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1电子科技大学实验指导书基于AD9481的高速数据采集系统实验一——信号调理通道原理实验一．实验目的1了解数据采集的基本结构原理，包括模拟信号调理电路、模数转换电路、数据缓冲与存储电路、数据处理与显示、通信接口等；2学习基本的数据采集平台搭建、熟悉测试实验平台的操作；3学习触发通道基本原理，加深对数据采集系统中触发功能的理解。4理解信号调理电路的工作原理，包括衰减电路、放大电路、偏移调节电路。二．实验任务1在测控技术及嵌入式系统平台上，按照信号链路，学习了解实验系统各个模块的功能，包括模拟信号调理模块，ADC采集模块、处理及显示模块、电源模块、数字万用表模块等。2搭建电路模块并确认采集平台正常工作，实现波形的正确采集及显示。3信号调理功能实验，掌握模拟通道对信号衰减、放大作用的原理；设置信号源发出频率、幅度固定的交流电压信号，并输入到模拟通道，分别调节采集系统的幅度档位，观察并记录测量结果表。三．实验设备1信号源普源精电DG4162一台/EE1462；2测控技术及嵌入式实验平台PG1000一台。2四．实验原理1实验平台模块简介粗率减÷20阻抗变换可变增益放大器带宽控制偏置调节缓冲驱动位移调整去触发通道输入粗率减÷20阻抗变换可变增益放大器带宽控制偏置调节缓冲驱动位移调整去触发通道输入外触发通道1信号通道2信号交流信号模拟多路选择器高速比较器LVDS/PECL输出耦合控制比较电平缓冲驱动ADCADCFPGA采样时钟触发脉冲DSPRS232USBSDRAMFLASH键盘接口显示接口扩展接口电源模块液晶屏DMM模块键盘信号调理模拟通道采集模块处理模块图1测试技术与嵌入式系统综合测试实践平台本实验平台结构框图如图1所示，输入信号首先经过信号调理模拟通道，进行适当的放大或衰减，调理至ADC的输入范围后送到采集模块；采集模块将模拟的信号进行数字量化，转换成8bit的数据流送至FPGA进行缓冲存储，其中FPGA为ADC提供250MHz的采样时钟，FPGA内部实现触发功能、高速数据的接收和缓冲，并与处理模块实现接口互连，将量化的二进制数据送至处理模块；处理模块包括DSP、SDRAM、FLASH存储器、异步串行接口、USB接口、键盘接口、显示接口等，将转换的二进制数据进行处理并送LCD显示；另外，本实验平台包括一DMM模块，和处理板相连接，能够实现数字万用表的电压测量、电阻测量、二极管测量、电容测量等。3图2测试技术与嵌入式系统综合测试实践平台实物照片2信号调理模拟通道通常ADC的输入范围为1Vpp或者500mVpp等，较为有限，如何测量幅度超过ADC输入范围的信号？又如何测量幅度只有几个mVpp或者uVpp量级的信号呢？这就需要信号调理通道。信号调理通道，在ADC输入端口之前将输入信号调理至适合ADC量化采集的电压范围之内，对大的信号按一定比例进行衰减，对小的信号按一定比例放大。粗率减÷20阻抗变换可变增益放大器带宽控制偏置调节缓冲驱动驱动ADC位移调整去触发通道输入图3信号调理通道结构功能示意图信号调理通道结构示意如图3所示，输入信号经过粗衰减或直通、阻抗变换、4可变增益放大器、带宽控制、缓冲驱动后送至ADC。2.1衰减网络电路原理无源衰减网络的作用是对幅度较大的信号进行衰减，达到基本满足ADC输入范围的要求。其原理如下图所示，大概是一个20倍的衰减。图4无源衰减网络工作原理图2.2压控可变增益放大器（VGA）AD8337是美国AD(AnalogDevicesINC)公司推出的一种高频带宽度、低功耗、采用直流耦合的可变增益放大器该放大器的增益均可以分贝为单位线性变化，其频率可达100MHz；带宽(-3dB)可达250MHzAD8337采用AD公司先进的专利电路技术和X-AMP结构，因而具有优异的增益控制特性，其增益控制范围为0～24dB，同时，增益控制接口还可提供20dB／V的精确线性控制率(1)AD8337的主要特点AD8337可广泛应用于工业和仪表领域，和同类竞争方案相比，其速度快50％，尺寸小30％。AD8337的VGA能提供极好的直流(DC)和交流(AC)电性能。