電子設(shè)計(jì)大賽模塊的電路分析.doc

功能電路1、DA轉(zhuǎn)換電路題目要求信號(hào)發(fā)生器的頻率從100Hz到10KHz，對(duì)DA轉(zhuǎn)換速度要求不不高就行了是很高，但“設(shè)計(jì)”刪掉設(shè)計(jì)要求電壓值誤差絕對(duì)值小于1%，所以應(yīng)選用轉(zhuǎn)換精度高的芯片。本系統(tǒng)使用12位D/A轉(zhuǎn)換芯片MX7541改為：MX7541，雙極性輸出。的雙極性電路接法，電路圖如圖所示2、 峰值檢波電路峰值檢波電路是由二極管電壓跟隨器應(yīng)該寫在二極管前電路和電壓跟隨器組成，其工作原理為：當(dāng)輸入電壓正半周通過(guò)時(shí)，檢波管U2導(dǎo)通，對(duì)電容C1、C2充電，直到到達(dá)其峰值。三極管的基極由單片機(jī)或FPGA控制，產(chǎn)生10us的高電平使電容放電，以減少前一頻率測(cè)量對(duì)后一頻率測(cè)量的影響，提高幅值測(cè)量精度。其中U1為常導(dǎo)通，用以補(bǔ)償U(kuò)2上造成的壓降。電容C1、C2的取值需根據(jù)被測(cè)信號(hào)的頻率合適的選取，此電路中的二極管使用高頻二極管，可大大提高測(cè)量范圍的頻率上限。3、真有效值檢測(cè)電路設(shè)計(jì)對(duì)于有效值的檢測(cè)，我們選用AD637來(lái)實(shí)現(xiàn)。AD637是真有效值測(cè)量芯片。其有效值計(jì)算公式為。應(yīng)用時(shí)只需在芯片的外圍添加適當(dāng)?shù)碾娮?、電容即可?shí)現(xiàn)任意波形交變信號(hào)的有效值的測(cè)量。其中平均電容C1可用來(lái)設(shè)定平均時(shí)間常數(shù)，并決定低頻準(zhǔn)確度，輸出紋波大小和穩(wěn)定時(shí)間。R1、R2、C1、C2及運(yùn)放OPA277構(gòu)成一“一”去掉二階低通濾波濾除檢波后的紋波。電路連接圖如圖所示： 4、滯回比較電路之一（MAX912）MAX912 是由MAXIM 公司生產(chǎn)的雙組高速電壓比較器。該器件傳播速度快(典型值為10ns) ,能接受差動(dòng)輸入信號(hào)并具有互補(bǔ)性的TTL 兼容輸出。為抑制干擾引起的誤翻轉(zhuǎn)，我們采取了帶正反饋的滯回比較電路的形式。我們采用反相輸入的方式，其正向閾值電壓，對(duì)應(yīng)比較后信號(hào)的下降沿。負(fù)向閾值電平為0V，對(duì)應(yīng)于比較后信號(hào)的上升沿。故輸出信號(hào)的上升沿仍屬過(guò)零比較。示意圖如圖所示。故對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行相位差測(cè)量時(shí)就不能采用平時(shí)的直接異或法，而應(yīng)先利用上升沿進(jìn)行分頻再異或。電路圖如圖所示： 6、MAX195AD采樣MAX195 是美國(guó)Maxim 公司推出的16 位逐次逼近式A/ D 轉(zhuǎn)換器 。內(nèi)置采樣保持電路，三態(tài)串行數(shù)據(jù)輸出，輸出時(shí)高位在前。我們采用的是同步轉(zhuǎn)換傳輸方式，即在16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行的過(guò)程中將轉(zhuǎn)換好的上一位數(shù)據(jù)位輸出。CLK 既作為轉(zhuǎn)換時(shí)鐘又作為串行數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘。此種轉(zhuǎn)換方式可以實(shí)現(xiàn)最大的轉(zhuǎn)換傳輸速度,因?yàn)榍耙淮无D(zhuǎn)換結(jié)束后,下一次轉(zhuǎn)換可以緊跟著立即開(kāi)始,實(shí)現(xiàn)不間斷地連續(xù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換過(guò)程必須與轉(zhuǎn)換時(shí)鐘CLK同步,查到EOC變高后即開(kāi)始讀數(shù)。