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高速脉冲信号采集电路设计研究

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设计了一种基于高速、高分辨率ADC08D1000的高速脉冲采集电路,该电路与其他普通采集卡比具有相对低的功耗、更高的采集频率、较宽的模拟带宽。主要用到的器件有AD8009运算放大器、ADA4939单端转差分器、ADC08D1000高速模数转换器、BPS高压模块和电源芯片等。主要介绍了采集卡的电路设计方案,仿真验证设计电路的模拟带宽能够达到130MHz。实测电路板电源噪声小于30mV-pp,能不失真采集上升时间15ns的脉冲信号。基本能够实现高速脉冲信号的采集工作。随着我国电子技术的飞速发展,高速脉冲信号的获取在各个行业变得越来越重要。尤其是在核技术、车载雷达、无线通信等领域(曾国强,盛磊,卿松,基于高速电流脉冲前放的数字式电荷积分型能谱仪系统设计:湘潭大学自然科学学报,2018;郭志大,刘卫国,贺安超,基于CPLD的高速脉冲信号采集系统设计:测控技术,2011)。传统的低速电压脉冲信号的采集电路,无法满足现在设备的更新以及技术需求,而从国外进口的采集板性能又会受到限制。因此高速采集电路现在成为电子技术研究比较热门的方向。本文针对现有问题提出一种高速脉冲信号采集电路,应用高性能国产器件同时结合合理的电路设计,得到一种制作简单、价格便宜、应用范围广的高速脉冲采集电路。

1.电路总体结构

高速脉冲信号采集电路主要由电源部分,模拟部分两个主要内容组成,总体结构图如图1所示,其中电源部分包括模拟电源、数字电源(蒲文涛,基于DSP/FPGA的多波形数字脉冲压缩系统硬件的研究与实现:电子科技大学,2006)和高压电源电路。模拟部分包括由AD8009构成的放大电路,ADA4939单端信号转差分信号电路,高速ADC08D1000采集电路和偏置与参考电压电路。图1总体结构图脉冲数据采集部分采用数字化信号获取与处理的思想,将模拟输入的脉冲信号通过两个重要步骤进行预处理。先将模拟脉冲信号通过主运算放大电路进行信号的放大、滤波和反向,为后级ADC采样提供信噪比更好的输入信号。电路中为了使高速信号能尽量不失真,并使ADC性能达到最高,需要将原始的单端信号转换为低压差分信号。经过放大和初级滤波后的核脉冲信号将经过AD4939单端转差分电路形成低压差分双端输出,再接入高速ADC08D1000模数转换电路完成脉冲信号数字化。

2.采集电路设计

2.1电源电路电源的拓扑图形

如图2所示,本论文设计的脉冲采集电路电源以TPS563200型号DC-DC转换芯片为主,TPS563200是一款低功耗,低噪声宽输入输入范围的同步降压转换器。这款器件被设计使用极少的外部组件便可以运行,并且可以实现非常低的待机电流。并且还有过压保护(OVP),欠压闭锁(UVLO)和热关断(TSD)保护功能。电路设计图如图3所示,该器件一个重要的特点是具有非常低的输出噪声。在外部通过调节电感数值大小和旁路电容,输出噪声能够降至20mV之内。并且该芯片输入工作范围宽,输出电流支持最大达到3A,所以电路中的模拟5V电源,还有芯片MAX764,LM1117和TLV71210DB的输入电压都由该IC提供(卓蕊潋,新型便携式多道伽马能谱仪的研制:中国地质大学,2013)。

2.2偏置电路

原始脉冲信号可能幅值正负不定,同时考虑到单端转差分芯片输出增益设置为G=2,工作电压为+3.3V和-1.8V,因此加入NE5532的偏置电路。NE5532是一种高性能低噪声运算放大器(刘世豪,数字化便携式γ能谱仪的设计与实现:华中科技大学,2012),与其他运放比较,有更好的噪声性能,同时输出驱动能力得到提高,并且有较宽的工作电压范围。电路如图4所示。芯片采用+5V、-5V双电源供电,其中用一片运放做比较器,输出期望的正偏置电压或者负偏置电压信号;然后用第二片运放做电压跟随器,提高带负载能力。通过设计实现偏置电压在-1.5V~+5V范围可根据输入信号选择进行调节。

2.3单端转差分电路

ADA4939是一款低噪声、超低失真、高速差分放大器,非常合适用于驱动分辨率最高可到16位,DC能够到100MHz的高性能ADC。可利用内部共模反馈环路调整输出共模电压,使ADA4939的输出和ADC的输入相互匹配。图5为ADA4939用作差分放大器驱动ADC08D1000的详细电路设计图。

3.电路调试

3.1仿真验证

本文设计的电路原理图与选择的元器件在电路中的性能表现,在实际刻板之前,通过软件ADIsimPE模拟器对设计电路前段部分进行了仿真与性能验证。图6给出的是信号调理电路前端仿真电路图,图中采用元器件和原理图与实际使用相同,因为根据理论和实际测量分析探测器脉冲上升时间在10ns左右,因此以脉冲上升时间作为信号最高频率部分,仿真中输入信号采用周期为10ns,率100Mhz正弦波代替脉冲信号。仿真波特率结果在图7中给出。该设计电路在输入信号500mV的情况下模拟带宽能达到130MHz。

3.2电路实物测试

(1)电源测试图8中给出的是两个电源噪声幅值测量,紫色为+5V模拟电源噪声幅度30mV-pp;蓝色为+3.3V数字电源,噪声幅度在40mV-pp,基本满足模拟部分和数字部分电路供电需求。(2)放大滤波测试图9给出了在进入放大滤波处理前原始输入信号和处理后信号对比测试图。紫色原始信号伴有规律的高频振荡噪声50mV,蓝色滤波放大处理后后信号中的高频振荡噪声明显减弱,并将信号放大2倍。电路模拟带宽设计满足基本要求。(3)单端转差分测试单端转差分一方面是为了提高速率另一方面能够提高信噪比抑制共模噪声。图10中是单端高速脉冲信号转差分信号后的脉冲波形,其中正负差分线信号没有失真,噪声幅值小于5mV。输出脉冲幅值小于800mV-pp满足ADC输入信号允许幅值范围。

4.结论

利用AD8009运算放大器、ADA4939单端转差分器、ADC08D1000高速模数转换器、BPS高压模块和电源芯片等,成功设计了一种价格功耗较低,应用范围比较广的高速脉冲信号采集电路。通过实测该电路可以采集脉冲上升时间15ns,幅值5V-pp高速脉冲信号,且带宽能够达到100MHz。

作者:左卓 覃骏 颜瑜成 钟丁生 单位:成都理工大学工程技术学院

高速脉冲信号采集电路设计研究责任编辑:张雨    阅读:人次