CN113114253A - 一种应用于超高速数据采集系统的模拟信号调理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于超高速数据采集系统的模拟信号调理系统，该系统包括衰减电路、过压保护电路、偏置调节电路、共模电压产生电路、ADC驱动电路、抗混叠滤波电路以及直流电源转换电路，通过对输入的模拟信号进行衰减、限幅、消除偏置以及滤波等处理后再进入至后端的ADC芯片内，从而避免了直流信号过大,容易损坏昂贵的高速ADC芯片的问题，该系统可满足最高模拟带宽达450MHz，动态范围正负10V，直流耦合；同时由于该信号调理系统单独形成一个模块，与后端数字电路模块(ADC芯片)隔开，也便于维修更换，节省了工作效率和成本。
Description
技术领域
本发明属于核电子学领域，具体涉及一种应用于超高速数据采集系统的模拟信号调理系统。
背景技术
在强辐射环境中,探测器输出的信号携带多种物理信息，需要将探测器输出的直流信号波形尽可能精确的记录下来，用来研究辐射场物理特征。
随着材料和半导体技术发展,辐射探测器输出的信号越来越快,为了精确地获取探测器输出的大动态范围的超快脉冲信号波形，需要使用多路超高速数据采集系统，采样率4GSPS以上。探测器输出的直流信号动态范围大(正负十几伏，信号前沿快(皮秒至几个纳秒)，并且有直流偏置，对于探测器输出的这种类型的单端信号，由于该单端信号过大容易损坏昂贵的高速ADC芯片,因此超高速数据采集系统的模数转换(ADC)芯片并不能直接对信号进行处理。
发明内容
为了解决探测器输出的直流信号过大,容易损坏昂贵的高速ADC芯片,因此超高速数据采集系统的模数转换(ADC)芯片并不能直接对信号进行处理的问题，本发明提供了一种应用于超高速数据采集系统的模拟信号调理系统。
本发明的技术方案如下：
提供了一种模块化大动态高带宽模拟信号调理系统，其特征在于：包括衰减电路、过压保护电路、偏置调节电路、共模电压产生电路、ADC驱动电路、抗混叠滤波电路以及直流电源转换电路；
衰减电路的输入端通过SMA插接件接外部探测器的输出信号，衰减电路的输出端与ADC驱动电路的正相输入端之间设置过压保护电压电路；
偏置调节电路接ADC驱动电路的负相输入端；
ADC驱动电路的输出端通过抗混叠滤波电路与外部ADC芯片连接；抗混叠滤波电路与外部ADC芯片之间采用PXIE接口连接；
共模电压产生电路用于向ADC驱动电路提供共模电压；
直流电源转换电路分别与ADC驱动电路、共模电压产生电路、偏置调节电路、过压保护电压电路连接，用于向四者提供相应的供电电压。
具体地说，上述ADC驱动电路包括单端转差分的运算放大器A1、电阻R5、电阻R6、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R15、电阻R11、电阻R12、电容C1以及电容C2；
电阻R5和电阻R8串接后与单端转差分的运算放大器A1的正相输入端连接，电阻R6和电阻R9串接后与单端转差分的运算放大器A1的负相输入端连接；电阻R5、电阻R6、电阻R8、电阻R9用于匹配平衡单端转差分的运算放大器A1两相输入端的电压；
电阻R11与单端转差分的运算放大器A1的正相输出端连接，电阻R12与单端转差分的运算放大器A1的负相输出端连接，电阻R11、电阻R12用于匹配单端转差分的运算放大器A1的输出信号；
电容C1与电阻R15并联于单端转差分的运算放大器A1的正相输入端与正相输出端之间；电容C2与电阻R10并联于单端转差分的运算放大器A1的负相输入端与负相输出端之间，用于补偿单端转差分的运算放大器A1的带宽；
所述单端转差分的运算放大器A1型号选用LMH5401；
所述电阻R5、电阻R6、电阻R8、电阻R9、电阻R10、R15、电阻R11、电阻R12均选用0.1％高精度低温漂的表贴0402封装高精度薄膜电阻；