5其优秀的直流和高速特性使AD8337VGA特别适合于大范围high-channel-count工业和仪器应用，譬如PET(positronemis-siontomography)医疗影像、工业超音波、RF(射频)测试仪器、和高性能AGC(自动增益控制)系统主要特点如下：◇低噪声：2.2nV／rtHz；◇低功耗：78mW；◇器件的频带宽度范围可从低频到250MHz(-3dB)；◇额定增益范围：0～24dB(前置放大器增益为6dB)；◇增益控制率：20dB／V；◇直流耦合；◇单端输入和输出；◇电源：+5V，±2.5V或±5V；◇工作温度：-40℃～+85％；◇3×3毫米8引脚LFCSP(2)引脚说明AD8337的引脚排列如图1所示，各引脚的功能说明见表1所列图5AD8337关键封装视图(3)结构原理AD8337的原理电路结构如图6所示。该芯片主要由前置放大器、衰减器、偏置单元、内插器、增益控制接口和输出放大器等部分组成。AD8337可以采用双电源供电和单电源供电两种形式，并可由偏置单元来完成。电源可为+5V，±2.5V或±5V。6图6AD8337功能结构框图AD8337的输入级是一个电流反馈前置放大器，可用来缓冲X-AMP的阶梯网络。前置放大器的电压放大倍数可以通过外部电阻来设置，其给定设置是采用R1=R2=100Ω构成的同相放大器，放大倍数为2(即6dB)。设计时通过外部电阻的不同配置，前置放大器的放大倍数也可被设置为大于2的其它值。紧跟前置放大器的是衰减器，该电阻网络由每级衰减量为3.01dB的8级衰减网络组成，总的衰减范围是24.08dB，每级梯形网络以固定的分贝数衰减输人信号。衰减器后边是固定增益输出放大器(18.06dB)。由于前置放大器的放大倍数可以通过外部电阻进行设置，所以AD8337的增益可根据前置放大的不同便放大倍数发生一些变化，范围为0～+24dB。图7AD8337增益（Gain）与增益控制电压（Vgain）关系7五．实验内容1信号调理通道无源衰减/放大实验信号调理通道幅度档位（垂直灵敏度）分为两类：衰减档/放大档,在衰减档模式下（对应垂直灵敏度500mV/div~5V/div），首先是对信号做20倍的衰减，然后在送入后级电路。对于相同幅度的信号，由于衰减档位进行了较大衰减，送至ADC后信号幅度小于放大档位时候对应的幅度，在显示屏中可以明显看到。输入3Vpp，10KHz的方波信号，在不同幅度档位下，观察显示的波形幅度（格数），显示的波形格数代表了输入到ADC的信号大小（显示格数与ADC量化成正比关系），并完成下表。表1信号调理通道功能实验记录表输入信号幅度（Vpp）幅度档位类型幅度档位测量显示幅度（div）3Vpp衰减档5V/div0.72V/div1.61V/div3.4500mV/div7.6放大档200mV/div溢出100mV/div溢出2压控可变增益放大器实验由于垂直灵敏度档位较多，不同档位对应不同的增益，这里就需要可变增益放大器来调节实现，这里采用了压控增益放大器AD8337来实现。简单的说，不同的灵敏度档位，对应的压控电压不同。其中增益控制电压可以通过DMM测量图8中所示的测试点（红圈1所示的贴片电阻焊盘）。812图8信号调理电路实物照片输入500mVpp，1KHz的方波信号，在不同幅度档位下，显示的相对幅度不同，记录下表。表2压控增益放大器实验记录表幅度档位增益控制电压（Vgain）测量显示幅度（div）200mV/div8413.2100mV/div8376.250mV/div826溢出…3偏移调节电路实验为了实现对波形的上下移位，需要给输入信号调节叠加直流偏置电压，在此实验平台中，处理器通过控制数模转换器（DAC）产生直流可调电压，送至缓冲电路，如下图所示）。9图9偏置调节电路原理去除外部输入信号，调节位移旋钮，用数字万用表测量偏置调节电压V_offset（图8红圈2）可观察随着屏幕基线的上下移动，电压在发生变换。4思考题1.通常模数转换器ADC为单电源供电器件，只能对单极性信号进行量化，如何用ADC进行双极性（正负）信号的量化？2.下图中Vi为输入信号，Vadj为直流偏置调节输入电压，请给出Vo与Vi、Vadj的关系式？+-R2VadjR1ViR3R4R5Vo六预习要求阅读实验指导书，了解实验要求，学习仪器使用，着重了典型数据采集系统的组成原理。七．实验报告要求完成实验内容，整理实验结果并做记录。填写实验表格，给出测量结论。