寬帶阻抗測量儀的設(shè)計(jì)——信號檢測電路設(shè)計(jì)（二）

4.3 AD8302輸出信號調(diào)理電路

該信號調(diào)理電路主要是對AD8302的輸出電壓進(jìn)行有源低通濾波處理。有源低通濾波器除了濾除干擾信號外，還起著信號阻抗匹配和信號電流放大的作用。

本系統(tǒng)中使用了六通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364，其輸入阻抗為20，AD8302的輸出電壓范圍在0V~1.8V，由于ADS8364的輸入電流最大要達(dá)到90mA，而AD8302的輸出電流的最大值為8mA，遠(yuǎn)小于90mA，所以不能直接對AD8302的輸出電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，需要加運(yùn)放進(jìn)行電流放大。

本系統(tǒng)采用有源低通濾波器來完成濾波和電流放大，圖4-1中的LP3即為該有源低通濾波器。

LP3有源低通濾波器采用了運(yùn)算放大器AD8532。AD8532為窄帶運(yùn)算放大器，其帶寬為3MHz，可以有效的滿足本系統(tǒng)有源低通濾波器的帶寬要求；AD8532內(nèi)部集成了兩個(gè)運(yùn)算放大單元，使用一片即可構(gòu)成兩個(gè)有源低通濾波器，從而可以對AD8302的兩個(gè)輸出電壓進(jìn)行濾波；AD8532具有高達(dá)±250mA的輸出電流，其后接ADS8364時(shí)，輸出電壓可最大為5V，能夠滿足電流放大的功能要求。

有源濾波器類型的選擇[26]主要考慮使通帶保持平坦，以保證檢波和鑒相的精度。因而使用了巴特沃什型有源濾波器，該巴特沃什有源濾波器的增益為1，具有雙極點(diǎn)，其原型如圖4-9所示。

圖中1為單位電阻，C 1和C 2按照巴特沃什有源濾波器的查找表得：C 1 =1.414，C 2 =0.7071。

對所設(shè)計(jì)的濾波器性能好壞使用頻率特性測試儀實(shí)際觀察，根據(jù)觀察結(jié)果改進(jìn)濾波器，直至滿足要求。首先，由通帶為2KHz，假設(shè)-3dB帶寬為f c =5KHz，選取阻抗標(biāo)度系數(shù)Z=56×10 ³，則圖4-9中的兩個(gè)電阻都為56K，由C1和C2的計(jì)算公式可得其值，見式（4-8）和式（4-9）。

采用以上元件設(shè)計(jì)該有源低通濾波器，使用頻率特性測試儀進(jìn)行功能觀察，發(fā)現(xiàn)2KHz處具有明顯的衰減，故對C1、 C2需要進(jìn)行調(diào)整，考慮到該低通濾波器主要是對較高頻率分量進(jìn)行抑制，且對帶寬的要求不甚嚴(yán)格，為了盡量保持通帶的平穩(wěn)，可放大其一3dB帶寬，最終得該有源低通濾波器如圖4- 10。

該有源濾波器的實(shí)際頻率響應(yīng)特性如下圖4-11所示，其一3dB帶寬為f c =20KHz，0~5KHz波形基本不發(fā)生改變，40KHz時(shí)的衰減可達(dá)56dB。

AD8302經(jīng)過該巴特沃什有源低通濾波器后，信號得到了電流放大和高頻抑制，則可以進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

4.4模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路功能是對含有輸入信號大小、幅度和相位差信息的模擬電壓信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并把數(shù)據(jù)交給后續(xù)電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的選擇需要考慮多個(gè)因素。

首先，對于ADC通道數(shù)的考慮。因要對AD8307的單路輸出電壓和經(jīng)濾波的AD8302雙路輸出電壓進(jìn)行檢測，故在只考慮使用一片ADC器件時(shí)，該ADC的通道數(shù)要不小于3個(gè)，而對于多片ADC不予考慮。

其次，對于ADC位數(shù)的考慮。因設(shè)計(jì)要求相位的分辨率不低于0.1°，增益分辨率不低于1dB，對于AD8302來講，其增益輸出電壓斜率為30mV/dB，相位差輸出電壓斜率為10mV/度，則相位所要求的準(zhǔn)確度更高一些，要求ADC的最小可分辯電壓要低于1mV，對于參考電壓為2.5V的ADC，其位數(shù)要大于13位，而對于參考電壓為5V的ADC，其位數(shù)要大于14位，故采用16位ADC最為合適。

再次，對于ADC速度的考慮。在掃頻時(shí)，單頻點(diǎn)持續(xù)時(shí)間最小為50μs，那么ADC在這50μs的時(shí)間內(nèi)應(yīng)采集到盡量多的數(shù)據(jù)，但考慮到快速的ADC的成本較高，所以在該因素上要顧及到速度和成本兩因素。

本系統(tǒng)中使用了16位ADS8364，內(nèi)部具有相互獨(dú)立的6個(gè)ADC，每個(gè)ADC的轉(zhuǎn)換頻率為250KHz，內(nèi)部有2.5V參考電壓，并有輸出數(shù)據(jù)緩沖，可支持多種工作模式。

ADS8364的參考電壓可以為外部或內(nèi)部，本系統(tǒng)中使用了其內(nèi)部的參考電壓，但要在其REF IN引腳加濾波電容，以盡量減少噪聲干擾。器件的CLK時(shí)鐘信號的范圍在0.05MHz~5MHz，本系統(tǒng)中使用的時(shí)鐘頻率為5MHz。

