電子科技大學數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)_實驗一

1、電 子 科 技 大 學實 驗 指 導 書基于AD9481的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實驗一信號調(diào)理通道原理實驗一實驗目的1 了解數(shù)據(jù)采集的基本結(jié)構(gòu)原理，包括模擬信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)緩沖與存儲電路、數(shù)據(jù)處理與顯示、通信接口等；2 學習基本的數(shù)據(jù)采集平臺搭建、熟悉測試實驗平臺的操作；3 學習觸發(fā)通道基本原理，加深對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中觸發(fā)功能的理解。4 理解信號調(diào)理電路的工作原理，包括衰減電路、放大電路、偏移調(diào)節(jié)電路。二實驗任務1 在測控技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)平臺上，按照信號鏈路，學習了解實驗系統(tǒng)各個模塊的功能，包括模擬信號調(diào)理模塊，ADC采集模塊、處理及顯示模塊、電源模塊、數(shù)字萬用表模塊等。2 搭建電路模

2、塊并確認采集平臺正常工作，實現(xiàn)波形的正確采集及顯示。3 信號調(diào)理功能實驗，掌握模擬通道對信號衰減、放大作用的原理；設置信號源發(fā)出頻率、幅度固定的交流電壓信號，并輸入到模擬通道，分別調(diào)節(jié)采集系統(tǒng)的幅度檔位，觀察并記錄測量結(jié)果表。三實驗設備1 信號源普源精電 DG4162一臺/EE1462；2 測控技術(shù)及嵌入式實驗平臺PG1000一臺。四實驗原理1 實驗平臺模塊簡介圖1 測試技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)綜合測試實踐平臺本實驗平臺結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，輸入信號首先經(jīng)過信號調(diào)理模擬通道，進行適當?shù)姆糯蠡蛩p，調(diào)理至ADC的輸入范圍后送到采集模塊；采集模塊將模擬的信號進行數(shù)字量化，轉(zhuǎn)換成8bit的數(shù)據(jù)流送至FPGA進

3、行緩沖存儲，其中FPGA為ADC提供250MHz的采樣時鐘，F(xiàn)PGA內(nèi)部實現(xiàn)觸發(fā)功能、高速數(shù)據(jù)的接收和緩沖，并與處理模塊實現(xiàn)接口互連，將量化的二進制數(shù)據(jù)送至處理模塊；處理模塊包括DSP、SDRAM、FLASH存儲器、異步串行接口、USB接口、鍵盤接口、顯示接口等，將轉(zhuǎn)換的二進制數(shù)據(jù)進行處理并送LCD顯示；另外，本實驗平臺包括一DMM模塊，和處理板相連接，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字萬用表的電壓測量、電阻測量、二極管測量、電容測量等。圖2 測試技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)綜合測試實踐平臺實物照片2 信號調(diào)理模擬通道通常ADC的輸入范圍為1Vpp或者500mVpp等，較為有限，如何測量幅度超過ADC輸入范圍的信號？又如何測量

4、幅度只有幾個mVpp或者uVpp量級的信號呢？這就需要信號調(diào)理通道。信號調(diào)理通道，在ADC輸入端口之前將輸入信號調(diào)理至適合ADC量化采集的電壓范圍之內(nèi)，對大的信號按一定比例進行衰減，對小的信號按一定比例放大。圖3 信號調(diào)理通道結(jié)構(gòu)功能示意圖信號調(diào)理通道結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，輸入信號經(jīng)過粗衰減或直通、阻抗變換、可變增益放大器、帶寬控制、緩沖驅(qū)動后送至ADC。2.1 衰減網(wǎng)絡電路原理無源衰減網(wǎng)絡的作用是對幅度較大的信號進行衰減，達到基本滿足ADC輸入范圍的要求。其原理如下圖所示，大概是一個20倍的衰減。 圖4 無源衰減網(wǎng)絡工作原理圖2.2 壓控可變增益放大器（VGA）AD8337是美國AD(Anal

5、og Devices INC)公司推出的一種高頻帶寬度、低功耗、采用直流耦合的可變增益放大器該放大器的增益均可以分貝為單位線性變化，其頻率可達100 MHz；帶寬(-3 dB)可達250 MHz     AD8337采用AD公司先進的專利電路技術(shù)和X-AMP結(jié)構(gòu)，因而具有優(yōu)異的增益控制特性，其增益控制范圍為024 dB，同時，增益控制接口還可提供20 dBV的精確線性控制率       (1) AD8337的主要特點       AD8

6、337可廣泛應用于工業(yè)和儀表領(lǐng)域，和同類競爭方案相比，其速度快50，尺寸小30。AD8337的VGA能提供極好的直流(DC)和交流(AC)電性能。其優(yōu)秀的直流和高速特性使AD8337 VGA特別適合于大范圍high-channel-count 工業(yè)和儀器應用，譬如PET(positron emis-sion tomography)醫(yī)療影像、工業(yè)超音波、RF(射頻)測試儀器、和高性能AGC(自動增益控制)系統(tǒng)主要特點如下：       低噪聲：2.2nVrtHz；      

