【正文】 的調(diào)理提出了更高的要求[6]。本文中設(shè)計的信號調(diào)理電路是之后高速數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，要完成寬帶，高幅值，高速的信號調(diào)理，需要考慮到器件的選型等多方面問題，要實現(xiàn)對輸入信號的濾波、衰減、隔離等功能，最終將傳感器最初的輸出信號調(diào)理成能被高速數(shù)據(jù)采集卡所利用的信號。信號調(diào)理電路原理框圖如圖33：圖33 信號調(diào)理電路原理框圖阻抗匹配負載阻抗與電源內(nèi)阻抗或與傳輸線波阻抗之間的特定配合關(guān)系。信號傳輸過程中負載阻抗和信源內(nèi)阻抗之間的特定配合關(guān)系。一件器材的輸出阻抗和所連接的負載阻抗之間所應(yīng)滿足的某種關(guān)系，以免接上負載后對器材本身的工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。對電子設(shè)備互連來說，例如信號源連放大器，前級連后級，只要后一級的輸入阻抗大于前一級的輸出阻抗510倍以上，就可認為阻抗匹配良好；對于放大器連接音箱來說，電子管機應(yīng)選用與其輸出端標(biāo)稱阻抗相等或接近的音箱，而晶體管放大器則無此限制，可以接任何阻抗的音箱。圖34 阻抗匹配對于低頻輸入的數(shù)據(jù)采集場合中，理想的情況是采集系統(tǒng)對于被測信號可以近似為開路，這樣才使得被測信號不會因為測試設(shè)備作為負載，而對源信號干擾。而對于高頻模擬、數(shù)字信號的采集場合中，必須保證源阻抗與目標(biāo)阻抗匹配，才能保證信號傳輸過程中不反射到被測信號源中。這就需要在數(shù)據(jù)采集的前端加入阻抗匹配的環(huán)節(jié)。阻抗匹配是指負載阻抗與激勵源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中，當(dāng)負載電阻等于激勵源內(nèi)阻時，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。當(dāng)激勵源內(nèi)阻抗和負載阻抗含有電抗成份時，為使負載得到最大功率，負載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份只是數(shù)值相等而符號相反。這種匹配條件稱為共扼匹配。在這個條件下，從信號源到負載傳輸?shù)哪芰孔畲?。另外，為有效傳輸功率，滿足這個條件可以避免能量從負載反射到信號源，尤其是在諸如視頻傳輸、RF或微波網(wǎng)絡(luò)的高頻應(yīng)用環(huán)境更是如此。阻抗匹配時，傳輸不會產(chǎn)生反射，這表明所有能量都被負載吸收了，反之，則在傳輸中有能量損失。為了防止信號的反射，要求是線路的阻抗為固定值，這是個大約的數(shù)字，常用歸一化的阻抗為標(biāo)準(zhǔn)值[6]。本實驗所用激勵源內(nèi)阻測量方法如圖35所示：圖35 激勵源內(nèi)阻測量方法在探頭電路中串入阻值為1K的電阻，打開脈沖激勵源，用示波器測量UR，U，計算出信號調(diào)理電路激勵源（既探頭輸出）的內(nèi)阻r，測量結(jié)果與計算過程如下：這樣在信號調(diào)理電路中串入一個與激勵源內(nèi)阻r=689歐的電阻既可實現(xiàn)阻抗匹配。濾波濾波是信號處理中的一個重要概念。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做濾波電路。濾波本質(zhì)就是使用具有頻率選擇特性的器件讓一些頻率成分通過，另一些成分壓制。分離元件電容和電感都具有頻率選擇特性，因此都可以作為濾波器組成部件使用，常用的是電容。電阻和電容組合構(gòu)成最基本的一階濾波器，電容具有通高頻阻低頻作用。電阻，電容和運放結(jié)合可以構(gòu)成二，三，高階濾波器。常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。若濾波電路元件僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成，則稱為無源濾波電路。無源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波（包括倒L型、LC濾波、LCπ型濾波和RCπ型濾波等）。若濾波電路不僅由無源元件，還由有源元件（雙極型管、單極型管、集成運放）組成，則稱為有源濾波電路。無源濾波電路的結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計，但它的通帶放大倍數(shù)及其截止頻率都隨負載而變化，因而不適用于信號處理要求高的場合。 有源濾波電路的負載不影響濾波特性，因此常用于信號處理要求高的場合。有源濾波電路一般由RC網(wǎng)絡(luò)和集成運放組成，因而必須在合適的直流電源供電的情況下才能使用，同時還可以進行放大。