高精度示波器模块硬件电路设计
发布时间：2021-03-29 05:33
示波器作为工程师不可或缺的重要工具,其最基本的原理是将被测信号波形可视化,使用户直接获取信号的幅度与时间特性曲线。伴随着电路系统不断复杂化,电路各项指标要求越来越苛刻,用户对信号波形细节越来越关心。这必然要求示波器具有更高的垂直分辨率以及足够的测量精度。传统基于8位模数转换器的示波器本身受到量化噪声和硬件本底噪声的影响,即使通过数据处理方式提高测量分辨率,使用时也存在很大局限性,很难实现真正意义上的高精度测量。因此,从硬件角度入手,通过提高信号调理通道的信噪比水平以及提高采集电路输出数据有效位数是高精度示波器技术研究的关键所在。本课题主要从提高信号调理通道信噪比和提高采集电路有效位数两方面着手设计了高精度示波器模块的硬件电路,底噪仅有0.1%满量程的高精度示波器具有出色的精确测量性能。本课题的研究内容主要包括以下几个部分:1)高精度示波器模块信号调理通道及采集电路噪声分析:分别建立了电阻热噪声模型和集成运放的等效输入噪声模型,并在此基础上建立了运算放大电路等效输入噪声模型;推导了基本运算放大电路的噪声计算方法;研究了采集电路与信号调理电路噪声分配关系,并根据系统总体噪声指标要求,对采集...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
噪声示意图
益放大器属于数字控制器件，具有较好的线性性及抗干扰能力，增益非常稳定，控制方式简单，使用方便。但是数控增益放大器的增益调节步进较大，无法实现小范围增益调节。由 2.5.2 节分析知本课题需求的可变增益放大器增益范围为 0~28dB，带宽要求为 90MHz，响应平坦度为-1dB（50Ω 输入阻抗）和-2dB（1MΩ 输入阻抗），电路输出噪声有效值小于 300uV。根据上述指标要求，经过综合对比，本课题最终选用 VCA824 作为可控增益放大电路。对于可控增益放大器的选择以及外围电路的设计主要包括了以下几方面：（1）带宽为确保多级放大器级联后的示波器信号调理通道仍然具有较好的幅频响应平坦度，在选择运放时希望运放带宽越宽越好，电路带宽范围内的信号衰减越小越好。VCA824 是一款最大增益可配置的压控放大器，通过器件外围的增益电阻 RG和反馈电阻 RF可以将 VCA824 最大增益配置为 40dB。但是由于放大器增益与带宽不可同时满足，为发挥放大器最佳性能，通常需要在满足增益的情况下尽量提高其带宽指标。图3-7是VCA824最大增益分别为2dB和40dB时的频率响应曲线。
图 3-16ADA4817 输出阻抗特性曲线17 输出阻抗特性曲线，在小于 1MHz 的低频段接近零。但是随着输入信号频率提高，其输出状态下，其输出阻抗大约为 1.3Ω。综上分析，频率变化的阻抗几乎不影响电路性能。第二章信号调理电路方案设计及指标分配、噪动电路、固定增益放大电路、可变增益放大电路路。最后结合第二章运算放大电路噪声计算方噪声水平。根据级联噪声放大器噪声计算方法2.87mV。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于数字锁相放大器测量电阻热噪声[J]. 贾莲莲,贺子芸,曾迪昂,王自鑫,蔡志岗. 物理实验. 2018(12)
[2]低频电阻电流噪声测试技术的发展和应用[J]. 雷军,陈毓彬. 电子产品可靠性与环境试验. 2018(04)
[3]全新示波器提供优秀的信号查看能力,起价9430元[J]. 国外电子测量技术. 2016(08)
[4]电子电路噪声和抑制噪声方法[J]. 张秀文. 电子制作. 2016(10)
[5]噪声对高速ADC的动态性能影响分析[J]. 张智慧,荆学东,丁虎. 船舶工程. 2015(03)
[6]力科发布具有更多通道,更高精度,更高带宽的示波器[J]. 崔建平. 电子测量与仪器学报. 2014(06)
[7]12位高分辨率示波器满足小信号测试需求[J]. 张慧娟. 电子设计技术. 2012(12)
[8]一种基于模块化仪器的轴角转换器自动测试系统[J]. 寇志强,张永浩. 电子质量. 2012(07)
[9]数字转换器噪声对示波器测量的影响[J]. Jit Lim. 电子设计技术. 2011(07)
[10]电子系统中的干扰噪声及其抑制措施[J]. 雍明远,何晓文,杨玉丽. 科技信息. 2011(19)
博士论文
[1]电子元器件低频电噪声测试技术及应用研究[D]. 陈文豪.西安电子科技大学 2012
[2]高速电路电源分配网络设计与电源完整性分析[D]. 张木水.西安电子科技大学 2009
[3]低噪声放大器模块化分析与设计的等效噪声模型法的研究[D]. 王军.电子科技大学 1999
硕士论文
[1]20GSPS数字示波器的数据采集模块硬件设计[D]. 孙凯.电子科技大学 2018