所述电容C1、电容C2选用低温漂高精度的0402封装陶瓷电容。
具体地说，上述衰减电路包括固定衰减T1和可调衰减电路；固定衰减T1采用贴片式固定衰减芯片；可调衰件电路采用π型衰减网络，由电阻R2，电阻R3和电阻R4组成；其中，电阻R2、电阻R3和电阻R4均选择0.1％高精度低温漂的表贴电阻。
具体地说，上述过压保护电路为一个快速恢复肖特基二极管D1，保护电压为±5V。
具体地说，上述偏置调节电路包括高速缓冲放大器A2、电阻R01、电阻R02、电阻R7及电容C3；高速缓冲放大器A2选用型号为LMH6559；
电阻R01输入端引入5V电压，电阻R02输入端引入-3V电压；
电阻R01输出端和电阻R02输出端共同与所述高速缓冲放大器A2的输入端连接，高速缓冲放大器A2的输出端通过电阻R7接入电阻R6和电阻R9之间，且通过C3接地。
具体地说，上述共模电压产生电路为一个电源基准芯片A3；所述电源基准芯片A3选用的型号为REF3212芯片。
具体地说，上述抗混叠滤波电路包括电容C4、电感L1、电感L2、电阻R13和电阻R14；
电容C4的正端与电阻R11的输出端连接，并且电感L1和电阻R13串接后电感L1的输入端与电容C4的正端连接，电阻R13的输出端与外部ADC芯片连接；
电容C4的负端与电阻R12的输出端连接，并且电感L2和电阻R14串接后电感L2的输入端与电容C4的负端连接，电阻R14的输出端与外部ADC芯片连接。
具体地说，上述直流电源转换电路包括DC/DC1模块、DC/DC2模块、LDO1芯片、LDO2芯片以及LDO3芯片；
DC/DC1模块对外部5V电压转换后，再经过LDO2芯片稳压获得3.75V的电压输入至单端转差分的运算放大器A1的正供电电压管脚；
DC/DC2模块对外部5V电压转换后，再经过LDO1芯片稳压获得-3V的电压输入至电阻R02的输入端；
DC/DC2模块对外部5V电压转换后，再经过LDO3芯片稳压获得-1.25V的电压输入至单端转差分的运算放大器A1负供电电压管脚。
具体地说，调理系统采用六层板的设计，层间布局依次为信号层、地层、正电源层、负电源层、地层、信号层。
具体地说，上述系统还包括电阻R1；所述电阻R1一端接固定衰减T1的输入端，另一端接地。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用衰减电路、过压保护电路、偏置调节电路、共模电压产生电路、ADC驱动电路、抗混叠滤波电路以及直流电源转换电路构成了一个信号调理电路，通过对输入的模拟信号进行衰减、限幅、消除偏置以及滤波等处理后再进入至后端的ADC芯片内，从而避免了直流信号过大,容易损坏昂贵的高速ADC芯片的问题，该系统可满足最高模拟带宽达450MHz，动态范围正负10V，直流耦合；同时由于该信号调理系统单独形成一个模块，与后端数字电路模块(ADC芯片)隔开，也便于维修更换，节省了工作效率和成本。
2、本发明采用各个电路中使用低噪声、低温漂、高精度的电阻，使该系统输出的差分信号具有较好的线性、对称性和平衡性，提高了ADC芯片输出信号的指标。
3、本发明采用了六层板的设计，层间布局为信号-地-正电源-负电源-地-信号结构，提供了完整的地平面，保证了信号最短回路，简化了顶层电路设计，从而极大地降低了系统噪声。
4、本发明采用快速恢复肖特基二极管用来过压保护，电源输入端加贴片式保险丝，为后端数字部分电路提供保护，以免损坏昂贵的ADC芯片和FPGA芯片。
5、本发明采用贴片式固定衰减芯片完成幅度粗调节，用高精度贴片电阻组成的π型衰减网络进行细调节，使系统具有较好的线性和大动态范围。
6、本发明的信号调理系统采用SMA插接件与外部探测器输出信号连接，采用高速接插件PXIE接口将差分信号传输至ADC芯片，实现模拟和数字隔离，保证差分信号传输质量，同时该连接方式便于更换和调节。
