陳彥麗, 羅通頂, 田 耕, 阮林波, 王 晶

(西北核技術(shù)研究所， 西安 710024)

在強(qiáng)脈沖輻射測(cè)量中，為獲得輻射源的物理信息，需盡可能精確記錄探測(cè)器輸出的直流信號(hào)波形，用于推斷脈沖射線和脈沖射線源的特征及參數(shù)[1]。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，脈沖輻射探測(cè)器輸出的信號(hào)前沿越來越快，為精確獲取探測(cè)器輸出的大動(dòng)態(tài)范圍的單次超快脈沖信號(hào)波形，需在近端采用超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄不同能量區(qū)域的信號(hào)波形，在有限時(shí)間內(nèi)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸出去并存儲(chǔ)下來，進(jìn)行分析處理。脈沖輻射探測(cè)器輸出的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大、信號(hào)前沿快及有直流偏置，因此對(duì)超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端模擬信號(hào)調(diào)理電路(signal conditioning circuit， SCC)設(shè)計(jì)提出了較高要求。本文以電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、帶寬合適夠用為原則，設(shè)計(jì)了線性范圍為±10 V、模擬帶寬為500 MHz的SCC。與之前的SCC[1-3]相比，本文簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，更有針對(duì)性。本文設(shè)計(jì)的SCC已應(yīng)用于脈沖輻射場(chǎng)4 GHz超高速數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)中。

1 4 GHz超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)介紹

測(cè)量強(qiáng)脈沖輻射的4 GHz超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)物如圖1所示。該系統(tǒng)采用機(jī)箱式架構(gòu)，由8個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊、背板和電源模塊組成。

圖2為單路超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成示意圖。由圖2可見，數(shù)據(jù)采集模塊由模擬信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter， ADC)驅(qū)動(dòng)采集電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸及控制單元等組成。SCC是連接探測(cè)器和數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的橋梁，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的指標(biāo)，直接決定了系統(tǒng)的下限水平，通常用于對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行幅度和偏置調(diào)節(jié)、帶寬設(shè)置及阻抗匹配等[4-5]，以滿足后端數(shù)字化系統(tǒng)的輸入要求。

2 SCC設(shè)計(jì)原理

在脈沖輻射場(chǎng)診斷中，脈沖輻射探測(cè)器輸出的直流脈沖信號(hào)上升沿快，動(dòng)態(tài)范圍大，約100 dB[1]，要求SCC可調(diào)節(jié)偏置，有較高的模擬帶寬，可衰減大幅度的信號(hào)，能對(duì)后端ADC芯片進(jìn)行過壓保護(hù)。同時(shí)，為滿足ADC芯片的輸入要求，SCC要具備阻抗匹配、單端轉(zhuǎn)差分和抗混疊濾波的功能。

由于信號(hào)過大容易損壞昂貴的高速ADC芯片，因此，提出了一種模塊化設(shè)計(jì)，將前端模擬電路設(shè)計(jì)成1個(gè)單獨(dú)的模塊，與后端ADC電路隔開，便于更換和升級(jí)，節(jié)省成本和研發(fā)周期。模塊化的設(shè)計(jì)需有共模電壓產(chǎn)生電路，為單端轉(zhuǎn)差分提供共模電壓。SCC設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

由圖3可見，SCC主要由衰減電路、過壓保護(hù)、ADC驅(qū)動(dòng)電路、偏置調(diào)節(jié)、共模電壓產(chǎn)生電路、抗混疊濾波電路和直流電源轉(zhuǎn)換電路等組成。SCC的設(shè)計(jì)要求為：(1)輸入信號(hào)范圍為±10 V；(2)模擬帶寬超過300 MHz；(3)偏置調(diào)節(jié)范圍為-3 ～ +5V；(4)差分信號(hào)輸出共模電壓為1.25 V；(5)噪聲水平盡可能低。