但電路的組成和設(shè)計也較復(fù)雜。有源濾波電路不適用于高電壓大電流的場合，只適用于信號處理。 為了設(shè)計簡單，節(jié)約成本，本實驗將采用無源高通濾波，濾波電路如下：圖36 無源高通濾波原理電路圖此時，濾波器的截止頻率為：衰減由于實驗所用模擬器是小型平行板有界波模擬器，空間電場大約在50000V/m，由偶極子傳感器感應(yīng)出的電壓信號大約為30V（示波器測得），而所用后續(xù)高速數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓范圍為177。40mV 到 177。4V，所以要設(shè)計一個衰減倍數(shù)約為10的衰減環(huán)節(jié)。本設(shè)計采用運放組成的衰減器，由于信號調(diào)理電路所接受的信號為快沿雙指數(shù)波，所以對運放的速度，帶寬以及輸入阻抗都有很高的要求。對高速模擬信號的放大和衰減過程中，對運算放大器指標(biāo)的首要要求就是其帶寬，常用的高頻運算放大器分為電流反饋型和電壓反饋型。(1) 基于電壓反饋性運算放大器的設(shè)計方案電壓反饋運算放大器，其具有較小的輸出阻抗，簡單易用的特性，常被用做運算電路。但是由于電壓反饋運算放大器的帶寬，隨著增益的增加而降低，導(dǎo)致其動態(tài)范圍有限，所以本電路不適合帶寬很高的信號調(diào)理電路。(2) 基于電流反饋性運算放大器的設(shè)計方案由于電流反饋運算放大器其較高的帶寬、較低廉的價格，使其常用作高速模擬電路的信號調(diào)理過程中。電流反饋放大器不受基本增益帶寬積的限制，隨著信號幅度的增加，帶寬的損失非常小。因為可以在最小失真的條件下對大信號進行調(diào)節(jié)，這些放大器在非常高的頻率下通常都具有優(yōu)異的線性度。電流反饋放大器在很寬的增益范圍上維持其大部分帶寬不變。所以，電流反饋放大器非常適合作為放大、衰減電路中的運算放大器[6]。根據(jù)以上設(shè)計要求，選用analog devices公司的AD8009。AD8009是一款超高速電流反饋型放大器，電壓擺率達到驚人的5,500 V/181。s，上升時間僅為545 ps，因而非常適合用作脈沖放大器。高壓擺率可降低壓擺率限幅效應(yīng)，使大信號帶寬達到440 MHz，小信號帶寬達到1GHz。其引腳配置如圖37：圖37 AD8009引腳配置傳統(tǒng)的用運算放大器組成的反相衰減器如圖38所示：圖38 傳統(tǒng)反相衰減器在電路中R2要小于R1。這種方法是不被推薦的，因為很多運放是不適宜工作在放大倍數(shù)小于1倍的情況下。經(jīng)改良的方法是用圖39的電路。圖39反相衰減器改良設(shè)計在表2中的一套規(guī)格化的R3的阻值可以用作產(chǎn)生不同等級的衰減。對于表中沒有的阻值，可以用以下的公式計算R3＝(Vo/Vin)/(22(Vo/Vin))如果表中有值，按以下方法處理：為Rf和Rin在1K到100K之間選擇一個值，該值作為基礎(chǔ)值。將Rin 除以二得到RinA 和RinB。將基礎(chǔ)值分別乘以1 或者2 就得到了Rf、Rin1 和Rin2。在表中給R3 選擇一個合適的比例因子，然后將他乘以基礎(chǔ)值。比如，如果Rf是20K，RinA和RinB都是10K，－3dB的衰減。表2 規(guī)格化阻值表隔離隔離，顧名思義就是與之相隔，使其分離。當(dāng)然我們在這里談的則是另一種情況，我們只是讓其分隔，但卻沒有相離。因為他們之間還是要有通訊功能。在電子電路中主電路和控制電路要進行電氣隔離，一是為了安全，因為主回路和控制回路工作電壓等級不一樣、電流大小也不一樣，各有各的過流保護系統(tǒng)。強電進入弱電系統(tǒng)會對弱電系統(tǒng)造成損壞；二是為了弱電系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，因為弱電系統(tǒng)尤其模擬量型號很容易受到電磁干擾。本實驗采用變壓器隔離，隔離變壓器的原理和普通變壓器的原理是一樣的。都是利用電磁感應(yīng)原理。隔離變壓器一般是指1：1的變壓器。由于次級不和地相連，減小了交流電中的諧波和雜散磁場產(chǎn)生的微小電流，且次級任一根線與地之間沒有電位差，使用安全。一般變壓器原、副繞組之間雖也有隔離電路的作用，但在頻率較高的情況下，兩繞組之間的電容仍會使兩側(cè)電路之間出現(xiàn)靜電干擾。為避免這種干擾，隔離變壓器的原、副繞組一般分置于不同的心柱上，以減小兩者之間的電容。隔離變壓器的主要作用是：使一次側(cè)與二次側(cè)的電氣完全絕緣，也使該回路隔離。另外，利用其鐵芯的高頻損耗大的特點，從而抑制高頻雜波傳入控制回路。用隔離變壓器使二次對地懸浮。此時，系統(tǒng)的對地電容電流小得不足以對人身造成傷害。還有一個很重要的作用就是保護人身安全，隔離危險電壓。 