[2]1GHz宽带低噪声模拟通道研究与设计[D]. 曾红林.电子科技大学 2017
[3]2.5GSPS高分辨率数据采集系统时钟电路设计[D]. 周宇轩.电子科技大学 2016
[4]小数分频锁相环的设计[D]. 王子珺.北京理工大学 2014
[5]锁相环中鉴相器和环路滤波器的设计[D]. 刘颖.西安电子科技大学 2013
[6]锁相环环路滤波器对输出信号相位噪声的影响[D]. 沈晓唯.上海交通大学 2009
本文编号：3107002
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
噪声示意图
益放大器属于数字控制器件，具有较好的线性性及抗干扰能力，增益非常稳定，控制方式简单，使用方便。但是数控增益放大器的增益调节步进较大，无法实现小范围增益调节。由 2.5.2 节分析知本课题需求的可变增益放大器增益范围为 0~28dB，带宽要求为 90MHz，响应平坦度为-1dB（50Ω 输入阻抗）和-2dB（1MΩ 输入阻抗），电路输出噪声有效值小于 300uV。根据上述指标要求，经过综合对比，本课题最终选用 VCA824 作为可控增益放大电路。对于可控增益放大器的选择以及外围电路的设计主要包括了以下几方面：（1）带宽为确保多级放大器级联后的示波器信号调理通道仍然具有较好的幅频响应平坦度，在选择运放时希望运放带宽越宽越好，电路带宽范围内的信号衰减越小越好。VCA824 是一款最大增益可配置的压控放大器，通过器件外围的增益电阻 RG和反馈电阻 RF可以将 VCA824 最大增益配置为 40dB。但是由于放大器增益与带宽不可同时满足，为发挥放大器最佳性能，通常需要在满足增益的情况下尽量提高其带宽指标。图3-7是VCA824最大增益分别为2dB和40dB时的频率响应曲线。
图 3-16ADA4817 输出阻抗特性曲线17 输出阻抗特性曲线，在小于 1MHz 的低频段接近零。但是随着输入信号频率提高，其输出状态下，其输出阻抗大约为 1.3Ω。综上分析，频率变化的阻抗几乎不影响电路性能。第二章信号调理电路方案设计及指标分配、噪动电路、固定增益放大电路、可变增益放大电路路。最后结合第二章运算放大电路噪声计算方噪声水平。根据级联噪声放大器噪声计算方法2.87mV。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于数字锁相放大器测量电阻热噪声[J]. 贾莲莲,贺子芸,曾迪昂,王自鑫,蔡志岗. 物理实验. 2018(12)
[2]低频电阻电流噪声测试技术的发展和应用[J]. 雷军,陈毓彬. 电子产品可靠性与环境试验. 2018(04)
[3]全新示波器提供优秀的信号查看能力,起价9430元[J]. 国外电子测量技术. 2016(08)
[4]电子电路噪声和抑制噪声方法[J]. 张秀文. 电子制作. 2016(10)
[5]噪声对高速ADC的动态性能影响分析[J]. 张智慧,荆学东,丁虎. 船舶工程. 2015(03)
[6]力科发布具有更多通道,更高精度,更高带宽的示波器[J]. 崔建平. 电子测量与仪器学报. 2014(06)
[7]12位高分辨率示波器满足小信号测试需求[J]. 张慧娟. 电子设计技术. 2012(12)
[8]一种基于模块化仪器的轴角转换器自动测试系统[J]. 寇志强,张永浩. 电子质量. 2012(07)
[9]数字转换器噪声对示波器测量的影响[J]. Jit Lim. 电子设计技术. 2011(07)
[10]电子系统中的干扰噪声及其抑制措施[J]. 雍明远,何晓文,杨玉丽. 科技信息. 2011(19)
博士论文
[1]电子元器件低频电噪声测试技术及应用研究[D]. 陈文豪.西安电子科技大学 2012
[2]高速电路电源分配网络设计与电源完整性分析[D]. 张木水.西安电子科技大学 2009
[3]低噪声放大器模块化分析与设计的等效噪声模型法的研究[D]. 王军.电子科技大学 1999
硕士论文
[1]20GSPS数字示波器的数据采集模块硬件设计[D]. 孙凯.电子科技大学 2018
[2]1GHz宽带低噪声模拟通道研究与设计[D]. 曾红林.电子科技大学 2017
[3]2.5GSPS高分辨率数据采集系统时钟电路设计[D]. 周宇轩.电子科技大学 2016
[4]小数分频锁相环的设计[D]. 王子珺.北京理工大学 2014
[5]锁相环中鉴相器和环路滤波器的设计[D]. 刘颖.西安电子科技大学 2013
[6]锁相环环路滤波器对输出信号相位噪声的影响[D]. 沈晓唯.上海交通大学 2009
本文编号：3107002
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/3107002.html
教材专著
