宽带阻抗测量仪的设计——信号检测电路设计（二） 测量仪, 转换器, 滤波器, 最大值, 检测

Bazinga

4.3 AD8302输出信号调理电路
该信号调理电路主要是对AD8302的输出电压进行有源低通滤波处理。有源低通滤波器除了滤除干扰信号外，还起着信号阻抗匹配和信号电流放大的作用。

本系统中使用了六通道的模数转换器ADS8364，其输入阻抗为20，AD8302的输出电压范围在0V~1.8V，由于ADS8364的输入电流最大要达到90mA，而AD8302的输出电流的最大值为8mA，远小于90mA，所以不能直接对AD8302的输出电压进行模数转化，需要加运放进行电流放大。

本系统采用有源低通滤波器来完成滤波和电流放大，图4-1中的LP3即为该有源低通滤波器。

LP3有源低通滤波器采用了运算放大器AD8532。AD8532为窄带运算放大器，其带宽为3MHz，可以有效的满足本系统有源低通滤波器的带宽要求；AD8532内部集成了两个运算放大单元，使用一片即可构成两个有源低通滤波器，从而可以对AD8302的两个输出电压进行滤波；AD8532具有高达±250mA的输出电流，其后接ADS8364时，输出电压可最大为5V，能够满足电流放大的功能要求。

有源滤波器类型的选择[26]主要考虑使通带保持平坦，以保证检波和鉴相的精度。因而使用了巴特沃什型有源滤波器，该巴特沃什有源滤波器的增益为1，具有双极点，其原型如图4-9所示。



图中1为单位电阻，C 1和C 2按照巴特沃什有源滤波器的查找表得：C 1 =1.414，C 2 =0.7071。

对所设计的滤波器性能好坏使用频率特性测试仪实际观察，根据观察结果改进滤波器，直至满足要求。首先，由通带为2KHz，假设-3dB带宽为f c =5KHz，选取阻抗标度系数Z=56×10 3，则图4-9中的两个电阻都为56K，由C1和C2的计算公式可得其值，见式（4-8）和式（4-9）。




采用以上元件设计该有源低通滤波器，使用频率特性测试仪进行功能观察，发现2KHz处具有明显的衰减，故对C1、 C2需要进行调整，考虑到该低通滤波器主要是对较高频率分量进行抑制，且对带宽的要求不甚严格，为了尽量保持通带的平稳，可放大其一3dB带宽，最终得该有源低通滤波器如图4- 10。



该有源滤波器的实际频率响应特性如下图4-11所示，其一3dB带宽为f c =20KHz，0~5KHz波形基本不发生改变，40KHz时的衰减可达56dB。


AD8302经过该巴特沃什有源低通滤波器后，信号得到了电流放大和高频抑制，则可以进行模数转换。

4.4模数转换电路
模数转换电路功能是对含有输入信号大小、幅度和相位差信息的模拟电压信号进行模数转换，并把数据交给后续电路进行数据处理。

模数转换器件的选择需要考虑多个因素。

首先，对于ADC通道数的考虑。因要对AD8307的单路输出电压和经滤波的AD8302双路输出电压进行检测，故在只考虑使用一片ADC器件时，该ADC的通道数要不小于3个，而对于多片ADC不予考虑。

其次，对于ADC位数的考虑。因设计要求相位的分辨率不低于0.1°，增益分辨率不低于1dB，对于AD8302来讲，其增益输出电压斜率为30mV/dB，相位差输出电压斜率为10mV/度，则相位所要求的准确度更高一些，要求ADC的最小可分辩电压要低于1mV，对于参考电压为2.5V的ADC，其位数要大于13位，而对于参考电压为5V的ADC，其位数要大于14位，故采用16位ADC最为合适。

再次，对于ADC速度的考虑。在扫频时，单频点持续时间最小为50μs，那么ADC在这50μs的时间内应采集到尽量多的数据，但考虑到快速的ADC的成本较高，所以在该因素上要顾及到速度和成本两因素。

本系统中使用了16位ADS8364，内部具有相互独立的6个ADC，每个ADC的转换频率为250KHz，内部有2.5V参考电压，并有输出数据缓冲，可支持多种工作模式。
ADS8364的参考电压可以为外部或内部，本系统中使用了其内部的参考电压，但要在其REF IN引脚加滤波电容，以尽量减少噪声干扰。器件的CLK时钟信号的范围在0.05MHz~5MHz，本系统中使用的时钟频率为5MHz。

