串行數字信號分析儀前置通道系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電子測量儀器領域，具體說是一種串行數字信號分析儀前置通道的系 統設計。
【背景技術】
[0002] 數字串行信號分析儀作為高速串行信號系統電子測量的主要手段之一，可應用于 無線電通訊、光通訊、網絡傳輸、工業現場產品測試及品質控制、國防工業中雷達信號測試、 快速反應作戰指揮通信網、聲納信號分析、火炮沖擊波測試等諸多部口和領域。數字串行信 號分析儀整個系統可分為前置通道系統、數字采集及處理系統、串行信號分析模塊W及分 析軟件系統、控制及顯示系統。
[0003] 數字串行信號分析儀的前置通道是整個儀器設備的關鍵部件，美國Tek公司新推 出的數字串行信號分析儀采集通道采用專用的ASIC芯片，保密性能很好，但芯片設計成本 費用很高。此類儀器目前國內需求全部依賴進口。
【發明內容】
[0004] 本發明的技術效果能夠克服上述缺陷，提供一種串行數字信號分析儀前置通道系 統，其明顯改善前置通道高頻大信號變化時的失真度W及信號電壓噪聲。
[0005] 為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：其包括高/低阻選擇器、高阻程控衰 減器、阻抗變換器、射頻雙向選擇開關、低阻程控衰減器、高速程控增益可選擇放大器，輸入 信號首先經過高阻/低阻選擇器，當選擇低阻時，輸入信號經過射頻繼電器直接進入低阻 程控衰減器，然后送入高速程控增益可選擇放大器；當選擇高阻信號時，經過雙向選擇開關 進入高阻程控衰減器，然后通過阻抗變換器由高阻輸入轉換為低阻抗輸出，經過射頻雙向 選擇開關進入低阻程控衰減器，再送入高速程控增益可選擇放大器，饋入到后續的ADC采 集電路。
[0006] 本設計方法可突破國外禁運限制，實現DC~2. 5GHz的模擬帶寬，該技術指標 是目前國內最高水平的2. 5倍，能夠覆蓋IGBaud/s W下速率的串行信號的全部特征分 析及2. 5GBaud/s及W下速率的串行信號的部分特性分析，涵蓋USB2. 0UG/10G W太網、 PCI-Express、Serial-ATA、XAUI 等標準。
[0007] 射頻雙向選擇開關采用PE42552型號。低阻程控衰減器是采用7位程控電阻衰減 陣列陽43703。高速程控增益可選擇放大器中的差分放大器采用ADL5565型號。阻抗變換 器采用高阻射頻運放ADA4817-1。
[0008] 送樣做可明顯改善前置通道高頻大信號變化時的失真度W及信號電壓噪聲。因為 高頻信號特性通過射頻雙向選擇開關可W做得較好，而大信號通過衰減電阻網絡衰減后的 高頻特性，相對來講要變得較差。如快沿方波的上沖、上升時間、阻尼、等。高頻信號通過射 頻雙向選擇開關后電壓噪聲明顯低于射頻差分放大器。
【附圖說明】
[0009] 圖1為數字串行信號分析儀的前置通道框圖；
[0010] 圖2為數字串行信號分析儀的前置通道的阻抗變換圖。
【具體實施方式】
[0011] 數字串行信號分析儀前置通道的設計是整個儀器的重要組成部分，由于數字串 行信號分析儀采集電路AD轉換器輸入范圍較小巧OOmV左右），不能滿足大幅度變化信號 的輸入范圍，所W必須將前置通道設計成對各種高速信號進行不失真處理，輸入幅度高阻 ImV~5V/div，低阻ImV~0. 5V/div，且頻帶寬度要達到2. 5細Z W上。
[0012] 串行信號分析儀前置通道是由高/低阻選擇器、高阻程控衰減器、阻抗變換器、低 阻程控衰減器、高速程控增益可選擇放大器組成。串行信號分析儀前置通道的工作原理見 附圖1所示。
[0013] 輸入信號首先經過高阻（IMQ)低阻（50Q)選擇器，當選擇50Q時，輸入信號經 過射頻繼電器HF3-93S，直接進入程控低阻衰減器，然后送入程控增益選擇放大器。當選擇 IMQ時信號，經過射頻繼電器進入高阻衰減器，然后通過阻抗變換器由高阻輸入轉換為低 阻抗輸出，經過射頻雙向選擇開關芯片進入低阻程控衰減器，再送入高速程控增益可選擇 放大器，饋入到后續的ADC采集電路。數字串行信號分析儀前置通道W 5mv/div為基準檔， 采集電路ADC芯片輸入滿度信號為500mVp-p，要求前置通道的總增益為12. 5倍，由于前置 通道插入了一些面板功能，每級電路都需要嚴格的阻抗匹配，前置通道需要3級高速差分 放大器。信號的放大和衰減，是通過FPGA控制高、低阻衰減器和增益選擇差分放大器組合 完成整個前置通道的總增益。W達到各種高速信號大幅度變化時，滿足高阻ImV~5V/div， 低阻ImV~0. 5V/div輸入要求。
[0014] 為了實現信號增益和位移數字控制，前置通道設置了 2個12位DAC芯片，由外部 工控機輸出指令控制。
[0015] 如附圖2所示為前置通道高阻衰減器，該電路通過一個雙刀雙擲射頻繼電器來實 現對直通與衰減檔位的切換，由工控機控制FPGA輸出信號切換通斷。高阻衰減網絡的倍數
