高分辨率采集电路的设计
发布时间：2021-03-02 15:11
集成电路（IC）测试仪作为一种专用测试仪器,需要达到比被测设备（DUT）更高的指标,才有能力对这些芯片进行测试。为了对高速数模转换器（DAC）等集成电路输出的小幅度模拟信号进行观察和测量,就要求有一个高速、高分辨率、高信噪比的采集系统。而目前采用能获取到的模数转换器（ADC）芯片构成的数据采集系统越来越无法满足集成电路测试的需要。本课题也就由此而生,主要利用现有的ADC来构建高速高分辨率的采集电路。本课题通过TIADC（Time-interleaved ADC,时间交替模数转换）技术来提高模数转换电路的采样率,对电路中的噪声进行了分析,研究了数字后处理方式对提高采集波形质量的影响,并对其进行了测试验证。本文的主要研究内容包括:（1）采集电路总体方案设计。围绕采集电路的硬件系统设计展开研究,介绍了采集电路的各个组成部分,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。并通过噪声模型分析,评估了信号调理通道的噪声水平。同时,对采样时钟的抖动理论进行了论述,采用可调相位延迟的方法,实现低抖动的延时。（3）针...
【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】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TIADC系统采样时钟相位模型
电子科技大学硕士学位论文18212R1K==R+R10（3-16）可以解得，R1=900k，R2=100k。经过多次TINA仿真验证，最终确定在C1=10pf，C2为1-10pF的可调电容，C3=100pf，R3=180Ω，R4=20Ω时，没有出现欠补偿以及过补偿的情况。仿真验证1KHz、4VPP方波分压后的结果如图3-4所示。（a）（b）图3-4高阻分压网络补偿和噪声响应.（a）无源衰减网络完全补偿响应；（b）无源衰减网络噪声与频率关系从图3-4（a）可以看出在这种情况下，衰减网络不存在过冲和上升缓慢的情况。从图3-4（b）可知，在150M带宽的情况下，该级电路的噪声仅为e1=9.3uV。以上就是低频输入时的高阻无源衰减电路设计过程。而在射频电路中，为了避免信号反射造成的信号完整性问题，通常将信号的输入阻抗设置为50Ω，在PCB布板时，也对走线做50Ω特征阻抗匹配。50Ω阻抗衰减电路一般常用π型衰减电路[13]。其原理如图3-5所示。RsR2R3R1RL信号源衰减网络负载图3-550Ω阻抗衰减网络该电路应该保证在信号经过衰减网络时，对于负载RL来说的输入阻抗Ri即源阻抗Rs和衰减网络并联的阻抗，对于信号源阻抗Rs来说的输出阻抗Ro即负载阻抗RL和衰减网络并联的阻抗，Ri和Ro这两个阻抗应该一致。而且在不经过衰减网络时，源阻抗Rs和负载阻抗RL匹配，那么就有：312S213R((R//RL+R)//R)=((R//R+R)//R)=Z（3-17）
第三章系统硬件电路和软件设计19SRRL=R=Z=50（3-18）其中ZR为电路特征阻抗，一般为50Ω。该电路的衰减倍数K就为：3131R//R//LLRKRR=+（3-19）可以看出，源端和负载端电路两端是对称的，因此取R2=R3，在此基础上联立式（3-17）、（3-19），计算得R1、R2、R3为：2R1Z(-1)=2KRK（3-20）R23Z(+1)==-1KRRK（3-21）这里设计的衰减倍数K=10，代入式（3-20）、（3-21）可得，R1≈247Ω，R2=R3≈61Ω。在TINA中仿真验证输入为1kHz、1VPP的方波时，无源衰减网络响应如图3-6所示。（a）（b）图3-650欧匹配分压网络补偿和噪声响应。（a）无源衰减网络完全补偿响应；（b）无源衰减网络噪声与频率关系可以看出，衰减网络将信号衰减到100mVPP，正好衰减了10倍，且完全补偿。而此时的噪声为e1=6.62uV。通道输入很大幅度的信号时，无源衰减网络能够承受的最大电压值要远远高于有源器件，因此要把无源衰减网络放在所有有源器件的前一级。这级电路的噪声主要来自于电阻热噪声，而根据电阻具体在电路中的位置，电阻热噪声有时体现为电压噪声，有时体现为电流噪声。其等效模型如图3-7所示。电阻热噪声由温度、电阻阻值及通过的信号频率决定，如图3-7（a）所示的电阻热噪声电压有效值[14]Erms可表示为：Erms=4kTRBw（3-22）
【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]RMII模式以太网PHY芯片DP83848C的应用[J]. 宋鑫,郭勇,谢兴红. 单片机与嵌入式系统应用. 2010(08)
[3]四参数正弦波曲线拟合的快速算法[J]. 梁志国,张大治,孙璟宇,李新良. 计测技术. 2006(01)
[4]并行ADC采集系统的时间误差测量与校正[J]. 刘进军,吕幼新,王洪. 电子科技大学学报. 2005(06)
[5]关于冲激函数导数的两个性质[J]. 王东平,程从菊. 电气电子教学学报. 2001(02)
[6]一种超高速频分多路数据采样方法[J]. 安建平,沈毅龙. 北京理工大学学报. 1999(06)
硕士论文
[1]5GHz示波器模拟通道研究与设计[D]. 张伟.电子科技大学 2019
[2]VXI高速示波器模块数字系统设计[D]. 袁熹彬.电子科技大学 2019
[3]高精度示波器模块硬件电路设计[D]. 肖双满.电子科技大学 2019
[4]高精度LXI数字化仪硬件设计与实现[D]. 孔德桥.电子科技大学 2019
[5]基于以太网接口的信号采集系统设计[D]. 王程.南京大学 2018
