今能夠利用電腦計算機(jī)操作應(yīng)用軟件來綜合系統(tǒng)設(shè)計LC濾波控制器設(shè)備，本次綜合系統(tǒng)設(shè)計使用的操作應(yīng)用軟件是ADS2021，只需要明確本文所要設(shè)計的是橢圓型低通濾波器，給定濾波器的技術(shù)指標(biāo)，主要是通帶帶寬20MHz，阻帶帶寬28MHz，通帶內(nèi)紋波設(shè)置為0.5dB，阻帶衰減60dB，濾波器階數(shù)為7。利用該軟件能夠直接得到濾波器的工作電路原理示意圖，但是這個時候得到的濾波器的各電容、電感元件數(shù)值都為理想數(shù)值，該設(shè)計值基本均是現(xiàn)實元件封裝中不存在的數(shù)值，所以需要結(jié)合實際的電容電感值進(jìn)行微調(diào)。調(diào)整后的濾波電路原理圖如下圖3-3所示。圖3-3濾波電路原理圖設(shè)計好濾波器電路之后我們通過軟件ADS2021對重新設(shè)置元件值得到的低通橢圓型濾波器進(jìn)行仿真測試，觀測濾波器的幅頻響應(yīng)曲線如圖3-4所示，可知，濾波器的通帶帶寬達(dá)到了20MHz，可以滿足本文任務(wù)的設(shè)計要求。圖3-4橢圓低通濾波器幅頻響應(yīng)曲線1.3幅度調(diào)節(jié)電路的實現(xiàn)根據(jù)任務(wù)書要求，在模擬通道電路中主要處理的是DC~15MHZ范圍內(nèi)的信號，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現(xiàn)幅度的粗調(diào)。通過模擬通道的輸入和任務(wù)要求的輸出信號的電壓對比，我們可以在幅度調(diào)整功能模塊里設(shè)置很多種不同幅度調(diào)整分布狀態(tài)，促使我們綜合系統(tǒng)設(shè)計的幅度調(diào)整功能模塊能夠形成更多的，每一個相鄰幅度段互有重合的組成部分。在這個理念下，本文設(shè)計了兩級衰減與一級放大的幅度調(diào)理模塊，通過衰減與放大部分的接入與斷開實現(xiàn)對任務(wù)要求輸出范圍的全覆蓋。其中兩級衰減采用π型衰減網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，一級放大選擇運放來實現(xiàn)。同時，對幅度調(diào)理的方案進(jìn)行了說明，即放大器實現(xiàn)20dB的信號放大；π型網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)幅度衰減粗調(diào)，粗調(diào)區(qū)間為-10dB和-20dB。π型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如下圖3-5所示。圖3-5π型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)以下就以該衰減網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。把它看作一個二端口網(wǎng)絡(luò)，則其傳輸參數(shù)可以如下表示：（3-7（3-7）針對這一二接口π型衰減作用互聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)接口2接入負(fù)載Z02時，接口1上的負(fù)載稱為Z01，相同的，當(dāng)接口1接入負(fù)載Z01時，接口2上的負(fù)載稱為Z02，他們的互為鏡像阻抗。π型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)為對稱網(wǎng)絡(luò)（Z1=Z3）,將A=D帶入3-7式得：（3-8（3-8）因為模擬通道整體電路是50Ω的阻抗匹配，所以令Z0=50Ω，有（3-9（3-9）（3-10（3-10）確定好衰減作用倍數(shù)以后與額定阻抗以后。流過負(fù)載的工作電流能夠經(jīng)過自動傳輸參數(shù)計算得知，從而可以推出Z1Z2Z3的值，構(gòu)成衰減器能夠在實現(xiàn)電壓衰減的同時實現(xiàn)阻抗匹配。本次設(shè)計兩次衰減分別為-10dB和-20dB通過上述計算后可以得到-10dB衰減網(wǎng)絡(luò)的電阻值分別為71.0Ω、96.2Ω、96.2Ω。