附图说明
图1为本发明的系统组成框图；
图2为本发明系统详细原理图；
图3为本发明系统原理图中直流电源转换电路；
图4为本发明系统进行模拟带宽的测试结果；
图5为本发明系统得到的线性动态范围测试结果。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基本原理方案
如图1给出了一种应用于超高速数据采集系统的模拟信号调理系统的原理性方案，包括衰减电路、过压保护电路、偏置调节电路、共模电压产生电路、ADC驱动电路、抗混叠滤波电路以及直流电源转换电路；
衰减电路的输入端通过SMA插接件接外部探测器的输出信号，衰减电路的输出端与ADC驱动电路的正相输入端之间设置过压保护电压电路；
衰减电路用于调节信号幅度，实现大动态范围信号调节，不同调理电路分别设置不同的衰减倍数；
过压保护电路用于限幅；
偏置调节电路接ADC驱动电路的负相输入端，用于保持ADC驱动电路单端转差分的平衡性；
ADC驱动电路的输出端通过抗混叠滤波电路与外部ADC芯片连接；抗混叠滤波电路与外部ADC芯片之间采用PXIE接口连接；抗混叠滤波电路用来防止频谱混叠，同时提高输出信号的信噪比；
共模电压产生电路用于向ADC驱动电路提供共模电压；
直流电源转换电路分别与ADC驱动电路、共模电压产生电路、偏置调节电路、过压保护电压电路连接，用于向四者提供相应的供电电压。
该系统的工作原理为：
外部探测器输出模拟信号首先经过衰减电路按照需求进行衰减，再经过压保护电路进行限幅后输入至ADC驱动电路，之后经过ADC驱动电路产生一组与输入的模拟信号对应的差分信号，最后对差分信号进行滤波后送入外部ADC芯片。
在进行上述信号调理的过程中：共模电压产生电路向ADC驱动电路输入共模电压用于抑制共模信号；偏置调节电路向直流耦合的ADC驱动电路提供一个稳定的偏置电压，把基线拉到零上，将信号调节到ADC输入的满屏范围内，并确保ADC驱动电路单端转差分的平衡性；直流电源转换电路分别向ADC驱动电路、共模电压产生电路、偏置调节电路提供相应的供电电压。
实施例
图2给出该信号调理系统的具体实例，现根据该具体实例来对该系统的具体结构和各个电路的功能作进一步详细的介绍。
该具体实例提供的信号调理系统可以实现最高450MHz的传输带宽，线性动态范围±10V。
衰减电路包括固定衰减T1和可调衰减两部分组成，所述固定衰减部分采用贴片式固定衰减芯片，可调衰件电路采用π型衰减网络，由电阻R2，电阻R3和电阻R4组成，电阻R2，电阻R3和电阻R4选择0.1％高精度低温漂的表贴电阻，固定衰减T1的输入端设置一个接地电阻R1。
过压保护电路由一个快速恢复肖特基二极管D1组成，保护电压为±5V，快速恢复肖特基二极管型号为MMBD352WT1G。
偏置调节电路包括高速缓冲放大器A2、电阻R01、电阻R02、电阻R7以及C3组成；电阻R01输入端引入5V电压，电阻R02输入端引入-3V电压；电阻R01输出端和电阻R02输出端共同与所述高速缓冲放大器A2的输入端连接，高速缓冲放大器A2的输出端通过电阻R7接入电阻R6和R9之间；该偏置调节电路调节电压范围是-3V至+5V，为了保持单端转差分的平衡性，所述高速缓冲放大器A2选用高输入阻抗(200K)低输出阻抗(1.2Ω)的低噪声高速闭环缓冲放大器LMH6559。另外，高速缓冲放大器A2的输出端与电阻R7之间设置一个接地的电容C3，用于滤波。
ADC驱动电路包括单端转差分的运算放大器A1、电阻R5、电阻R6、电阻R8、电阻R9、电阻R10、R15、电阻R11、电阻R12、电容C1以及电容C2；
电阻R5、电阻R6、电阻R8、电阻R9用于匹配平衡单端转差分的运算放大器A1两相输入端的电压；
电阻R11、电阻R12用于匹配单端转差分的运算放大器A1的输出信号；
