電子科技大學(xué)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)_實(shí)驗(yàn)一

1、電 子 科 技 大 學(xué)實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書基于AD9481的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一信號(hào)調(diào)理通道原理實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解數(shù)據(jù)采集的基本結(jié)構(gòu)原理，包括模擬信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)緩沖與存儲(chǔ)電路、數(shù)據(jù)處理與顯示、通信接口等；2 學(xué)習(xí)基本的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)搭建、熟悉測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的操作；3 學(xué)習(xí)觸發(fā)通道基本原理，加深對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中觸發(fā)功能的理解。4 理解信號(hào)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(shí)驗(yàn)任務(wù)1 在測(cè)控技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)上，按照信號(hào)鏈路，學(xué)習(xí)了解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能，包括模擬信號(hào)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(wàn)用表模塊等。2 搭建電路模

2、塊并確認(rèn)采集平臺(tái)正常工作，實(shí)現(xiàn)波形的正確采集及顯示。3 信號(hào)調(diào)理功能實(shí)驗(yàn)，掌握模擬通道對(duì)信號(hào)衰減、放大作用的原理；設(shè)置信號(hào)源發(fā)出頻率、幅度固定的交流電壓信號(hào)，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(cè)量結(jié)果表。三實(shí)驗(yàn)設(shè)備1 信號(hào)源普源精電 DG4162一臺(tái)/EE1462；2 測(cè)控技術(shù)及嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)PG1000一臺(tái)。四實(shí)驗(yàn)原理1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊簡(jiǎn)介圖1 測(cè)試技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)綜合測(cè)試實(shí)踐平臺(tái)本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，輸入信號(hào)首先經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模擬通道，進(jìn)行適當(dāng)?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(hào)進(jìn)行數(shù)字量化，轉(zhuǎn)換成8bit的數(shù)據(jù)流送至FPGA進(jìn)

3、行緩沖存儲(chǔ)，其中FPGA為ADC提供250MHz的采樣時(shí)鐘，F(xiàn)PGA內(nèi)部實(shí)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(shí)現(xiàn)接口互連，將量化的二進(jìn)制數(shù)據(jù)送至處理模塊；處理模塊包括DSP、SDRAM、FLASH存儲(chǔ)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(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并送LCD顯示；另外，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括一DMM模塊，和處理板相連接，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字萬(wàn)用表的電壓測(cè)量、電阻測(cè)量、二極管測(cè)量、電容測(cè)量等。圖2 測(cè)試技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)綜合測(cè)試實(shí)踐平臺(tái)實(shí)物照片2 信號(hào)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(cè)量幅度超過ADC輸入范圍的信號(hào)？又如何測(cè)量

4、幅度只有幾個(gè)mVpp或者uVpp量級(jí)的信號(hào)呢？這就需要信號(hào)調(diào)理通道。信號(hào)調(diào)理通道，在ADC輸入端口之前將輸入信號(hào)調(diào)理至適合ADC量化采集的電壓范圍之內(nèi)，對(duì)大的信號(hào)按一定比例進(jìn)行衰減，對(duì)小的信號(hào)按一定比例放大。圖3 信號(hào)調(diào)理通道結(jié)構(gòu)功能示意圖信號(hào)調(diào)理通道結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，輸入信號(hào)經(jīng)過粗衰減或直通、阻抗變換、可變?cè)鲆娣糯笃?、帶寬控制、緩沖驅(qū)動(dòng)后送至ADC。2.1 衰減網(wǎng)絡(luò)電路原理無(wú)源衰減網(wǎng)絡(luò)的作用是對(duì)幅度較大的信號(hào)進(jìn)行衰減，達(dá)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(gè)20倍的衰減。 圖4 無(wú)源衰減網(wǎng)絡(luò)工作原理圖2.2 壓控可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）AD8337是美國(guó)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?cè)鲆娣糯笃髟摲糯笃鞯脑鲆婢梢苑重悶閱挝痪€性變化，其頻率可達(dá)100 MHz；帶寬(-3 dB)可達(dá)250 MHz     AD8337采用AD公司先進(jìn)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(shí)，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(diǎn)       AD8

6、337可廣泛應(yīng)用于工業(yè)和儀表領(lǐng)域，和同類競(jìng)爭(zhēng)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(yīng)用，譬如PET(positron emis-sion tomography)醫(yī)療影像、工業(yè)超音波、RF(射頻)測(cè)試儀器、和高性能AGC(自動(dòng)增益控制)系統(tǒng)主要特點(diǎn)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(shuō)明       AD8337的引腳排列如圖1所示，各引腳的功能說(shuō)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(lái)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(jí)是一個(gè)電流反饋前置放大器，可用來(lái)緩沖X-AMP的階梯網(wǎng)絡(luò)。前置放大器的電壓放大倍數(shù)可以通過外部電阻來(lái)設(shè)置，其給定設(shè)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(shè)計(jì)時(shí)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(shè)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(luò)由每級(jí)衰

10、減量為3.01 dB的8級(jí)衰減網(wǎng)絡(luò)組成，總的衰減范圍是24.08 dB，每級(jí)梯形網(wǎng)絡(luò)以固定的分貝數(shù)衰減輸人信號(hào)。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(jìn)行設(shè)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 信號(hào)調(diào)理通道無(wú)源衰減/放大實(shí)驗(yàn) 信號(hào)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(duì)應(yīng)垂直靈敏度500mV/div5V/div），首先是對(duì)信號(hào)做20倍的衰減，然后在送入后級(jí)電路。對(duì)

11、于相同幅度的信號(hào)，由于衰減檔位進(jìn)行了較大衰減，送至ADC后信號(hào)幅度小于放大檔位時(shí)候?qū)?yīng)的幅度，在顯示屏中可以明顯看到。輸入3Vpp，10KHz的方波信號(hào)，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(hào)大?。@示格數(shù)與ADC量化成正比關(guān)系），并完成下表。表1 信號(hào)調(diào)理通道功能實(shí)驗(yàn)記錄表輸入信號(hào)幅度（Vpp）幅度檔位類型幅度檔位測(cè)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?cè)鲆娣糯笃鲗?shí)驗(yàn)由于垂直靈敏度檔位較多，不同檔位對(duì)應(yīng)不同的增益

12、，這里就需要可變?cè)鲆娣糯笃鱽?lái)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，這里采用了壓控增益放大器AD8337來(lái)實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，不同的靈敏度檔位，對(duì)應(yīng)的壓控電壓不同。其中增益控制電壓可以通過DMM測(cè)量圖8中所示的測(cè)試點(diǎn)（紅圈1所示的貼片電阻焊盤）。圖8 信號(hào)調(diào)理電路實(shí)物照片輸入500mVpp，1KHz的方波信號(hào)，在不同幅度檔位下，顯示的相對(duì)幅度不同，記錄下表。表2 壓控增益放大器實(shí)驗(yàn)記錄表幅度檔位增益控制電壓（Vgain）測(cè)量顯示幅度（div）200mV/div8413.2100mV/div8376.250mV/div826溢出3 偏移調(diào)節(jié)電路實(shí)驗(yàn)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的上下移位，需要給輸入信號(hào)調(diào)節(jié)疊加直流偏置電壓，在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(hào)，調(diào)節(jié)位移旋鈕，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)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(dòng)，電壓在發(fā)生變換。