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脈沖檢波電路設計研究

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脈沖檢波電路設計研究

摘要:針對高頻脈沖信號的采集,本文提出了一種可滿足單片機自帶A/D采樣高頻脈沖信號的檢波電路。該電路是基于AD8310芯片的檢波電路設計,經(jīng)過多級檢波,將脈沖信號頻率降低,從而達到降低采樣成本的目的。

關鍵詞:高頻;脈沖信號;檢波電路

引言

對于脈沖信號,頻率高達上百兆赫茲,脈沖沿較陡,一般的采樣芯片無法直接對其進行采樣處理,而采用高采樣率芯片直接對脈沖信號進行采集則成本較高。因此,目前工業(yè)上常用的處理方法是對脈沖信號進行檢波降頻處理。

1常用方法論證及比較

1.1二極管分立元件檢波

二極管分立元件檢波方法主要由二極管,電容器,電阻構(gòu)成。其特點為設計簡單,成本低,線性度差,溫度穩(wěn)定性低。

1.2對數(shù)放大器檢波

對數(shù)放大器檢波方法主要由對數(shù)放大器和二極管組成。采用級聯(lián)放大器輸出端加二極管整流電路,將脈沖信號或者其它交流信號轉(zhuǎn)換為直流電壓。其特點為元器件多,對高頻信號效果差,線性度和溫度穩(wěn)定性較二極管分立元件檢波稍好。

1.3專用檢波芯片檢波

目前檢波芯片主要分為功率檢波和對數(shù)檢波兩種。芯片內(nèi)部分為檢波和放大兩部分,輸入信號檢波以后進行一定倍數(shù)的放大后再輸出。檢波芯片檢波特點是響應快速,靈敏度高,線性度和溫度穩(wěn)定性好,外圍器件少,設計簡單。其輸出量為直流電壓,但對于高頻的脈沖信號,其輸出的電壓信號仍有微秒級的尖脈沖,一般采樣芯片仍無法準確捕捉。

2本方案設計

2.1整體設計方案

本方案中采用了ADI公司的AD8310專用對數(shù)檢波芯片后級加改良后的放大器峰值檢波電路。AD8310檢波芯片將脈沖信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號,其中含有一定量的直流脈沖分量,后級放大峰值檢波電路將該直流脈沖分量繼續(xù)降頻,將峰值保持住,以便于單片機采樣。

2.2AD8310芯片特性

AD8310是一款高速電壓輸出、解調(diào)頻率范圍為DC~440MHz的對數(shù)放大檢波器,其內(nèi)部有六個串聯(lián)的放大器/限幅器,且在帶寬900MHz(-3dB)時,每個放大器/限幅器的小信號增益均為14.3dB。該芯片共使用了9個檢波器,檢波范圍從-91dBV(40μV)~+4dBV(2.2V),其中我們定義0dB為真有效值為1V的正弦波。AD8310的解調(diào)輸出可精確標定,其對數(shù)斜率為24mV/dB,誤差為±1dB。截止電壓為-108dBV,并以獨立的供電電壓和獨立的溫度作為標定參數(shù)。AD8310的完全差動輸入具有1kΩ電阻與1pF電容并聯(lián)的高輸入阻抗。通過50Ω阻抗網(wǎng)絡的輸入匹配可保證-78dBm~+17dBm的功率靈敏度。當信號頻率范圍在100MHz以內(nèi)時,其對數(shù)線性度的誤差在±0.4dB以內(nèi),到440MHz時誤差略大。AD8310沒有最小使用頻率的限制,因而可用于低頻信號檢波。AD8310允許輸出負載有較大的變化范圍,并可驅(qū)動高達100pF的容性負載。AD8310成本低、體積小、功耗低、精度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)范圍寬,其頻率范圍可從直流信號到超高頻信號。另外,它還具有響應時間快、負載驅(qū)動能力強等特點,可廣泛應用于需要衰減信號到分貝級的電路中。AD8310為工業(yè)級芯片,其使用溫度范圍為-40℃~+85℃,封裝采用8腳小型貼片形式。AD8310對數(shù)放大檢波器的輸入信號在-87dB~13dB范圍內(nèi),AD8310的輸出均具有很好的線性度。