引脚A 0、A 1、A 2和ADD可用于对ADS8364的工作模式选择。当A 2 A 1 A 0 =000~101时，表示对ADS8364内部的6个通道分别读数，例如A 2 A 1 A 0 =000表示CHA0进行读数，A 2 A 1 A 0 =001表示CHA1进行读数；当A 2 A 1 A 0 =110表示按照固定顺序对ADS8364进行读数，先CHA0和CHA1，再CHB0和CHB1，最后CHC0和CHC1，如此反复；当A 2 A 1 A 0 =111时，表示对ADS8364采用FIFO方式进行读数，即先转换的通道先读取数据。而ADD可以控制读取数据时，是否读取通道的地址信息，当ADD＝1时，对一个通道读数需要读两次，第一次读到的是该通道的地址，如CHA0的地址为0x8008，CHA1的地址为0x8009……CHC1的地址为0x800D，当ADD=0时没有地址数据，只需要读一次即可以把转换数据直接读出。引脚HOLDA、HOLDB、HOLDC分别控制两个ADC模块单元，本系统中使用A组和B组对AD8302的增益和相位输出电压进行不同时刻的循环采样，C组对AD8307输出电压进行采样。ADS8364的各控制信号之间的时序关系如图4-12所示。



图4-12中，CLK为ADS8364的时钟，频率为5MHz，HOLDX表示HOLDA、HOLDB、HOLDC信号中的任意一个，tw1表示HOLDX低电平有效的最短时间为30ns；tw2表示相邻两个HOLDX有效的最短时间为30ns；t conv表示ADC开始转换到数据准备输出所需要的时间为4us；EOC信号用于通知外部器件模数转换结束，可以进行数据读取了；CS为片选信号，tw3表示RD信号保持低电平有效的最短时间为40ns，CS低电平有效的时间总是要大于tw3，tw4表示连续读信号所需保持高电平无效的最短时间为40ns；BYTE表示对读取数据位数的选择，为1输出8位数据，为0输出16位数据。

在本系统中设定A 2 A 1 A 0 =111，ADD=1，使用FIFO方式读取通道地址和转换数据；BYTE=0采用16位数据的读取，并使WR为1无效，读信号RD、片选信号CS来自控制电路，采集完成信号EOC作为握手信号通知控制电路进行数据的采集。

增益相位检测电路在辅助检波电路的反馈下，对输入信号和参考信号进行信号功率的调整，使其满足增益相位检测器AD8302对输入信号的要求，并由有源低通滤波器对增益和相位电压进行滤波和电流放大处理后送到模数转换器ADS8364，ADS8364把其转换为可被后续电路进行实时处理的数字量。

4.5相位极性判断电路
相位极性判断电路主要是判断二路输入信号的超前滞后极性，该电路主要由分频器MC12080、施密特触发器TL714C、D触发器SN74LVC74组成。如图4-13所示。1nF电容起隔直作用。




分频器MC12080具有四个分频系数，分别是10、20、40、80，由外部信号通过三个引脚控制，根据输入的频率不同，可以采用不同的分频系数，这样做的目的是便于对输入信号进行整形，因为整形电路的最高频率只能达到100MHz，所以先进行分频，使输入信号频率降低。

MC12080其内部逻辑结构图如图4-14所示。


工作电压为+5V电源，最高输入频率可达1GHz，输出电压幅度与负载电阻有关。因为它的后面接整形电路，所以整形电路的输入电阻即是分频器的负载电阻，一般整形电路的输入电阻都比较大，因而在输出端并联一1K的电阻，使其负载电阻不至于太大，这样可以保证其输出电压摆幅不会过大，本系统取820负载电阻。本系统用两片MC12080分别对两路输入信号进行分频。由相同的控制信号控制它们的分频比，所以两路信号的分频比总是相同的。

施密特特触发器的作用是将分频后的正弦波整形为方波，本系统用AD公司的高速比较器AD8612，14脚封装，其内部具有两路独立的比较器，所以用一片即可完成两路信号的整形。其最高输入频率达100MHz，传输延迟时间只有4ns，工作电压范围是3V~5V，本系统采用单+5V供电。

D触发器是用TI公司的SN74LVC74，14脚封装，工作电压范围为1.65~3.5V，允许5V输入信号，内部有两个独立的D触发器，分别带有置位和复位功能引脚，本系统只用一个触发器，如图4-13所示，一路信号接在时钟输入引脚，另一路接在D输入引脚，SN74LVC74的时钟输入信号频率允许达到100MHz，所以可以与整形电路输出直接相接。D触发器的输出接到DSP的数据线上。