為設(shè)備小型化和便于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)，衰減電路采用了固定衰減和可變衰減相結(jié)合的方式。信號(hào)幅度由集成固定衰減芯片T1進(jìn)行粗調(diào)，由R2、R3和R4組成的π型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行細(xì)調(diào)，不同調(diào)理電路分別設(shè)置不同的衰減系數(shù)。±5 V過壓保護(hù)電路由快速恢復(fù)肖特基二極管MMBD352WT1G(D1)實(shí)現(xiàn)。偏置調(diào)節(jié)電路通過高速緩沖芯片LMH6559(A2)和電阻R01，R02實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)電壓范圍為-3 V～+5 V。為降低噪聲，選用了標(biāo)準(zhǔn)電源基準(zhǔn)芯片REF3212產(chǎn)生1.25 V共模電壓。二階RLC有源抗混疊濾波電路由R12，R13，C4，L1，L2，R14和R15構(gòu)成，用于降低帶寬，提高輸出信號(hào)的信噪比，防止頻譜混疊。為最大簡(jiǎn)化電路，ADC驅(qū)動(dòng)電路由1個(gè)高帶寬的單端轉(zhuǎn)差分運(yùn)算放大器LMH5401(A1)和匹配平衡電阻R5，R6，R8，R9，R10，R11組成，C1，C2用來穩(wěn)定放大器輸出。為抑制共模信號(hào)，降低諧波，提高ADC芯片輸出信號(hào)的性能指標(biāo)，SCC輸出的差分信號(hào)要有較好的線性、對(duì)稱性和平衡性，因此需選擇低噪聲、低溫漂及高精度的電阻[6-7]。本文單端轉(zhuǎn)差分電路的各參數(shù)可由式(1)-式(4)[8]精確計(jì)算得到，表示為

(1)

(2)

RG1+RT//RS=RG2

(3)

(4)

首先選定RF值(R10，R11)和電路增益Av，然后根據(jù)式(1)-式(4)計(jì)算出RT(R5和R6)和RG1(R8，R9)。其中，RS為輸入端阻抗，一般選為50 Ω。

圖4為圖3中直流電源轉(zhuǎn)換電路示意圖。由圖4可見，直流電源轉(zhuǎn)換電路由2個(gè)低噪聲高轉(zhuǎn)換效率的DC/DC模塊(PTH0808W和PTN04050A)和3個(gè)低紋波低噪聲的LDO芯片(TPS7A3301和PTN04050A)組成，可將5 V電壓源轉(zhuǎn)換為3.75，-1.25，-3 V 3種電壓源，為單端轉(zhuǎn)差分的運(yùn)放和偏置調(diào)節(jié)電路提供電壓。5 V電源的輸入端安裝了貼片式保險(xiǎn)絲，用來保護(hù)電路防止過流。

在設(shè)計(jì)印制電路板(printed circuit board, PCB)時(shí)，布板采用6層板設(shè)計(jì)，層間布局依次為信號(hào)層、地層、正電源層、負(fù)電源層、地層和信號(hào)層，器件放置在頂層。這樣的設(shè)計(jì)提供了完整的地平面，使信號(hào)線的回流最近，簡(jiǎn)化了頂層電路設(shè)計(jì)，極大地降低了系統(tǒng)噪聲。PCB走線、過孔和電路布局等均采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，使用小封裝表貼元器件，減少了寄生參數(shù)，降低了噪聲；差分信號(hào)線采取等長和阻抗匹配設(shè)計(jì)，單端輸入端阻抗盡可能接近50 Ω，差分輸出阻抗盡可能接近100 Ω。此外，挖空運(yùn)算放大器芯片下方的電源層和地層，以減少寄生電容，降低電源和地層的干擾。圖5為電路板實(shí)物圖。

3 SCC性能測(cè)試

電路系統(tǒng)測(cè)試之前，通常要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行性能測(cè)試。SCC性能測(cè)試主要包括頻域測(cè)試、時(shí)域測(cè)試、噪聲測(cè)試及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試等。

3.1 SCC頻域測(cè)試

為獲得不失真和穩(wěn)定的輸出信號(hào)，需測(cè)試模擬電路帶寬，使設(shè)計(jì)滿足實(shí)際需求。使用高速信號(hào)源(R&S SMA100A)產(chǎn)生幅度固定的正弦波信號(hào)，信號(hào)幅值使用示波器測(cè)試后，輸入SCC，改變信號(hào)源信號(hào)的頻率，記錄不同頻率下，SCC輸出信號(hào)峰的峰值，使用Orign軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到單端轉(zhuǎn)差分運(yùn)放增益為2 dB和4 dB時(shí)，系統(tǒng)增益G隨信號(hào)源信號(hào)頻率f的變化關(guān)系，如圖6所示。由圖6可見，系統(tǒng)增益下降3 dB時(shí), 對(duì)應(yīng)的頻率分別為500 MHz和320 MHz，即單端轉(zhuǎn)差分運(yùn)放增益為2 dB和4 dB的SCC -3 dB帶寬分別為500 MHz和320 MHz。測(cè)試結(jié)果表明，-3 dB內(nèi)帶寬較平坦，單端轉(zhuǎn)差分運(yùn)放增益越大帶寬越低，穩(wěn)定性越好。

