脈沖檢波電路設(shè)計(jì)研究
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摘要：針對(duì)高頻脈沖信號(hào)的采集，本文提出了一種可滿足單片機(jī)自帶A/D采樣高頻脈沖信號(hào)的檢波電路。該電路是基于AD8310芯片的檢波電路設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)多級(jí)檢波，將脈沖信號(hào)頻率降低，從而達(dá)到降低采樣成本的目的。
關(guān)鍵詞：高頻；脈沖信號(hào)；檢波電路
引言
對(duì)于脈沖信號(hào)，頻率高達(dá)上百兆赫茲，脈沖沿較陡，一般的采樣芯片無(wú)法直接對(duì)其進(jìn)行采樣處理，而采用高采樣率芯片直接對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)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(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)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(diǎn)為設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，線性度差，溫度穩(wěn)定性低。
1.2對(duì)數(shù)放大器檢波
對(duì)數(shù)放大器檢波方法主要由對(duì)數(shù)放大器和二極管組成。采用級(jí)聯(lián)放大器輸出端加二極管整流電路，將脈沖信號(hào)或者其它交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓。其特點(diǎn)為元器件多，對(duì)高頻信號(hào)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(duì)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(hào)檢波以后進(jìn)行一定倍數(shù)的放大后再輸出。檢波芯片檢波特點(diǎn)是響應(yīng)快速,靈敏度高，線性度和溫度穩(wěn)定性好，外圍器件少,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。其輸出量為直流電壓，但對(duì)于高頻的脈沖信號(hào)，其輸出的電壓信號(hào)仍有微秒級(jí)的尖脈沖，一般采樣芯片仍無(wú)法準(zhǔn)確捕捉。
2本方案設(shè)計(jì)
2.1整體設(shè)計(jì)方案
本方案中采用了ADI公司的AD8310專用對(duì)數(shù)檢波芯片后級(jí)加改良后的放大器峰值檢波電路。AD8310檢波芯片將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，其中含有一定量的直流脈沖分量，后級(jí)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(jī)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(duì)數(shù)放大檢波器，其內(nèi)部有六個(gè)串聯(lián)的放大器／限幅器，且在帶寬900MHz（-3dB）時(shí)，每個(gè)放大器／限幅器的小信號(hào)增益均為14.3dB。該芯片共使用了9個(gè)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(biāo)定，其對(duì)數(shù)斜率為24mV/dB，誤差為±1dB。截止電壓為－108dBV，并以獨(dú)立的供電電壓和獨(dú)立的溫度作為標(biāo)定參數(shù)。AD8310的完全差動(dòng)輸入具有1kΩ電阻與1pF電容并聯(lián)的高輸入阻抗。通過(guò)50Ω阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸入匹配可保證-78dBm～+17dBm的功率靈敏度。當(dāng)信號(hào)頻率范圍在100MHz以內(nèi)時(shí)，其對(duì)數(shù)線性度的誤差在±0.4dB以內(nèi)，到440MHz時(shí)誤差略大。AD8310沒(méi)有最小使用頻率的限制，因而可用于低頻信號(hào)檢波。AD8310允許輸出負(fù)載有較大的變化范圍，并可驅(qū)動(dòng)高達(dá)100pF的容性負(fù)載。AD8310成本低、體積小、功耗低、精度高、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)范圍寬，其頻率范圍可從直流信號(hào)到超高頻信號(hào)。另外，它還具有響應(yīng)時(shí)間快、負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于需要衰減信號(hào)到分貝級(jí)的電路中。AD8310為工業(yè)級(jí)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(duì)數(shù)放大檢波器的輸入信號(hào)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(guò)查閱AD8310芯片的技術(shù)手冊(cè)，我們可以得到該芯片的基本應(yīng)用電路。該電路為大多數(shù)應(yīng)用應(yīng)用設(shè)計(jì)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(jìn)行去耦。一般情況下，可以在電源線路中串聯(lián)一個(gè)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(dāng)使能引腳不用時(shí)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(shè)置成單端輸入，另一端通過(guò)電容C1接地。輸入信號(hào)通過(guò)C2耦合。而且，電容C1和電容C2的值應(yīng)相同，以盡量減少AD8310芯片啟動(dòng)時(shí)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(gè)50Ω輸入阻抗匹配。在高頻應(yīng)用中，應(yīng)在芯片輸入端加一個(gè)高能濾波網(wǎng)絡(luò)，濾波截止頻率應(yīng)與盡可能的高，以減少不需要的低頻耦合信號(hào)。在低頻應(yīng)用中，相同的原因，應(yīng)在芯片輸入端加一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波網(wǎng)絡(luò)以衰減不需要的高頻信號(hào)或者干擾。