2.3AD8310芯片基本電路

通過查閱AD8310芯片的技術(shù)手冊,我們可以得到該芯片的基本應用電路。該電路為大多數(shù)應用應用設計中所需的電路圖。其中,芯片VPOS引腳的電源電壓在2.7V和5.5V之間,并使用接近管腳的0.01μf電容進行去耦。一般情況下,可以在電源線路中串聯(lián)一個小的電阻(4.7Ω)作為電源噪聲的濾波。ENBL引腳為芯片的使能端,其閾值約為1.3V,當使能引腳不用時需要將其接至AD8310的VPOS引腳,即高電平。AD8310的輸入端可以是差分輸入,但是一般情況下其輸入端設置成單端輸入,另一端通過電容C1接地。輸入信號通過C2耦合。而且,電容C1和電容C2的值應相同,以盡量減少AD8310芯片啟動時的瞬態(tài)不平衡。輸入端52.3Ω電阻可與AD8310芯片內(nèi)部的1.1kΩ輸入阻抗相結(jié)合在AD8310中產(chǎn)生一個50Ω輸入阻抗匹配。在高頻應用中,應在芯片輸入端加一個高能濾波網(wǎng)絡,濾波截止頻率應與盡可能的高,以減少不需要的低頻耦合信號。在低頻應用中,相同的原因,應在芯片輸入端加一個簡單的低通濾波網(wǎng)絡以衰減不需要的高頻信號或者干擾。

2.4AD8310芯片實際電路設計及測試

通過了解掌握AD8310芯片的基本資料,設計測試電路如圖1所示。其中,R2選擇與52.3Ω近似的51Ω常規(guī)電阻,C1與C9為預留設計,可不焊接。注意,在測試脈沖信號的時候C6要去除,否則會將檢波后的脈沖信號吸收掉。在設計PCB電路板的時候,盡量保證R1,C1與C2對稱布局,以保證阻抗平衡。整體布局時,保持信號由從左到右的方向在電路板上通過,以減少干擾。在該功能測試電路的輸入端通過信號發(fā)生器給定峰值1V重復率500Hz的脈沖信號,通過示波器測試其輸出端的信號。通過分析發(fā)現(xiàn),AD8310檢波后的波形仍有一部分高頻脈沖,雖然其頻率較原始信號降低很多,但是仍不能用采樣率只有1Msps以內(nèi)的單片機進行直接采樣。

2.5放大器峰值檢波電路

為了進一步對脈沖信號進行降頻處理,我們加一級放大器峰值檢波電路。但是,峰值檢波電路中二極管有一個缺點,信號電壓從零上升過程中,只有大于二極管的導通電壓輸出端才會出現(xiàn)信號變化,而且這個過程需要花費一定時間,如果在這個過程,輸入信號發(fā)生變化,輸出則會出現(xiàn)失真。因此,需要在電路中加入一定的措施來解決這一問題。也就是說,二極管輸出部分電壓要能夠盡量跟隨輸入信號的電壓,并提供一個盡可能理想的二極管,同時能夠提供有效的輸入緩沖。一個經(jīng)典的電路是通過在輸入和輸出間增加一個二極管,這點類似于電壓鉗位。最終設計的電路如圖2所示。該電路出現(xiàn)于TI公司的Difet靜電計級運算放大器OPA128的DATASHEET里。但電路中的D3為修改后的設計,原電路設計中為場效應管,這里我們改為快速二極管,通過實際測試,效果基本一樣。在這個電路中,C24為模擬峰值存儲器,建議使用聚本乙烯電容,以減少泄漏電流;運算放大器選擇高輸入阻抗運算放大器,以提高直流特性;C23電容為防自激電容。該電路線性度良好,檢波特性明顯,有效消除了二極管的導通壓降。

2.6整體電路設計

通過以上分析測試,我們設計的最終檢波電路如圖3所示。此次測試,選取200MHz以內(nèi)的信號為有效信號。在AD8310前端匹配了一個200MHz的LC低通濾波器以衰減無效信號,PCB布板信號按照從左到右的方向流通,在PCB電路板的底層全部鋪上信號地,以減小干擾。

2.7最終電路輸出波形分析

為電路提供±5V電源,信號發(fā)生器輸出頻率500Hz脈沖波,峰值5mV,通過分析測量電路板輸出端的波形得到,脈沖信號經(jīng)過放大并多級檢波后,波形變?yōu)橹绷髁颗c脈沖量的累加,并且該脈沖經(jīng)過峰值檢波后,波峰可保持400微秒以上。在這種情況下,一般單片機均可對其進行直接采樣處理。為了進一步驗證該方案的可行性,對其進行線性度測試。實際測量證明,該方案所設計電路線性度良好,基本滿足設計要求。

3結(jié)論

針對脈沖信號,本方案中所設計的多級檢波電路完全可以有效起到降頻作用,并將信號峰值保持在一定時間內(nèi),以保證單片機自帶A/D功能進行正常采樣分析處理,且該電路反應靈敏,能夠有效識別脈沖信號變化。但在實際應用當中發(fā)現(xiàn),AD8310輸入端極易受到外界噪聲干擾,因此建議在實際電路中,對該部分電路進行外部金屬屏蔽處理。

參考文獻

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[4]戴榮偉.高壓脈沖電子電路干擾源的成因剖析與控制[J].電子制作,2014(01):26.

作者:郝術(shù)興 單位:保定中創(chuàng)電子科技有限公司

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