引腳A 0、A 1、A 2和ADD可用于對ADS8364的工作模式選擇。當(dāng)A 2 A 1 A 0 =000~101時(shí)，表示對ADS8364內(nèi)部的6個(gè)通道分別讀數(shù)，例如A 2 A 1 A 0 =000表示CHA0進(jìn)行讀數(shù)，A 2 A 1 A 0 =001表示CHA1進(jìn)行讀數(shù)；當(dāng)A 2 A 1 A 0 =110表示按照固定順序?qū)DS8364進(jìn)行讀數(shù)，先CHA0和CHA1，再CHB0和CHB1，最后CHC0和CHC1，如此反復(fù)；當(dāng)A 2 A 1 A 0 =111時(shí)，表示對ADS8364采用FIFO方式進(jìn)行讀數(shù)，即先轉(zhuǎn)換的通道先讀取數(shù)據(jù)。而ADD可以控制讀取數(shù)據(jù)時(shí)，是否讀取通道的地址信息，當(dāng)ADD＝1時(shí)，對一個(gè)通道讀數(shù)需要讀兩次，第一次讀到的是該通道的地址，如CHA0的地址為0x8008，CHA1的地址為0x8009……CHC1的地址為0x800D，當(dāng)ADD=0時(shí)沒有地址數(shù)據(jù)，只需要讀一次即可以把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)直接讀出。引腳HOLDA、HOLDB、HOLDC分別控制兩個(gè)ADC模塊單元，本系統(tǒng)中使用A組和B組對AD8302的增益和相位輸出電壓進(jìn)行不同時(shí)刻的循環(huán)采樣，C組對AD8307輸出電壓進(jìn)行采樣。ADS8364的各控制信號之間的時(shí)序關(guān)系如圖4-12所示。

圖4-12中，CLK為ADS8364的時(shí)鐘，頻率為5MHz，HOLDX表示HOLDA、HOLDB、HOLDC信號中的任意一個(gè)，t_w1表示HOLDX低電平有效的最短時(shí)間為30ns；t_w2表示相鄰兩個(gè)HOLDX有效的最短時(shí)間為30ns；t conv表示ADC開始轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備輸出所需要的時(shí)間為4us；EOC信號用于通知外部器件模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取了；CS為片選信號，t_w3表示RD信號保持低電平有效的最短時(shí)間為40ns，CS低電平有效的時(shí)間總是要大于t _w3，t_w4表示連續(xù)讀信號所需保持高電平無效的最短時(shí)間為40ns；BYTE表示對讀取數(shù)據(jù)位數(shù)的選擇，為1輸出8位數(shù)據(jù)，為0輸出16位數(shù)據(jù)。

在本系統(tǒng)中設(shè)定A 2 A 1 A 0 =111，ADD=1，使用FIFO方式讀取通道地址和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；BYTE=0采用16位數(shù)據(jù)的讀取，并使WR為1無效，讀信號RD、片選信號CS來自控制電路，采集完成信號EOC作為握手信號通知控制電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。

增益相位檢測電路在輔助檢波電路的反饋下，對輸入信號和參考信號進(jìn)行信號功率的調(diào)整，使其滿足增益相位檢測器AD8302對輸入信號的要求，并由有源低通濾波器對增益和相位電壓進(jìn)行濾波和電流放大處理后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364，ADS8364把其轉(zhuǎn)換為可被后續(xù)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的數(shù)字量。

4.5相位極性判斷電路

相位極性判斷電路主要是判斷二路輸入信號的超前滯后極性，該電路主要由分頻器MC12080、施密特觸發(fā)器TL714C、D觸發(fā)器SN74LVC74組成。如圖4-13所示。1nF電容起隔直作用。

分頻器MC12080具有四個(gè)分頻系數(shù)，分別是10、20、40、80，由外部信號通過三個(gè)引腳控制，根據(jù)輸入的頻率不同，可以采用不同的分頻系數(shù)，這樣做的目的是便于對輸入信號進(jìn)行整形，因?yàn)檎坞娐返淖罡哳l率只能達(dá)到100MHz，所以先進(jìn)行分頻，使輸入信號頻率降低。

MC12080其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖4-14所示。

工作電壓為+5V電源，最高輸入頻率可達(dá)1GHz，輸出電壓幅度與負(fù)載電阻有關(guān)。因?yàn)樗暮竺娼诱坞娐?，所以整形電路的輸入電阻即是分頻器的負(fù)載電阻，一般整形電路的輸入電阻都比較大，因而在輸出端并聯(lián)一1K的電阻，使其負(fù)載電阻不至于太大，這樣可以保證其輸出電壓擺幅不會過大，本系統(tǒng)取820負(fù)載電阻。本系統(tǒng)用兩片MC12080分別對兩路輸入信號進(jìn)行分頻。由相同的控制信號控制它們的分頻比，所以兩路信號的分頻比總是相同的。

施密特特觸發(fā)器的作用是將分頻后的正弦波整形為方波，本系統(tǒng)用AD公司的高速比較器AD8612，14腳封裝，其內(nèi)部具有兩路獨(dú)立的比較器，所以用一片即可完成兩路信號的整形。其最高輸入頻率達(dá)100MHz，傳輸延遲時(shí)間只有4ns，工作電壓范圍是3V~5V，本系統(tǒng)采用單+5V供電。

D觸發(fā)器是用TI公司的SN74LVC74，14腳封裝，工作電壓范圍為1.65~3.5V，允許5V輸入信號，內(nèi)部有兩個(gè)獨(dú)立的D觸發(fā)器，分別帶有置位和復(fù)位功能引腳，本系統(tǒng)只用一個(gè)觸發(fā)器，如圖4-13所示，一路信號接在時(shí)鐘輸入引腳，另一路接在D輸入引腳，SN74LVC74的時(shí)鐘輸入信號頻率允許達(dá)到100MHz，所以可以與整形電路輸出直接相接。D觸發(fā)器的輸出接到DSP的數(shù)據(jù)線上。