電路連接圖如圖48所示：7、高速ADMAX1425電路 MAX1425是美國(guó)Maxim 公司推出10位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高采樣率為20M。MAX1425采用差分流水線結(jié)構(gòu)，片內(nèi)集成高性能的采樣保持放大器和參考電壓源，采用單一的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)控制內(nèi)部所有的轉(zhuǎn)換。因其輸入電阻僅為6.5K,故在電路設(shè)計(jì)時(shí)在其前端加一級(jí)運(yùn)放進(jìn)行緩沖隔離, 單端輸入，INP通過(guò)交流方式與輸入信號(hào)耦合。MAX1425的采樣時(shí)鐘由FPGA根據(jù)信號(hào)的頻率大小128倍頻后給出。運(yùn)放3腳的電阻很重要，它有效地減小了輸入電阻，因而也減小了共模干擾的影響。8、高速DA轉(zhuǎn)換電路DAC904為TI公司的一種14位高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)165Msps，差分電流輸出。該DAC的數(shù)據(jù)的寫入及數(shù)模轉(zhuǎn)換的開(kāi)始都是由CLK信號(hào)來(lái)控制的，在CLK的上升沿鎖存數(shù)據(jù)，CLK的下降沿更新DAC的模擬輸出。設(shè)定其參考電壓為外部輸入。電路連接圖如圖所示： 9、程控放大電路（PGA） AD600是一個(gè)雙通道低噪聲、寬頻帶、增益可變放大器。內(nèi)部采用可編程控制衰減器和固定增益放大器級(jí)連的結(jié)構(gòu)，使其增益和動(dòng)態(tài)參數(shù)更加穩(wěn)定。其增益表達(dá)式為（為C1LO和C1HI之間的電壓差即控制電壓，范圍-625mV-+625mV）。增益控制通過(guò)外接一16位串行電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換器MAX541來(lái)實(shí)現(xiàn)，在電路中配以高精度電壓基準(zhǔn)Max6225。輸入信號(hào)的峰值最大為1.4V，在頻段范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)增益0dB到40dB可調(diào)。10、MAX120A/D轉(zhuǎn)換電路我們選用采用BICMOS 工藝生產(chǎn)的帶采樣保持電路的12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX120，它的轉(zhuǎn)換時(shí)間1.6us,采樣率可達(dá)500Ksps。電路連接如圖44所示，工作于連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用DMA方式ADC與處理器是通過(guò)直接存儲(chǔ)器（DMA）方式來(lái)接口。11、穩(wěn)壓電源模塊12、AGC自動(dòng)增益控制 我們選用AD603構(gòu)成自動(dòng)增益控制電路，作為AD9851后級(jí)，以確保輸出電壓峰峰值能夠穩(wěn)定在1V。AD603是一種單通道寬頻帶、低噪聲、低畸變、高增益精度、控制電壓和增益成線形關(guān)系的VGA芯片，可以通過(guò)控制電壓來(lái)控制放大器的增益，從而實(shí)現(xiàn)增益自動(dòng)控制。電路連接圖如圖所示。（電路增益由1腳和2腳間的電壓差Vg控制，二者之間的關(guān)系為：2腳接固定參考電壓，1腳電壓由后級(jí)峰值檢測(cè)電路提供。2N3906和幾個(gè)外圍電阻組成一個(gè)IQ1300uA左右的恒流源，2N3904作半波檢測(cè)。流入電容C1的電流Ic就是Q1和Q2集電極電流之差。當(dāng)輸出信號(hào)幅度較小時(shí)，Q2集電極電流IQ2減小，IcIQ1-IQ2增大，反饋電壓增大，AD603的1、2腳間電壓差增大，電路增益提高。當(dāng)輸出信號(hào)幅度增大時(shí)，Q2集電極電流IQ2增大，IcIQ1-IQ2減小，反饋電壓減小，電路增益也隨之降低，如此反復(fù)，最終電路將進(jìn)入到穩(wěn)定狀態(tài)，輸出信號(hào)幅度恒定。