[6]5GSPS手持式隔离通道示波表硬件设计[D]. 明瑞渊.电子科技大学 2018
[7]基于时间交替的高速采集技术研究与实现[D]. 骈洋.中北大学 2017
[8]高分辨率示波器数据采集与处理模块设计[D]. 孔祥伟.电子科技大学 2017
[9]基于光延迟光模数转换技术研究[D]. 朱润铭.电子科技大学 2016
[10]TIADC系统时钟失配误差校正算法研究[D]. 邱蓉.北京化工大学 2015
本文编号：3059481
【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】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TIADC系统采样时钟相位模型
电子科技大学硕士学位论文18212R1K==R+R10（3-16）可以解得，R1=900k，R2=100k。经过多次TINA仿真验证，最终确定在C1=10pf，C2为1-10pF的可调电容，C3=100pf，R3=180Ω，R4=20Ω时，没有出现欠补偿以及过补偿的情况。仿真验证1KHz、4VPP方波分压后的结果如图3-4所示。（a）（b）图3-4高阻分压网络补偿和噪声响应.（a）无源衰减网络完全补偿响应；（b）无源衰减网络噪声与频率关系从图3-4（a）可以看出在这种情况下，衰减网络不存在过冲和上升缓慢的情况。从图3-4（b）可知，在150M带宽的情况下，该级电路的噪声仅为e1=9.3uV。以上就是低频输入时的高阻无源衰减电路设计过程。而在射频电路中，为了避免信号反射造成的信号完整性问题，通常将信号的输入阻抗设置为50Ω，在PCB布板时，也对走线做50Ω特征阻抗匹配。50Ω阻抗衰减电路一般常用π型衰减电路[13]。其原理如图3-5所示。RsR2R3R1RL信号源衰减网络负载图3-550Ω阻抗衰减网络该电路应该保证在信号经过衰减网络时，对于负载RL来说的输入阻抗Ri即源阻抗Rs和衰减网络并联的阻抗，对于信号源阻抗Rs来说的输出阻抗Ro即负载阻抗RL和衰减网络并联的阻抗，Ri和Ro这两个阻抗应该一致。而且在不经过衰减网络时，源阻抗Rs和负载阻抗RL匹配，那么就有：312S213R((R//RL+R)//R)=((R//R+R)//R)=Z（3-17）
第三章系统硬件电路和软件设计19SRRL=R=Z=50（3-18）其中ZR为电路特征阻抗，一般为50Ω。该电路的衰减倍数K就为：3131R//R//LLRKRR=+（3-19）可以看出，源端和负载端电路两端是对称的，因此取R2=R3，在此基础上联立式（3-17）、（3-19），计算得R1、R2、R3为：2R1Z(-1)=2KRK（3-20）R23Z(+1)==-1KRRK（3-21）这里设计的衰减倍数K=10，代入式（3-20）、（3-21）可得，R1≈247Ω，R2=R3≈61Ω。在TINA中仿真验证输入为1kHz、1VPP的方波时，无源衰减网络响应如图3-6所示。（a）（b）图3-650欧匹配分压网络补偿和噪声响应。（a）无源衰减网络完全补偿响应；（b）无源衰减网络噪声与频率关系可以看出，衰减网络将信号衰减到100mVPP，正好衰减了10倍，且完全补偿。而此时的噪声为e1=6.62uV。通道输入很大幅度的信号时，无源衰减网络能够承受的最大电压值要远远高于有源器件，因此要把无源衰减网络放在所有有源器件的前一级。这级电路的噪声主要来自于电阻热噪声，而根据电阻具体在电路中的位置，电阻热噪声有时体现为电压噪声，有时体现为电流噪声。其等效模型如图3-7所示。电阻热噪声由温度、电阻阻值及通过的信号频率决定，如图3-7（a）所示的电阻热噪声电压有效值[14]Erms可表示为：Erms=4kTRBw（3-22）
【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]RMII模式以太网PHY芯片DP83848C的应用[J]. 宋鑫,郭勇,谢兴红. 单片机与嵌入式系统应用. 2010(08)
[3]四参数正弦波曲线拟合的快速算法[J]. 梁志国,张大治,孙璟宇,李新良. 计测技术. 2006(01)
[4]并行ADC采集系统的时间误差测量与校正[J]. 刘进军,吕幼新,王洪. 电子科技大学学报. 2005(06)
[5]关于冲激函数导数的两个性质[J]. 王东平,程从菊. 电气电子教学学报. 2001(02)
[6]一种超高速频分多路数据采样方法[J]. 安建平,沈毅龙. 北京理工大学学报. 1999(06)
硕士论文
[1]5GHz示波器模拟通道研究与设计[D]. 张伟.电子科技大学 2019
[2]VXI高速示波器模块数字系统设计[D]. 袁熹彬.电子科技大学 2019
[3]高精度示波器模块硬件电路设计[D]. 肖双满.电子科技大学 2019
[4]高精度LXI数字化仪硬件设计与实现[D]. 孔德桥.电子科技大学 2019
[5]基于以太网接口的信号采集系统设计[D]. 王程.南京大学 2018
[6]5GSPS手持式隔离通道示波表硬件设计[D]. 明瑞渊.电子科技大学 2018
[7]基于时间交替的高速采集技术研究与实现[D]. 骈洋.中北大学 2017
[8]高分辨率示波器数据采集与处理模块设计[D]. 孔祥伟.电子科技大学 2017
[9]基于光延迟光模数转换技术研究[D]. 朱润铭.电子科技大学 2016
[10]TIADC系统时钟失配误差校正算法研究[D]. 邱蓉.北京化工大学 2015
本文编号：3059481
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