7、低功耗：78 mW；       器件的頻帶寬度范圍可從低頻到250 MHz(-3 dB)；       額定增益范圍：024 dB (前置放大器增益為6dB)；       增益控制率：20 dBV；       直流耦合；       單端輸入和輸出；   

8、0;   電源：+5 V，±2.5 V或±5 V；       工作溫度：-40+85；       3×3毫米8引腳LFCSP       (2) 引腳說明       AD8337的引腳排列如圖1所示，各引腳的功能說明見表1所列圖5 AD8337關(guān)鍵封裝視圖(3) 結(jié)構(gòu)原理 AD8337的原理電

9、路結(jié)構(gòu)如圖6所示。該芯片主要由前置放大器、衰減器、偏置單元、內(nèi)插器、增益控制接口和輸出放大器等部分組成。AD8337可以采用雙電源供電和單電源供電兩種形式，并可由偏置單元來完成。電源可為+5 V，±2.5 V或±5 V。圖6 AD8337功能結(jié)構(gòu)框圖AD8337的輸入級是一個電流反饋前置放大器，可用來緩沖X-AMP的階梯網(wǎng)絡。前置放大器的電壓放大倍數(shù)可以通過外部電阻來設置，其給定設置是采用R1=R2=100 構(gòu)成的同相放大器，放大倍數(shù)為2(即6 dB)。設計時通過外部電阻的不同配置，前置放大器的放大倍數(shù)也可被設置為大于2的其它值。緊跟前置放大器的是衰減器，該電阻網(wǎng)絡由每級衰

10、減量為3.01 dB的8級衰減網(wǎng)絡組成，總的衰減范圍是24.08 dB，每級梯形網(wǎng)絡以固定的分貝數(shù)衰減輸人信號。衰減器后邊是固定增益輸出放大器(18.06 dB)。由于前置放大器的放大倍數(shù)可以通過外部電阻進行設置，所以AD8337的增益可根據(jù)前置放大的不同便放大倍數(shù)發(fā)生一些變化，范圍為0+24 dB。圖7 AD8337增益（Gain）與增益控制電壓（Vgain）關(guān)系 五實驗內(nèi)容1 信號調(diào)理通道無源衰減/放大實驗 信號調(diào)理通道幅度檔位（垂直靈敏度）分為兩類：衰減檔/放大檔,在衰減檔模式下（對應垂直靈敏度500mV/div5V/div），首先是對信號做20倍的衰減，然后在送入后級電路。對

11、于相同幅度的信號，由于衰減檔位進行了較大衰減，送至ADC后信號幅度小于放大檔位時候?qū)姆?，在顯示屏中可以明顯看到。輸入3Vpp，10KHz的方波信號，在不同幅度檔位下，觀察顯示的波形幅度（格數(shù)），顯示的波形格數(shù)代表了輸入到ADC的信號大?。@示格數(shù)與ADC量化成正比關(guān)系），并完成下表。表1 信號調(diào)理通道功能實驗記錄表輸入信號幅度（Vpp）幅度檔位類型幅度檔位測量顯示幅度（div）3Vpp衰減檔5V/div0.72V/div1.61V/div3.4500mV/div7.6放大檔200mV/div溢出100mV/div溢出2 壓控可變增益放大器實驗由于垂直靈敏度檔位較多，不同檔位對應不同的增益

12、，這里就需要可變增益放大器來調(diào)節(jié)實現(xiàn)，這里采用了壓控增益放大器AD8337來實現(xiàn)。簡單的說，不同的靈敏度檔位，對應的壓控電壓不同。其中增益控制電壓可以通過DMM測量圖8中所示的測試點（紅圈1所示的貼片電阻焊盤）。圖8 信號調(diào)理電路實物照片輸入500mVpp，1KHz的方波信號，在不同幅度檔位下，顯示的相對幅度不同，記錄下表。表2 壓控增益放大器實驗記錄表幅度檔位增益控制電壓（Vgain）測量顯示幅度（div）200mV/div8413.2100mV/div8376.250mV/div826溢出3 偏移調(diào)節(jié)電路實驗為了實現(xiàn)對波形的上下移位，需要給輸入信號調(diào)節(jié)疊加直流偏置電壓，在此實驗平臺中，處理器通過控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）產(chǎn)生直流可調(diào)電壓，送至緩沖電路，如下圖所示）。圖9 偏置調(diào)節(jié)電路原理去除外部輸入信號，調(diào)節(jié)位移旋鈕，用數(shù)字萬用表測量偏置調(diào)節(jié)電壓V_offset（圖8紅圈2）可觀察隨著屏幕基線的上下移動，電壓在發(fā)生變換。