-20dB衰減網(wǎng)絡(luò)的電阻值分別為247.5Ω、61.0Ω、61.0Ω?？紤]到幅度調(diào)理方案之后還有偏移電平注入電路，所以實際接入電路的阻抗還要重新調(diào)整。在本文中，我們將衰減作用額定電阻互聯(lián)網(wǎng)的額定阻抗綜合系統(tǒng)設(shè)計為62.5Ω，重新再次運算可以得知，-10dB衰減作用互聯(lián)網(wǎng)的額定電阻數(shù)值依次是90.9Ω、121Ω、121Ω。-20dB衰減作用互聯(lián)網(wǎng)的額定電阻值分別為309Ω、76.8Ω、76.8Ω。幅度調(diào)理模塊的放大功能由運放實現(xiàn)，運放的選擇應(yīng)該著重關(guān)注壓擺率，壓擺率SR=2*π*f*Am。f代表自動輸出頻次，Am代表自動輸出頻次為f時候的數(shù)據(jù)信號幅度。在本文的信號通道指標(biāo)里，正弦振蕩波頻次作用范圍DC~15.0MHz，自動輸出幅度作用范圍為10mVpp~10Vpp。由上可運算得到運放的壓擺比例至少應(yīng)該達(dá)到1890V/us。本文在設(shè)計中使用24所生產(chǎn)的SX811MD型高速運算放大器，工作帶寬100MHz,壓擺率2500V/us，滿足設(shè)計要求。本文擴(kuò)大工作電路全面處理的數(shù)據(jù)信號有效帶寬作用范圍是DC~15.0MHz，擴(kuò)大增益效應(yīng)是20dB，結(jié)合控制芯片使用設(shè)計手冊我們把RF設(shè)歸置成511Ω，R圖3-11幅度調(diào)理模塊電路原理圖從表3-1中可以看到當(dāng)調(diào)理倍數(shù)為0dB和-10dB時，-20dB衰減與20dB放大同時接入，并相互抵消，這對調(diào)理工作電路是沒有作用的，然而選通擴(kuò)大功能模塊后，假如有偏移工作電平的添加，能夠經(jīng)過擴(kuò)大功能模塊對偏移工作電平展開擴(kuò)大至此能夠得到更大作用范圍的偏移工作電平。本次綜合系統(tǒng)設(shè)計中包含有6個幅度調(diào)理段，對應(yīng)的輸出幅度分別為20.6mVpp~75.7mVpp、68mVpp~250mVpp、206mVpp~757mVpp、680mVpp~2.5Vpp、2.0Vpp~7.5Vpp、6.8Vpp~25Vpp，互有重疊滿足任務(wù)設(shè)計要求。表3-1幅度分段方案（高阻狀態(tài)）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20dB1.4偏移控制電路的實現(xiàn)本文設(shè)計的基于單片機(jī)的電路實現(xiàn)，偏移操作控制工作電路劃分為偏移工作電平的形成與偏移工作電平的添加，偏移操作控制工作電路置于幅度擴(kuò)大功能模塊的自動輸入端，前級為π型額定電阻衰減作用互聯(lián)網(wǎng)，把額定電阻衰減作用互聯(lián)網(wǎng)的額定阻抗設(shè)歸置成62.5Ω，為了保證體系的50Ω特征額定阻抗，偏移操作控制工作電路的額定阻抗應(yīng)該是249Ω，由工作任務(wù)的指標(biāo)可以得知，在50Ω狀態(tài)下直流電平調(diào)節(jié)范圍是-2.5V~2.5V；在高阻狀態(tài)下調(diào)節(jié)范圍是-5V~5V。在運算待形成的偏移工作電平操作控制作用范圍，要思考擴(kuò)大控制器設(shè)備連接到與不連接到兩大類。假設(shè)偏移電路產(chǎn)生的偏移電平是V1（3-12）放大器不接入時，注入到信號電路中的實際電壓偏移如式3（3-12）Vr=249÷62.5+249V此時，產(chǎn)生的偏移電平應(yīng)該大于-6.25V~+6.25V。放大器接入時，注入到信號電路中的實際電壓偏移如式3-13所示；（3-13（3-13）此時，故產(chǎn)生的偏移電平應(yīng)該大于-12.5V~+12.5V。由此可知偏移工作電平形成工作電路具備可以供應(yīng)-15V~+15V電壓控制作用范圍的能力就可以。需要采用高分辨率的DAC來產(chǎn)生偏移電平，本文選用思瑞浦微生產(chǎn)的TPC116S8高精度DAC來產(chǎn)生0到2.5V的輸出電壓，再通過運放將這個電壓放大到指標(biāo)要求的范圍，需要在后級搭建運算電路將其電壓范圍調(diào)整到-12.5V~+12.5V，為簡化后續(xù)運算，本文將運算電路輸出電壓范圍調(diào)整為-15V~+15V。