一种大动态高带宽模块化的信号调理电路设计

陈彦丽, 罗通顶, 田 耕, 阮林波, 王 晶

(西北核技术研究所， 西安 710024)

在强脉冲辐射测量中，为获得辐射源的物理信息，需尽可能精确记录探测器输出的直流信号波形，用于推断脉冲射线和脉冲射线源的特征及参数[1]。随着材料技术的发展，脉冲辐射探测器输出的信号前沿越来越快，为精确获取探测器输出的大动态范围的单次超快脉冲信号波形，需在近端采用超高速数据采集系统，记录不同能量区域的信号波形，在有限时间内将采集到的数据传输出去并存储下来，进行分析处理。脉冲辐射探测器输出的信号动态范围大、信号前沿快及有直流偏置，因此对超高速数据采集系统的前端模拟信号调理电路(signal conditioning circuit， SCC)设计提出了较高要求。本文以电路结构简单、带宽合适够用为原则，设计了线性范围为±10 V、模拟带宽为500 MHz的SCC。与之前的SCC[1-3]相比，本文简化了电路设计，更有针对性。本文设计的SCC已应用于脉冲辐射场4 GHz超高速数据采集传输系统中。

1 4 GHz超高速数据采集系统介绍

测量强脉冲辐射的4 GHz超高速数据采集系统实物如图1所示。该系统采用机箱式架构，由8个数据采集模块、背板和电源模块组成。

图2为单路超高速数据采集系统组成示意图。由图2可见，数据采集模块由模拟信号调理电路、模数转换器(analog to digital converter， ADC)驱动采集电路和数据存储传输及控制单元等组成。SCC是连接探测器和数据采集传输系统的桥梁，关系到整个系统的指标，直接决定了系统的下限水平，通常用于对模拟信号进行幅度和偏置调节、带宽设置及阻抗匹配等[4-5]，以满足后端数字化系统的输入要求。

2 SCC设计原理

在脉冲辐射场诊断中，脉冲辐射探测器输出的直流脉冲信号上升沿快，动态范围大，约100 dB[1]，要求SCC可调节偏置，有较高的模拟带宽，可衰减大幅度的信号，能对后端ADC芯片进行过压保护。同时，为满足ADC芯片的输入要求，SCC要具备阻抗匹配、单端转差分和抗混叠滤波的功能。

由于信号过大容易损坏昂贵的高速ADC芯片，因此，提出了一种模块化设计，将前端模拟电路设计成1个单独的模块，与后端ADC电路隔开，便于更换和升级，节省成本和研发周期。模块化的设计需有共模电压产生电路，为单端转差分提供共模电压。SCC设计原理如图3所示。

由图3可见，SCC主要由衰减电路、过压保护、ADC驱动电路、偏置调节、共模电压产生电路、抗混叠滤波电路和直流电源转换电路等组成。SCC的设计要求为：(1)输入信号范围为±10 V；(2)模拟带宽超过300 MHz；(3)偏置调节范围为-3 ～ +5V；(4)差分信号输出共模电压为1.25 V；(5)噪声水平尽可能低。

为设备小型化和便于试验现场调节，衰减电路采用了固定衰减和可变衰减相结合的方式。信号幅度由集成固定衰减芯片T1进行粗调，由R2、R3和R4组成的π型网络进行细调，不同调理电路分别设置不同的衰减系数。±5 V过压保护电路由快速恢复肖特基二极管MMBD352WT1G(D1)实现。偏置调节电路通过高速缓冲芯片LMH6559(A2)和电阻R01，R02实现，调节电压范围为-3 V～+5 V。为降低噪声，选用了标准电源基准芯片REF3212产生1.25 V共模电压。二阶RLC有源抗混叠滤波电路由R12，R13，C4，L1，L2，R14和R15构成，用于降低带宽，提高输出信号的信噪比，防止频谱混叠。为最大简化电路，ADC驱动电路由1个高带宽的单端转差分运算放大器LMH5401(A1)和匹配平衡电阻R5，R6，R8，R9，R10，R11组成，C1，C2用来稳定放大器输出。为抑制共模信号，降低谐波，提高ADC芯片输出信号的性能指标，SCC输出的差分信号要有较好的线性、对称性和平衡性，因此需选择低噪声、低温漂及高精度的电阻[6-7]。本文单端转差分电路的各参数可由式(1)-式(4)[8]精确计算得到，表示为

(1)

(2)

RG1+RT//RS=RG2

(3)

(4)

首先选定RF值(R10，R11)和电路增益Av，然后根据式(1)-式(4)计算出RT(R5和R6)和RG1(R8，R9)。其中，RS为输入端阻抗，一般选为50 Ω。

