脈沖檢波電路設(shè)計研究

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摘要：針對高頻脈沖信號的采集，本文提出了一種可滿足單片機自帶A/D采樣高頻脈沖信號的檢波電路。該電路是基于AD8310芯片的檢波電路設(shè)計，經(jīng)過多級檢波，將脈沖信號頻率降低，從而達到降低采樣成本的目的。

關(guān)鍵詞：高頻；脈沖信號；檢波電路

引言

對于脈沖信號，頻率高達上百兆赫茲，脈沖沿較陡，一般的采樣芯片無法直接對其進行采樣處理，而采用高采樣率芯片直接對脈沖信號進行采集則成本較高。因此，目前工業(yè)上常用的處理方法是對脈沖信號進行檢波降頻處理。

1常用方法論證及比較

1.1二極管分立元件檢波

二極管分立元件檢波方法主要由二極管，電容器，電阻構(gòu)成。其特點為設(shè)計簡單，成本低，線性度差，溫度穩(wěn)定性低。

1.2對數(shù)放大器檢波

對數(shù)放大器檢波方法主要由對數(shù)放大器和二極管組成。采用級聯(lián)放大器輸出端加二極管整流電路，將脈沖信號或者其它交流信號轉(zhuǎn)換為直流電壓。其特點為元器件多，對高頻信號效果差，線性度和溫度穩(wěn)定性較二極管分立元件檢波稍好。

1.3專用檢波芯片檢波

目前檢波芯片主要分為功率檢波和對數(shù)檢波兩種。芯片內(nèi)部分為檢波和放大兩部分，輸入信號檢波以后進行一定倍數(shù)的放大后再輸出。檢波芯片檢波特點是響應(yīng)快速,靈敏度高，線性度和溫度穩(wěn)定性好，外圍器件少,設(shè)計簡單。其輸出量為直流電壓，但對于高頻的脈沖信號，其輸出的電壓信號仍有微秒級的尖脈沖，一般采樣芯片仍無法準確捕捉。

2本方案設(shè)計

2.1整體設(shè)計方案

本方案中采用了ADI公司的AD8310專用對數(shù)檢波芯片后級加改良后的放大器峰值檢波電路。AD8310檢波芯片將脈沖信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，其中含有一定量的直流脈沖分量，后級放大峰值檢波電路將該直流脈沖分量繼續(xù)降頻，將峰值保持住，以便于單片機采樣。

2.2AD8310芯片特性

AD8310是一款高速電壓輸出、解調(diào)頻率范圍為DC～440MHz的對數(shù)放大檢波器，其內(nèi)部有六個串聯(lián)的放大器／限幅器，且在帶寬900MHz（-3dB）時，每個放大器／限幅器的小信號增益均為14.3dB。該芯片共使用了9個檢波器，檢波范圍從-91dBV（40μV）～+4dBV（2.2V），其中我們定義0dB為真有效值為1V的正弦波。AD8310的解調(diào)輸出可精確標定，其對數(shù)斜率為24mV/dB，誤差為±1dB。截止電壓為－108dBV，并以獨立的供電電壓和獨立的溫度作為標定參數(shù)。AD8310的完全差動輸入具有1kΩ電阻與1pF電容并聯(lián)的高輸入阻抗。通過50Ω阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸入匹配可保證-78dBm～+17dBm的功率靈敏度。當信號頻率范圍在100MHz以內(nèi)時，其對數(shù)線性度的誤差在±0.4dB以內(nèi)，到440MHz時誤差略大。AD8310沒有最小使用頻率的限制，因而可用于低頻信號檢波。AD8310允許輸出負載有較大的變化范圍，并可驅(qū)動高達100pF的容性負載。AD8310成本低、體積小、功耗低、精度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)范圍寬，其頻率范圍可從直流信號到超高頻信號。另外，它還具有響應(yīng)時間快、負載驅(qū)動能力強等特點，可廣泛應(yīng)用于需要衰減信號到分貝級的電路中。AD8310為工業(yè)級芯片，其使用溫度范圍為-40℃～+85℃，封裝采用8腳小型貼片形式。AD8310對數(shù)放大檢波器的輸入信號在-87dB～13dB范圍內(nèi)，AD8310的輸出均具有很好的線性度。