偏置電路中的放大模塊選用思瑞浦微電子TP2262和TP1282L1兩種運放來搭建，TP2262電源電壓:3V至36V，可作為比較器輸入。TP1282L1供電電壓:4.5V至36V，我們需要將DAC輸出電壓經(jīng)過運放放大到15V，這倆款運放均可以滿足任務(wù)需要。TP1282L1的輸入Uin+由TPC116S8的輸出經(jīng)TP2262構(gòu)建的工作電壓跟隨控制器設(shè)備自動輸出得到，這個工作電壓的作用范圍的0~2.5V，通過TP1282L1后自動輸出的電壓控制作用范圍是把TPC116S8的自動輸出工作電壓接到TP1282L1的同相自動輸入端，本文為了工作電路綜合設(shè)計便利，直接將TP1282L1的反向輸入端固定為+2.5V，此處如此設(shè)置是因為TPC116S8的參考電壓Vref為2.5V。電壓的轉(zhuǎn)換關(guān)系式如下3-14（3-14）U（3-14）Uin+代表TP1282L1同相自動輸入端的工作電壓，Uin?代表TP1282L1反向自動輸入端的工作電壓，數(shù)值固定為2.5V。加減運算電路如下圖3-圖3-15加減運算電路局部示意圖轉(zhuǎn)換關(guān)系式中，B=R1/R3;A=R1/（3-16）Uout（3-16）經(jīng)過計算可知Uin+為0V時，B=6，此時U（3-17）當(dāng)Uin+=2.5V時，帶入3（3-17）Uout=計算可知Uin+為2.5V時，A=12。此時，本文設(shè)計R1為30KΩ，R2綜上所述，本文偏置電路產(chǎn)生的偏置范圍為-15V~+15V，進(jìn)入主通道后直流偏置電壓范圍是-3V~+3V，可以涵蓋目標(biāo)要求的直流偏置調(diào)節(jié)范圍為-2.5V~+2.5V。1.5控制方案實現(xiàn)在本文中設(shè)計了基于單片機(jī)的控制方案，來實現(xiàn)偏置電路中DAC：TPC116S8的調(diào)節(jié)以及控制繼電器的工作狀態(tài)。1.5.1單片機(jī)介紹單片機(jī)，全稱是單片微型計算機(jī)，也叫微控制器，它與應(yīng)用于個人計算機(jī)中的通用型微處理器相比，它的優(yōu)勢在于自供應(yīng)和節(jié)約資源。它的最大優(yōu)點是體積小，可以放置在儀表內(nèi)部，但保存量較低，自動輸入自動輸出端口較為簡易，作用功能較低。比較通常所見的幾大類單片機(jī)設(shè)備，PIC單片機(jī)的優(yōu)勢在于它不搞單純的功能堆積，有優(yōu)越的開發(fā)環(huán)境，所以本次任務(wù)選用PIC單片機(jī)16F877來實現(xiàn)控制任務(wù)。1.5.2編譯環(huán)境本文所使用的單片機(jī)16F877編譯操作軟件是MPLABIDE，MPLAB集中研發(fā)環(huán)境(IDE)是編輯控制器、項目工程綜合管理控制器與綜合系統(tǒng)設(shè)計平臺，適合應(yīng)用在使用PIC類型的單片機(jī)展開嵌入型綜合系統(tǒng)設(shè)計的過程中，是一個基于Windows操作應(yīng)用系統(tǒng)的集中研發(fā)環(huán)境。1.5.3控制器件分析本文所選用的產(chǎn)生偏置電壓的DAC為思瑞浦微電子生產(chǎn)的TPC116S8，該款DAC支持電源范圍:2.7V到5.5V，緩沖軌到軌輸出操作，支持spi/qspi/microwire兼容的串行接口。本文選用的高頻繼電器為AGQ2004，其Pick-upvoltage為1.38V(max)，Drop-outvoltage為0.45V（min.）。我們通過單片機(jī)控制輸入繼電器的電壓來操作繼電器，繼而實現(xiàn)幅度調(diào)理電路中兩個衰減模塊，一個放大模塊的接入與接出，具體控制依照我們在第二章中設(shè)定的幅度控制方案來進(jìn)行，例如：在高阻狀態(tài)下，我們要獲得20.6mVpp~75.7mVpp幅度段內(nèi)的輸出信號時，就接入-10dB，-20dB衰減模塊，+20dB增益模塊接出電路。1.5.4控制實現(xiàn)任意波形發(fā)