电容C1、电容C2用于补偿放大器带宽，起到稳定信号输出作用；单端转差分的运算放大器A1选用了非常适合驱动超高速ADC的低噪声低功耗高带宽的高速差分放大器LMH5401；电阻R5、电阻R6、电阻R8、电阻R9、电阻R10、R15、电阻R11、电阻R12均选用0.1％高精度低温漂的表贴0402封装高精度薄膜电阻，电容C1、电容C2选用低温漂高精度的0402封装陶瓷电容。为了抑制共模信号，降低谐波，单端转差分电路参数的配置要进行精确计算。
共模电压产生电路是为了简化模拟和数字电路连接，更方便模块化的设计，同时也为了降低噪声，ADC驱动电路的共模电压由电源基准芯片A3产生的；本实施例中电源基准芯片A3选用了低噪声固定输出的REF3212。
抗混叠滤波电路用来防止频谱混叠，由电容C4、电感L1、电感L2、电阻R13和电阻R14构成二阶滤波电路；电容C4的正端与电阻R11的输出端连接，并且电感L1和电阻R13串接后电感L1的输入端与电容C4的正端连接，电阻R13的输出端与外部ADC芯片连接；电容C4的负端与电阻R12的输出端连接，并且电感L2和电阻R14串接后电感L2的输入端与电容C4的负端连接，电阻R14的输出端与外部ADC芯片连接。
直流电源转换电路参见图3，包括DC/DC1模块、DC/DC2模块、LDO1芯片、LDO2芯片以及LDO3芯片；
5V输入直流电源先经过DC/DC1模块变换，然后经过LDO2稳压获得3.75V电压，输入至单端转差分的运算放大器A1的正供电电压管脚。
5V输入直流电源先经过DC/DC2模块变换，然后分别经过LDO1和LDO3稳压获得-3V，-1.25V电压；-3V电压输入至电阻R02的输入端，-1.25V电压输入至单端转差分的运算放大器A1的负供电电压管脚。
本实施例中DC/DC1模块选择了直插的2.25A输出电流低噪声的PTH0808W；LDO1选择低噪声可调的TPS7A3301芯片；DC/DC2模块选择了直插的高转换效率低噪声的PTN04050A模块，LDO2和LDO3选择低噪声可调的TPS7A91芯片。
此处还需要强调的是：本实施例的系统为了提供了完整的地平面，保证了信号最短回路，简化了顶层电路设计，极大地降低系统噪声，该系统采用六层板的设计，层间布局依次为信号层、地层、正电源层、负电源层、地层、信号层。
参见图4和5，图中显示了系统的-3dB带宽和线性范围，测试结果表明-3dB带宽比较平坦，系统具有较好稳定性和较大的线性范围。本发明已经应用于核脉冲辐射探测相关的大动态4G超高速数据采集系统中。
Claims (10)
1.一种模块化大动态高带宽模拟信号调理系统，其特征在于：包括衰减电路、过压保护电路、偏置调节电路、共模电压产生电路、ADC驱动电路、抗混叠滤波电路以及直流电源转换电路；
衰减电路的输入端通过SMA插接件接外部探测器的输出信号，衰减电路的输出端与ADC驱动电路的正相输入端之间设置过压保护电压电路；
偏置调节电路接ADC驱动电路的负相输入端；
ADC驱动电路的输出端通过抗混叠滤波电路与外部ADC芯片连接；抗混叠滤波电路与外部ADC芯片之间采用PXIE接口连接；
共模电压产生电路用于向ADC驱动电路提供共模电压；
直流电源转换电路分别与ADC驱动电路、共模电压产生电路、偏置调节电路、过压保护电压电路连接，用于向四者提供相应的供电电压。
2.根据权利要求1所述的模块化大动态高带宽模拟信号调理系统，其特征在于：所述ADC驱动电路包括单端转差分的运算放大器A1、电阻R5、电阻R6、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R15、电阻R11、电阻R12、电容C1以及电容C2；