2.3AD8310芯片基本電路

通過查閱AD8310芯片的技術(shù)手冊，我們可以得到該芯片的基本應(yīng)用電路。該電路為大多數(shù)應(yīng)用應(yīng)用設(shè)計中所需的電路圖。其中，芯片VPOS引腳的電源電壓在2.7V和5.5V之間，并使用接近管腳的0.01μf電容進行去耦。一般情況下，可以在電源線路中串聯(lián)一個小的電阻（4.7Ω）作為電源噪聲的濾波。ENBL引腳為芯片的使能端，其閾值約為1.3V，當使能引腳不用時需要將其接至AD8310的VPOS引腳，即高電平。AD8310的輸入端可以是差分輸入，但是一般情況下其輸入端設(shè)置成單端輸入，另一端通過電容C1接地。輸入信號通過C2耦合。而且，電容C1和電容C2的值應(yīng)相同，以盡量減少AD8310芯片啟動時的瞬態(tài)不平衡。輸入端52.3Ω電阻可與AD8310芯片內(nèi)部的1.1kΩ輸入阻抗相結(jié)合在AD8310中產(chǎn)生一個50Ω輸入阻抗匹配。在高頻應(yīng)用中，應(yīng)在芯片輸入端加一個高能濾波網(wǎng)絡(luò)，濾波截止頻率應(yīng)與盡可能的高，以減少不需要的低頻耦合信號。在低頻應(yīng)用中，相同的原因，應(yīng)在芯片輸入端加一個簡單的低通濾波網(wǎng)絡(luò)以衰減不需要的高頻信號或者干擾。

2.4AD8310芯片實際電路設(shè)計及測試

通過了解掌握AD8310芯片的基本資料，設(shè)計測試電路如圖1所示。其中，R2選擇與52.3Ω近似的51Ω常規(guī)電阻，C1與C9為預(yù)留設(shè)計，可不焊接。注意，在測試脈沖信號的時候C6要去除，否則會將檢波后的脈沖信號吸收掉。在設(shè)計PCB電路板的時候，盡量保證R1,C1與C2對稱布局，以保證阻抗平衡。整體布局時，保持信號由從左到右的方向在電路板上通過，以減少干擾。在該功能測試電路的輸入端通過信號發(fā)生器給定峰值1V重復(fù)率500Hz的脈沖信號，通過示波器測試其輸出端的信號。通過分析發(fā)現(xiàn)，AD8310檢波后的波形仍有一部分高頻脈沖，雖然其頻率較原始信號降低很多，但是仍不能用采樣率只有1Msps以內(nèi)的單片機進行直接采樣。

2.5放大器峰值檢波電路

為了進一步對脈沖信號進行降頻處理，我們加一級放大器峰值檢波電路。但是，峰值檢波電路中二極管有一個缺點，信號電壓從零上升過程中，只有大于二極管的導(dǎo)通電壓輸出端才會出現(xiàn)信號變化，而且這個過程需要花費一定時間，如果在這個過程，輸入信號發(fā)生變化，輸出則會出現(xiàn)失真。因此，需要在電路中加入一定的措施來解決這一問題。也就是說，二極管輸出部分電壓要能夠盡量跟隨輸入信號的電壓，并提供一個盡可能理想的二極管，同時能夠提供有效的輸入緩沖。一個經(jīng)典的電路是通過在輸入和輸出間增加一個二極管，這點類似于電壓鉗位。最終設(shè)計的電路如圖2所示。該電路出現(xiàn)于TI公司的Difet靜電計級運算放大器OPA128的DATASHEET里。但電路中的D3為修改后的設(shè)計，原電路設(shè)計中為場效應(yīng)管，這里我們改為快速二極管，通過實際測試，效果基本一樣。在這個電路中，C24為模擬峰值存儲器，建議使用聚本乙烯電容，以減少泄漏電流；運算放大器選擇高輸入阻抗運算放大器，以提高直流特性；C23電容為防自激電容。該電路線性度良好，檢波特性明顯，有效消除了二極管的導(dǎo)通壓降。

2.6整體電路設(shè)計

通過以上分析測試，我們設(shè)計的最終檢波電路如圖3所示。此次測試，選取200MHz以內(nèi)的信號為有效信號。在AD8310前端匹配了一個200MHz的LC低通濾波器以衰減無效信號，PCB布板信號按照從左到右的方向流通，在PCB電路板的底層全部鋪上信號地，以減小干擾。

2.7最終電路輸出波形分析

為電路提供±5V電源，信號發(fā)生器輸出頻率500Hz脈沖波，峰值5mV，通過分析測量電路板輸出端的波形得到，脈沖信號經(jīng)過放大并多級檢波后，波形變?yōu)橹绷髁颗c脈沖量的累加，并且該脈沖經(jīng)過峰值檢波后，波峰可保持400微秒以上。在這種情況下，一般單片機均可對其進行直接采樣處理。為了進一步驗證該方案的可行性，對其進行線性度測試。實際測量證明，該方案所設(shè)計電路線性度良好，基本滿足設(shè)計要求。

3結(jié)論

針對脈沖信號，本方案中所設(shè)計的多級檢波電路完全可以有效起到降頻作用，并將信號峰值保持在一定時間內(nèi)，以保證單片機自帶A/D功能進行正常采樣分析處理，且該電路反應(yīng)靈敏，能夠有效識別脈沖信號變化。但在實際應(yīng)用當中發(fā)現(xiàn)，AD8310輸入端極易受到外界噪聲干擾，因此建議在實際電路中，對該部分電路進行外部金屬屏蔽處理。

參考文獻

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作者：郝術(shù)興 單位：保定中創(chuàng)電子科技有限公司