3.2 SCC時(shí)域測(cè)試

為保證待測(cè)信號(hào)工作在線性范圍內(nèi)，需測(cè)試模擬調(diào)理電路的線性區(qū)間。使用信號(hào)源產(chǎn)生脈沖信號(hào)，輸入SCC的輸入端，改變輸入信號(hào)，使用示波器測(cè)量不同輸入信號(hào)時(shí)，SCC輸出信號(hào)峰的峰值。記錄數(shù)據(jù)并分析處理，得到單端轉(zhuǎn)差分運(yùn)放增益為2 dB和4 dB的SCC輸出電壓峰的峰值隨輸入電壓的變化關(guān)系，如圖7所示。通過線性擬合可得，2種增益下SCC線性范圍約為±10 V，增益越小，線性度越好。

由于輸入電壓范圍較大，使用示波器標(biāo)定輸入信號(hào)時(shí)需加衰減器或功分器，測(cè)試會(huì)有一定偏差，但能滿足使用要求。

另外，為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的SCC的基本功能，開展了時(shí)域波形測(cè)試，采用信號(hào)源輸出信號(hào)作為輸入，測(cè)試輸出的差分對(duì)信號(hào)，觀察差分波形的對(duì)稱性和一致性。圖8為時(shí)域波形測(cè)試結(jié)果。由圖8可見，差分對(duì)的幅度和脈寬一致性較好。

3.3 SCC噪聲測(cè)試

噪聲是模擬信號(hào)調(diào)理電路指標(biāo)之一，噪聲影響系統(tǒng)的下限指標(biāo)，要盡可能地降低系統(tǒng)噪聲，因此設(shè)計(jì)需測(cè)試SCC噪聲水平。測(cè)試方法：首先測(cè)試示波器本身的噪聲水平；然后將SCC輸入端接地，用示波器測(cè)試SCC輸出端信號(hào)噪聲水平；將兩個(gè)噪聲值平方差開根號(hào)，即為系統(tǒng)的噪聲。測(cè)量結(jié)果表明：示波器本身噪聲為123.5 μV；SCC輸出噪聲為444.3 μV；通過計(jì)算得出SCC本身噪聲為426.7 μV，噪聲水平小于1 mV，可滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試

為驗(yàn)證4 GHz超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能，將SCC與后端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)聯(lián)合測(cè)試。信號(hào)源輸出信號(hào)分為2路：一路信號(hào)輸入到示波器；另一路信號(hào)輸入到SCC輸入端。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試結(jié)果如圖9所示。其中：1為示波器信號(hào)；2為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出信號(hào)。由圖9可見，二者幾乎重合，說明SCC能滿足采集系統(tǒng)的要求，驗(yàn)證了4 GHz超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能。

3.5 性能對(duì)比

對(duì)比大動(dòng)態(tài)的具有高低增益的模擬信號(hào)調(diào)理電路[1-3]，本文設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路根據(jù)信號(hào)幅度大小設(shè)計(jì)不同衰減倍數(shù)，不同通道具有不同量程，覆蓋整個(gè)測(cè)量范圍，進(jìn)行單通道信號(hào)采集，更有針對(duì)性，減少了通道間的干擾及影響信號(hào)前后沿的不確定因素，帶寬增益可調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種大動(dòng)態(tài)、高帶寬及模塊化的SCC設(shè)計(jì)，該電路具有阻抗匹配、偏置電壓調(diào)節(jié)、共模電壓產(chǎn)生、單端轉(zhuǎn)差分及抗混疊濾波等功能。將SCC設(shè)計(jì)成單獨(dú)模塊，與后端ADC電路隔開，便于更換和升級(jí)，節(jié)省成本和研發(fā)周期。性能測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)可正確獲得數(shù)據(jù)，SCC設(shè)計(jì)能滿足采集系統(tǒng)要求。但由于該電路是直接將衰減后的信號(hào)單端轉(zhuǎn)差分，前后端均沒有通過運(yùn)放緩沖，對(duì)電路匹配要求更高，需精確計(jì)算電路參數(shù)，選擇高精度電阻。