高速數(shù)據(jù)采集卡的選型經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)理后的信號將被送到采集卡進行采集，轉(zhuǎn)換，儲存，最后在上位機上顯示出來。本實驗最大的難點在于系統(tǒng)傳輸?shù)男盘枮樗矐B(tài)信號，前沿只有20ns。所以為了能更好的還原采集的波形，必須選用采樣速率很高的超高速數(shù)據(jù)采集卡。經(jīng)過大量資料的收集與比較，最終選定加拿大AlazarTech公司的高速數(shù)據(jù)采集卡ATS9350。 ATS9350主要性能介紹圖310 ATS9350實物(1) 每通道實時采樣率：500MS/s；(2) ；(3) 2通道，分辨率12位；(4) 500MHz到1MHz的外部時鐘；(5) 250MHz的全功率帶寬；(6) 輸入范圍：177。40mV到177。4V；(7) 信噪比：；(8) NIST可追蹤校準(zhǔn)；(9) 連續(xù)流模式；(10) 半長PCIe x8卡；(11) 可達2GB雙端口存儲；(12) 輸入和輸出觸發(fā)接插件；(13) AlazarDSO示波軟件；(14) 軟件開發(fā)工具包支持C/C++, C, VB 和 LabVIEW；(15) 支持Linux驅(qū)動程序。 ATS9350的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖311 ATS9350的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ATS9350硬件系統(tǒng)以現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）為核心，由高速A／D轉(zhuǎn)換、動態(tài)隨機存取存儲器DDR2 SDRAM、PCI接口等一系列外圍電路組成。ATS9350的輸入端有一個ECLK（外部時鐘）可以為ATS9350提供外部時鐘。CH A和CH B為兩個模擬輸入通道。TRIG IN為外部觸發(fā)通道。AUX I/O為輔助輸入輸出通道。ATS9350使用了2個最大轉(zhuǎn)化率為500M/s的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADCA和ADCB，可以在500MHz的輸人數(shù)據(jù)速率下保證12bit的精度。 FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。系統(tǒng)通過FPGA來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)緩存及邏輯控制。DDR2 SDRAM簡稱DDR2是第二代雙倍數(shù)據(jù)率同步動態(tài)隨機存取存儲器（DoubleDataRate Two Synchronous Dynamic Random Access Memory），是一種電腦存儲器規(guī)格。 本章小結(jié)本章對空間電場測量系統(tǒng)進行了初步的研究與設(shè)計，包括電場探頭的原理研究，信號調(diào)理電路的設(shè)計，高速采集卡的選型和ATS9350的簡單介紹。其中對信號調(diào)理電路中幾個重要的部分作了詳細的分析和設(shè)計，著重介紹了阻抗匹配，運放構(gòu)成衰減電路，隔離等的實現(xiàn)方法。第四章 信號調(diào)理電路的PSpice仿真 OrCAD/PSpice軟件的構(gòu)成OrCAD/PSpice是一個通用電路仿真軟件，不但可對模擬電路、數(shù)字電路和模/數(shù)混合進行模擬，而且具有優(yōu)化設(shè)計的功能。本章在介紹OrCAD/PSpice軟件結(jié)構(gòu)和功能特點的基礎(chǔ)上，重點介紹使用OrCAD/PSpice對通道調(diào)理電路進行原理性仿真。PSpice軟件的構(gòu)成以及OrCAD軟件包中與PSpice運行有關(guān)的模塊之間的關(guān)系如圖41所示。圖41 PSpice軟件構(gòu)成與配套模塊，向PSpice提供電路的拓撲結(jié)構(gòu)、元器件的參數(shù)值等信息。同時說明分析類型、設(shè)置分析參數(shù)。在Capture環(huán)境下，還可以控制本節(jié)介紹的其他配套模塊的運行[9]。（Stimulus Editor）該程序為信號源編輯程序。PSpice中信號源的種類比較豐富，如模擬獨立信號源有正弦源、脈沖源、指數(shù)源、分段線性源、單頻調(diào)頻源等。該程序可以交互方式生成電路模擬中需要的各激勵信號波形。包括：瞬態(tài)分析中需要的脈沖、分段線性、調(diào)幅正弦、調(diào)頻和指數(shù)信號等波形；邏輯模擬中需要的時鐘信號、各種形狀脈沖信號以及總線信號。（Model Editor）仿真軟件中，電路元器件模型參數(shù)的精度很大程度上決定著電路的分析精度。盡管在元器件模型庫中已經(jīng)包含了大量的元器件模型，但在實際應(yīng)用中有時仍