電容C1的大小選擇也很重要，大了會(huì)降低自動(dòng)增益控制的靈敏度，小了會(huì)減小AGC的頻率范圍。R1、R2、R3均可調(diào)節(jié)輸出信號(hào)幅度。）為了進(jìn)一步擴(kuò)展頻帶，我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)降低了信號(hào)輸出幅度。由于AD603的頻率響應(yīng)特性特性，到10MHz時(shí)信號(hào)有效值上揚(yáng)。我們?cè)贏D603后串接一電阻R對(duì)其進(jìn)行頻率補(bǔ)償，使其幅值穩(wěn)定。經(jīng)測(cè)試該電路信號(hào)無(wú)明顯失真通帶范圍可由50Hz到40MHz；輸出信號(hào)有效值為500mV。13、橢圓濾波器AD9851 正弦信號(hào)的輸出含有高頻噪聲，該噪聲可以分為兩大類：一類為DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的階梯波分量及其高次諧波，另一類為AD9851內(nèi)部系統(tǒng)鐘及其高次諧波。故需在其后加一個(gè)低通濾波器，抑制諧波干擾?？紤]到橢圓函數(shù)濾波器比全極點(diǎn)型濾波器能做到對(duì)理想低通的最佳近似，且在同等技術(shù)指標(biāo)下所需階數(shù)最低，因而電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比其他類型濾波器容易，故我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)截止頻率為30MHz的橢圓函數(shù)濾波器。濾波器輸入輸出端都使用運(yùn)放進(jìn)行阻抗匹配和信號(hào)幅度的調(diào)整。14、AD9851電路我們選用DDS集成芯片AD9851來(lái)實(shí)現(xiàn)。AD9851內(nèi)置32位頻率累加器、10bit高速DAC、高速比較器和可軟件選通的時(shí)鐘6倍頻電路。外接參考頻率源時(shí)，AD9851可以產(chǎn)生頻譜純凈、頻率和相位都可控且穩(wěn)定度非常高的正弦波?？刂谱滞ㄟ^(guò)W-CLK 引腳接入的控制字寫時(shí)鐘來(lái)觸發(fā)寫入的。當(dāng)控制字寫完后，在FQ-UD 信號(hào)的上升沿的作用下，控制字被寫入頻率相位數(shù)據(jù)寄存器，更新DDS 的輸出頻率和相位。AD9851 具體電路如圖所示。該電路做成了PCB 板，電路設(shè)計(jì)時(shí)，十分注意電源和地線的連接，有效地減小了干擾，提高了輸出信號(hào)的質(zhì)量。電路連接圖如圖所示。15、程控放大電路 采用模擬開(kāi)關(guān)CD4051,運(yùn)放LF356,配合精密電位器實(shí)現(xiàn)從10mv/div到2v/div的多擋垂直分辨率。通過(guò)FPGA控制模擬開(kāi)關(guān)選通不同的接入電阻,從而實(shí)現(xiàn)不同的放大倍數(shù),達(dá)到題目中不同垂直靈敏度的要求,電路連接圖如圖所示：16、DAC0800D/A轉(zhuǎn)換電路 D/A轉(zhuǎn)換均采用DAC0800實(shí)現(xiàn)，DAC0800的建立時(shí)間為100nS。連接電路如圖所示。由于D/A轉(zhuǎn)換的結(jié)果為電流，需增加LF356實(shí)現(xiàn)I-V轉(zhuǎn)換。17、MAX197A/D轉(zhuǎn)換對(duì)于檢出的峰值的采樣，我們采用了Maxim公司的12位A/D轉(zhuǎn)換器MAX197 ，它的輸入范圍軟件可調(diào)具有05V ,010V,-55V ,-1010V四種模式，同時(shí)具有八個(gè)模擬通道，可以巡回測(cè)量，大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。它是以寫控制字寫信號(hào)的下降沿來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，而且每次轉(zhuǎn)換前都要重新寫入控制字。外圍電路簡(jiǎn)單，連接電路如下圖所示：