图4为图3中直流电源转换电路示意图。由图4可见，直流电源转换电路由2个低噪声高转换效率的DC/DC模块(PTH0808W和PTN04050A)和3个低纹波低噪声的LDO芯片(TPS7A3301和PTN04050A)组成，可将5 V电压源转换为3.75，-1.25，-3 V 3种电压源，为单端转差分的运放和偏置调节电路提供电压。5 V电源的输入端安装了贴片式保险丝，用来保护电路防止过流。

在设计印制电路板(printed circuit board, PCB)时，布板采用6层板设计，层间布局依次为信号层、地层、正电源层、负电源层、地层和信号层，器件放置在顶层。这样的设计提供了完整的地平面，使信号线的回流最近，简化了顶层电路设计，极大地降低了系统噪声。PCB走线、过孔和电路布局等均采用对称设计，使用小封装表贴元器件，减少了寄生参数，降低了噪声；差分信号线采取等长和阻抗匹配设计，单端输入端阻抗尽可能接近50 Ω，差分输出阻抗尽可能接近100 Ω。此外，挖空运算放大器芯片下方的电源层和地层，以减少寄生电容，降低电源和地层的干扰。图5为电路板实物图。

3 SCC性能测试

电路系统测试之前，通常要对各个模块进行性能测试。SCC性能测试主要包括频域测试、时域测试、噪声测试及系统联调测试等。

3.1 SCC频域测试

为获得不失真和稳定的输出信号，需测试模拟电路带宽，使设计满足实际需求。使用高速信号源(R&S SMA100A)产生幅度固定的正弦波信号，信号幅值使用示波器测试后，输入SCC，改变信号源信号的频率，记录不同频率下，SCC输出信号峰的峰值，使用Orign软件对数据进行处理，得到单端转差分运放增益为2 dB和4 dB时，系统增益G随信号源信号频率f的变化关系，如图6所示。由图6可见，系统增益下降3 dB时, 对应的频率分别为500 MHz和320 MHz，即单端转差分运放增益为2 dB和4 dB的SCC -3 dB带宽分别为500 MHz和320 MHz。测试结果表明，-3 dB内带宽较平坦，单端转差分运放增益越大带宽越低，稳定性越好。

3.2 SCC时域测试

为保证待测信号工作在线性范围内，需测试模拟调理电路的线性区间。使用信号源产生脉冲信号，输入SCC的输入端，改变输入信号，使用示波器测量不同输入信号时，SCC输出信号峰的峰值。记录数据并分析处理，得到单端转差分运放增益为2 dB和4 dB的SCC输出电压峰的峰值随输入电压的变化关系，如图7所示。通过线性拟合可得，2种增益下SCC线性范围约为±10 V，增益越小，线性度越好。

由于输入电压范围较大，使用示波器标定输入信号时需加衰减器或功分器，测试会有一定偏差，但能满足使用要求。

另外，为验证本文设计的SCC的基本功能，开展了时域波形测试，采用信号源输出信号作为输入，测试输出的差分对信号，观察差分波形的对称性和一致性。图8为时域波形测试结果。由图8可见，差分对的幅度和脉宽一致性较好。

3.3 SCC噪声测试

噪声是模拟信号调理电路指标之一，噪声影响系统的下限指标，要尽可能地降低系统噪声，因此设计需测试SCC噪声水平。测试方法：首先测试示波器本身的噪声水平；然后将SCC输入端接地，用示波器测试SCC输出端信号噪声水平；将两个噪声值平方差开根号，即为系统的噪声。测量结果表明：示波器本身噪声为123.5 μV；SCC输出噪声为444.3 μV；通过计算得出SCC本身噪声为426.7 μV，噪声水平小于1 mV，可满足设计要求。

3.4 系统联调测试

为验证4 GHz超高速数据采集系统功能，将SCC与后端数据采集系统联合测试。信号源输出信号分为2路：一路信号输入到示波器；另一路信号输入到SCC输入端。系统联调测试结果如图9所示。其中：1为示波器信号；2为数据采集系统输出信号。由图9可见，二者几乎重合，说明SCC能满足采集系统的要求，验证了4 GHz超高速数据采集系统的功能。

3.5 性能对比

对比大动态的具有高低增益的模拟信号调理电路[1-3]，本文设计的信号调理电路根据信号幅度大小设计不同衰减倍数，不同通道具有不同量程，覆盖整个测量范围，进行单通道信号采集，更有针对性，减少了通道间的干扰及影响信号前后沿的不确定因素，带宽增益可调节。

4 结论

本文设计了一种大动态、高带宽及模块化的SCC设计，该电路具有阻抗匹配、偏置电压调节、共模电压产生、单端转差分及抗混叠滤波等功能。将SCC设计成单独模块，与后端ADC电路隔开，便于更换和升级，节省成本和研发周期。性能测试结果表明，系统可正确获得数据，SCC设计能满足采集系统要求。但由于该电路是直接将衰减后的信号单端转差分，前后端均没有通过运放缓冲，对电路匹配要求更高，需精确计算电路参数，选择高精度电阻。