2.4AD8310芯片實(shí)際電路設(shè)計(jì)及測(cè)試
通過(guò)了解掌握AD8310芯片的基本資料，設(shè)計(jì)測(cè)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(yù)留設(shè)計(jì)，可不焊接。注意，在測(cè)試脈沖信號(hào)的時(shí)候C6要去除，否則會(huì)將檢波后的脈沖信號(hào)吸收掉。在設(shè)計(jì)PCB電路板的時(shí)候，盡量保證R1,C1與C2對(duì)稱布局，以保證阻抗平衡。整體布局時(shí)，保持信號(hào)由從左到右的方向在電路板上通過(guò)，以減少干擾。在該功能測(cè)試電路的輸入端通過(guò)信號(hào)發(fā)生器給定峰值1V重復(fù)率500Hz的脈沖信號(hào)，通過(guò)示波器測(cè)試其輸出端的信號(hào)。通過(guò)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(hào)降低很多，但是仍不能用采樣率只有1Msps以內(nèi)的單片機(jī)進(jìn)行直接采樣。
2.5放大器峰值檢波電路
為了進(jìn)一步對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行降頻處理，我們加一級(jí)放大器峰值檢波電路。但是，峰值檢波電路中二極管有一個(gè)缺點(diǎn)，信號(hào)電壓從零上升過(guò)程中，只有大于二極管的導(dǎo)通電壓輸出端才會(huì)出現(xiàn)信號(hào)變化，而且這個(gè)過(guò)程需要花費(fèi)一定時(shí)間，如果在這個(gè)過(guò)程，輸入信號(hào)發(fā)生變化，輸出則會(huì)出現(xiàn)失真。因此，需要在電路中加入一定的措施來(lái)解決這一問(wèn)題。也就是說(shuō)，二極管輸出部分電壓要能夠盡量跟隨輸入信號(hào)的電壓，并提供一個(gè)盡可能理想的二極管，同時(shí)能夠提供有效的輸入緩沖。一個(gè)經(jīng)典的電路是通過(guò)在輸入和輸出間增加一個(gè)二極管，這點(diǎn)類似于電壓鉗位。最終設(shè)計(jì)的電路如圖2所示。該電路出現(xiàn)于TI公司的Difet靜電計(jì)級(jí)運(yùn)算放大器OPA128的DATASHEET里。但電路中的D3為修改后的設(shè)計(jì)，原電路設(shè)計(jì)中為場(chǎng)效應(yīng)管，這里我們改為快速二極管，通過(guò)實(shí)際測(cè)試，效果基本一樣。在這個(gè)電路中，C24為模擬峰值存儲(chǔ)器，建議使用聚本乙烯電容，以減少泄漏電流；運(yùn)算放大器選擇高輸入阻抗運(yùn)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(dǎo)通壓降。
2.6整體電路設(shè)計(jì)
通過(guò)以上分析測(cè)試，我們?cè)O(shè)計(jì)的最終檢波電路如圖3所示。此次測(cè)試，選取200MHz以內(nèi)的信號(hào)為有效信號(hào)。在AD8310前端匹配了一個(gè)200MHz的LC低通濾波器以衰減無(wú)效信號(hào)，PCB布板信號(hào)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(hào)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(hào)發(fā)生器輸出頻率500Hz脈沖波，峰值5mV，通過(guò)分析測(cè)量電路板輸出端的波形得到，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)放大并多級(jí)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(guò)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(jī)均可對(duì)其進(jìn)行直接采樣處理。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方案的可行性，對(duì)其進(jìn)行線性度測(cè)試。實(shí)際測(cè)量證明，該方案所設(shè)計(jì)電路線性度良好，基本滿足設(shè)計(jì)要求。
3結(jié)論
針對(duì)脈沖信號(hào)，本方案中所設(shè)計(jì)的多級(jí)檢波電路完全可以有效起到降頻作用，并將信號(hào)峰值保持在一定時(shí)間內(nèi)，以保證單片機(jī)自帶A/D功能進(jìn)行正常采樣分析處理，且該電路反應(yīng)靈敏，能夠有效識(shí)別脈沖信號(hào)變化。但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)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(shí)際電路中，對(duì)該部分電路進(jìn)行外部金屬屏蔽處理。
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作者：郝術(shù)興 單位：保定中創(chuàng)電子科技有限公司