高精度LXI数字化仪硬件设计与实现

发布时间：2020-08-18 10:34

【摘要】：数字化仪能够将模拟信号数字化,并对采集到的数字信息进行数字信号处理,是时域和频域测试中应用广泛的测试仪器之一。LXI集中了GPIB的易用性、VXI的高性能和小尺寸以及以太网的灵活性和高吞吐能力,便于组建网络化、分布式的自动测试系统。因此研制LXI数字化仪具有重要的现实意义。本课题研究设计的高精度LXI双通道数字化仪达到了100MS/s最大采样率;输入频率为1kHz以下时的系统精度误差为0.03%。适合应用在数字万用表的采样率或示波器的分辨率不能满足测试要求的场合。本课题研究的具体内容如下:(1)数字化仪硬件总体方案。围绕数字化仪的硬件系统设计展开研究,介绍了LXI数字化仪的各个组成部分,说明了关键电路在实现课题指标中起到的重要作用。(2)硬件电路设计与实现。阐述了模拟前端的组成结构,详细分析了一种低噪声的信号调理通道。并通过电路测试和噪声模型分析的方式,评估了信号调理通道的抗干扰性能。同时在建立线性校准模型的基础上分析了偏置误差与增益误差的校准方法,给出了一种双通道多档位的硬件自校准方案。(3)时钟抖动分析与顺序等效采样电路设计。在论述抖动的产生、定义与分类等相关理论的基础上,研究了等效采样中的时钟非均匀性。采用相位延迟的方法,实现了低抖动的延时,给出了一种顺序等效采样在高分辨率采样系统中的应用方案,并提出了通过时间间隔测量进一步减小顺序等效采样时钟非均匀性的方法。通过对各个功能模块的调试和整机系统性能的测试,本课题设计的双通道数字化仪的采样率、模拟带宽以及精度等主要指标基本达到设计要求,其低抖动顺序等效采样方案和硬件自校准方法保证了系统的稳定可靠。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM935.3
【图文】：

示意图,示意图,触发模式,硬件系统

图 2-3 外部模拟触发示意图触发模式有连续采集模式与正常触发模式。在连续采集模式中，硬件系统将屏蔽通道触发功能，数据采集的开始与结束均由软件控制，在软件中止采集前，采样系统都将不断的进行采集，此时硬件系统的实时采样率约为 1.67MS/s。采集过程中 ARM 将采集到的数据暂存在 512MB 内存中，采集结束后再将内存中的数据通过千兆以太网上传到上位机，传送过程中 ARM 将采用千兆以太网中的 DMA 传输模式。正常触发模式在触发事件到来后开始采集工作，当满足触发条件的信号不断出现的时候，硬件系统不断进行数据采集；没有满足触发条件的时候软件仍然显示上次触发的信号波形。此时硬件系统可通过软件配置为 1.67MS/s 实时采样率和100MS/s 等效采样率。该模式下 FPGA 将获得的数据暂存在异步 FIFO 中，再将数据传输到上位机定义的缓冲区中。软件可以设置硬件进行两通道同步采集模式或者单通道采集模式。两个触发通道使用的同一触发电平，这使得数字化仪两通道采集时触发事件可以是同步的。

关系图,增益误差,频率,关系图

电子科技大学硕士学位论文减倍数将随着输入电压幅值的改变而改变，如果其放大倍数根据采集的数据计算输入电压值时将会引入增益误差。其放大倍数线性度的不仅仅是输入幅值，随着模拟输入信号频会发生变化，且这种增益的变化随着输入频率的增加而越来越D603 配置在-10dB 至 30dB 模式时的最大带宽有 90MHz，但时，增益就发生了较为明显的变化，如图 3-1 是 AD603 配置时多个频率下的增益误差与增益电压的关系。压控增益放大外部 DAC 提供，故由 DAC 的输出噪声引起的误差和由 DAC 的误差均会导致放大倍数的非线性。

界面图,输出噪声,驱动放大器,全差分

第三章数字化仪硬件电路设计与实现放大器的输出噪声中包含电压噪声、电流噪声、电阻热噪声和参考源噪声，其中对总噪声贡献最大的是电压噪声，占比均超过 50%，其次就是电阻热噪声，而电流噪声对总噪声的贡献可忽略不计。计算后得到的 ADA4932 信噪比是 80dB；有效位数是 13bits；全功率带宽为 160MHz。

【参考文献】