[0017] 由于大信號進入前置通道，其電壓幅度高于有源器件可承受的最大電壓，故必須 將高阻衰減網絡設計為前置通道輸入第一級，而前置通道輸入對地電阻為IMQ，因此在選 取電阻時要滿足衰減倍數K值的基礎的計算阻值為R1+R2 Il R = IMQ，R為直通檔對地IMQ 電阻。高阻衰減主要在600MHz帶寬內的送檢頻率特性失真要小，他們的值符合W下公式： R1/R1+R2 = C1/C1+C2。鑒于分布電路高頻信號的影響，需要對衰減網絡補償。本設計借助 射頻領域設計硬件Advancde DesingSystem進行設計和仿真，通過反復仿真測試，使信號在 600MHz頻率范圍內通過此網絡都W固定K值衰減。
[001引阻抗變換電路主要作用是能夠保證信號輸入端口阻抗為IMQ，輸出端口的阻抗低 于500,其目的是隔離前后級電路之間的影響。保證輸入端口吸入較小電流。低阻抗輸出 可增加對后級電路的驅動能力。現有的高頻數字示波器的前置通道阻抗變換電路是采用 高頻場效應管、高頻H極管和低頻運算放大器等分立元器件組成，頻帶寬度最高只能做到 300MHZ-3地。本設計中阻抗變換電路采用了高阻射頻運放ADA4817-1，其-3地帶寬達到 1.05GHz。電壓噪聲4nV/ V化@100曲Z，失調電壓為2mV，輸出電流為70mA。送些優越的高 頻特性，使得通過該阻抗變換電路與前置通道其它電路組合使用后，高阻頻率響應可達到 600MHZ-3地。該阻抗變換器電路見附圖2所示。
[0019] 低阻衰減器是采用7位程控電阻衰減陣列PE43703,該芯片頻帶響應為DC~ 6GHz，7位控制位分別控制0. 25地、0. 5地、1地、2地、4地、8地、16地，最大衰減量程為 31. 5地。為了保證前置通道系統線性與動態范圍，通過FPGA輸出控制信號，控制該芯片 和高阻衰減器衰減值W及后級程控增益選擇放大器的增益，W保證整個前置通道在低阻 ImV~IV/div和高阻ImV~5V/div衰減量程內，衰減精度和頻帶寬度都達到了設計要求。 而現有的電阻衰減網絡芯片衰減精度最小僅能控制在0. 5地，送在普通的數字示波器上可 W通過軟件的算法來控制儀器的衰減精度。而數字串行信號分析儀的波形更新率達到了 50 萬頓/砂，送就必須要求在前置通道硬件電路上來實現±2%的衰減精度，陽43703最小步 進值0. 25地，可滿足技術要求。
[0020] 本設計的前置通道程控增益可選擇放大器，與現有的數字示波器前置通道的增益 放大器增益控制有很大的區別。現有的數字示波器前置通道信號衰減一般都是通過前幾級 電阻衰減網絡按照阻抗匹配原則，根據控制信號將前置通道的各級電阻衰減網絡對輸入信 號進行組合衰減，得到所需量程信號幅度。前置通道的各級運算放大器的增益始終處于最 大狀態。本設計的數控增益差分放大器，是通過FPGA控制射頻雙向選擇開關PE42552和射 頻差分放大器ADL5565進行通斷切換選擇，控制前置通道增益的放大和衰減。
【主權項】
1. 一種串行數字信號分析儀前置通道系統，其特征在于，包括高/低阻選擇器、高阻程 控衰減器、阻抗變換器、射頻雙向選擇開關、低阻程控衰減器、高速程控增益可選擇放大器， 輸入信號首先經過高阻/低阻選擇器，當選擇低阻時，輸入信號經過射頻繼電器直接進入 低阻程控衰減器，然后送入高速程控增益可選擇放大器；當選擇高阻信號時，經過雙向選擇 開關進入高阻程控衰減器，然后通過阻抗變換器由高阻輸入轉換為低阻抗輸出，經過射頻 雙向選擇開關進入低阻程控衰減器，再送入高速程控增益可選擇放大器，饋入到后續的ADC 采集電路。2. 根據權利要求1所述的串行數字信號分析儀前置通道系統，其特征在于，射頻雙向 選擇開關采用PE42552型號。3. 根據權利要求1所述的串行數字信號分析儀前置通道系統，其特征在于，低阻程控 衰減器是采用7位程控電阻衰減陣列PE43703。4. 根據權利要求1所述的串行數字信號分析儀前置通道系統，其特征在于，高速程控 增益可選擇放大器中的差分放大器米用ADL5565型號。5. 根據權利要求1所述的串行數字信號分析儀前置通道系統，其特征在于，阻抗變換 器采用高阻射頻運放ADA4817-1。
【專利摘要】本發明屬于電子測量儀器領域，本發明的串行數字信號分析儀前置通道系統，包括高/低阻選擇器、高阻程控衰減器、阻抗變換器、射頻雙向選擇開關、低阻程控衰減器、高速程控增益可選擇放大器，輸入信號首先經過高阻/低阻選擇器，當選擇低阻時，輸入信號經過射頻繼電器直接進入低阻程控衰減器，然后送入高速程控增益可選擇放大器；當選擇高阻信號時，經過雙向選擇開關進入高阻程控衰減器，然后通過阻抗變換器由高阻輸入轉換為低阻抗輸出，經過射頻雙向選擇開關進入低阻程控衰減器，再送入高速程控增益可選擇放大器，饋入到后續的ADC采集電路。這樣做可明顯改善前置通道高頻大信號變化時的失真度以及信號電壓噪聲。
【IPC分類】H03F3/45, H03F1/26, H03G3/20, H04B17/00, H03F1/32
【公開號】CN105553433
【申請號】CN201410607242
【發明人】呂華平, 馮太明
【申請人】江蘇綠揚電子儀器集團有限公司
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2014年11月1日