电阻R5和电阻R8串接后与单端转差分的运算放大器A1的正相输入端连接，电阻R6和电阻R9串接后与单端转差分的运算放大器A1的负相输入端连接；电阻R5、电阻R6、电阻R8、电阻R9用于匹配平衡单端转差分的运算放大器A1两相输入端的电压；
电阻R11与单端转差分的运算放大器A1的正相输出端连接，电阻R12与单端转差分的运算放大器A1的负相输出端连接，电阻R11、电阻R12用于匹配单端转差分的运算放大器A1的输出信号；
电容C1与电阻R15并联于单端转差分的运算放大器A1的正相输入端与正相输出端之间；电容C2与电阻R10并联于单端转差分的运算放大器A1的负相输入端与负相输出端之间，用于补偿单端转差分的运算放大器A1的带宽；
所述单端转差分的运算放大器A1型号选用LMH5401；
所述电阻R5、电阻R6、电阻R8、电阻R9、电阻R10、R15、电阻R11、电阻R12均选用0.1％高精度低温漂的表贴0402封装高精度薄膜电阻；
所述电容C1、电容C2选用低温漂高精度的0402封装陶瓷电容。
3.根据权利要求1或2所述的模块化大动态高带宽模拟信号调理系统，其特征在于：所述衰减电路包括固定衰减T1和可调衰减电路；固定衰减T1采用贴片式固定衰减芯片；可调衰件电路采用π型衰减网络，由电阻R2，电阻R3和电阻R4组成；其中，电阻R2、电阻R3和电阻R4均选择0.1％高精度低温漂的表贴电阻。
4.根据权利要求3所述的模块化大动态高带宽模拟信号调理系统，其特征在于：所述过压保护电路为一个快速恢复肖特基二极管D1，保护电压为±5V。
5.根据权利要求4所述的模块化大动态高带宽模拟信号调理系统，其特征在于：所述偏置调节电路包括高速缓冲放大器A2、电阻R01、电阻R02、电阻R7及电容C3；高速缓冲放大器A2选用型号为LMH6559；
电阻R01输入端引入5V电压，电阻R02输入端引入-3V电压；
电阻R01输出端和电阻R02输出端共同与所述高速缓冲放大器A2的输入端连接，高速缓冲放大器A2的输出端通过电阻R7接入电阻R6和电阻R9之间，且通过C3接地。
6.根据权利要求5所述的模块化大动态高带宽模拟信号调理系统，其特征在于：共模电压产生电路为一个电源基准芯片A3；所述电源基准芯片A3选用的型号为REF3212芯片。
7.根据权利要求6所述的模块化大动态高带宽模拟信号调理系统，其特征在于：所述抗混叠滤波电路包括电容C4、电感L1、电感L2、电阻R13和电阻R14；
电容C4的正端与电阻R11的输出端连接，并且电感L1和电阻R13串接后电感L1的输入端与电容C4的正端连接，电阻R13的输出端与外部ADC芯片连接；
电容C4的负端与电阻R12的输出端连接，并且电感L2和电阻R14串接后电感L2的输入端与电容C4的负端连接，电阻R14的输出端与外部ADC芯片连接。
8.根据权利要求7所述的模块化大动态高带宽模拟信号调理系统，其特征在于：所述直流电源转换电路包括DC/DC1模块、DC/DC2模块、LDO1芯片、LDO2芯片以及LDO3芯片；
DC/DC1模块对外部5V电压转换后，再经过LDO2芯片稳压获得3.75V的电压输入至单端转差分的运算放大器A1的正供电电压管脚；
DC/DC2模块对外部5V电压转换后，再经过LDO1芯片稳压获得-3V的电压输入至电阻R02的输入端；
DC/DC2模块对外部5V电压转换后，再经过LDO3芯片稳压获得-1.25V的电压输入至单端转差分的运算放大器A1负供电电压管脚。
9.根据权利要求8所述的模块化大动态高带宽模拟信号调理系统，其特征在于：调理系统采用六层板的设计，层间布局依次为信号层、地层、正电源层、负电源层、地层、信号层。
10.根据权利要求9所述的模块化大动态高带宽模拟信号调理系统，其特征在于：还包括电阻R1；所述电阻R1一端接固定衰减T1的输入端，另一端接地。
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