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35000字硕士毕业论文合成仪器模拟通道的硬件设计

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:35000字
论点:仪器,合成,信号
论文概述:

本课题设计主要为合成仪器中模拟通道硬件的设计,主要用来对输入至 ADC芯片的信号和任意波形发生器输出的信号进行相应的调理,经过实际方案的规划和执行,主要完成了以下方面的工作:

论文正文:

第一章是绪论

1.1 合成仪器背景与选题意义由于本设计的数字存储示波器主要是基于合成仪器(SI)的项目背景,所以在此对合成仪器的概念做个简单的介绍。随着科学技术的快速发展,电子测试仪器设备已经广泛运用了分布处理的系统结构,信息智能化处理,大规模和超大规模集成电路器件,以及高效率高性能计算机等先进科技技术。多功能合成仪器是测试技术,通信技术和计算机技术三大功能于一身的新的自动测试系统的测试设备。由于这种测试仪器设备具有多功能集成,支持不同环境以及高性价比等优点,因此合成仪器越来越受到人们的关注。以前的老式仪器基本都是基于一种功能去设计及其实现的,而新概念下的合成仪器则是把可利用资源中的硬件(如 FPGA、DSP 等)跟相关的软件进行紧密的结合,来实现如信号发生器与波形显示等传统仪器这些单一功能的组合[1]。大概在七十年代末与八十年代初,合成仪器的概念才开始被提出,而且此时它的应用范围也比较窄,主要集中在军事项目中。合成仪器通过把许多的硬件单元和软件单元通过标准的总线接口连接起来,组成可以配置和可重新配置的系统。现实环境下“硬件芯核”如 FPGA 等它的许多单元与模块具有可以配置并且重新配置的能力;每个单元经过重新配置,再经过与相关软件配置的紧密联系,就可以实现不同的功能要求;这样通过更换其中的一个硬件模块如 DAC 数据采集卡等,来更新或者升级系统。由此可见,合成仪器具有非常的实用和便捷意义。本课题合成仪器主要由数字存储示波器、数据采集卡和任意波形发生器三部分组成。它主要以 MPC85XX 为主控制器,配合 DAC、ADC、FPGA 等相关模块实现相应的配置功能;而模拟信号调理通道的带宽是数字存储示波器性能指标的一个重要组成方面,他的性能直接影响着整个合成仪器的整体性能。当今测试计量技术的不断发展,需要更加先进和高端的仪器来适应实际的需要;这同时也对仪器中模拟通道的开发提出了新的要求,需要开发更高带宽和高稳定的模拟通道来适应仪器的实际需要,这就增加了模拟通道的开发难度。很多低频阶段不曾出现的问题在高频阶段层出不穷,比如信号完整性问题等,所以开发出高性能的模拟通道刻不容缓。
 1.2 合成仪器技术现状及发展趋势传统的方法做出的仪器主要依赖于由专门硬件来实现激励或者测量能力,可配置性和重新配置能力完全不足。这些仪器只有除了一些外围和前端电路可以通用以外外,仪器的其他部分的资源很难被再利用。嵌入式软件层是硬件的顶层;应用软件是嵌入式软件层的顶层,这样的软硬件架构很难实现测量或者激励技术的再用,使得仪器的通用性比较差,没有实现资源的充分利用。多功能合成仪器是一种模块化了的硬件和软件测试方案,为了适应新的和不同测量应用,多功能合成仪必须分析传统仪器的基本功能,并且设计一个通用的仪器系统框架;在通用的平台上,软件能够实现所有从低频到高频测试仪器的功能,更能迅速、有效的组合出针对特定的测试任务的模型。这样模块可以在各种不同的测量环境中重复的使用,这样不仅延长了自动测试系统的寿命周期,还降低了系统的生命周期总成本,对于产品过时的换代升级更方便。传统的测试与测量方案已经慢慢凸显其不足与不方便之处,而合成仪器则作了很大的转变,它将离散的测试与测量的仪器转变成一种开放式的结构,这样就可以适应不同测试的具体要求。对它的特点描述如下:1 高度模块化。合成仪器的硬件结构由标准硬件模块组成,每个标准模块完成特定的功能,称为“功能划分”。合成测试仪器通过对不同功能模块的组合利用能够对不同的信号类型进行处理。
 第二章 合成仪器模拟通道设计
 当代电子设计离不开反复的理论分析和验证,而仿真就是其中重要的一步,本设计的主要仿真软件为 Agilent 的 ADS(先进设计系统)。2.1 主要仿真工具目前主流的电磁仿真软件主要是基于以下几种分析方法:1 矩量法2 有限元法3 时域有限差分法ADS 是获得商业成功的创新技术(例如 X 参数和 3D 电磁仿真器)的代表,这些技术已被无线通信与网络以及航空航天与国防领域中的领先厂商广泛的采用。
 第三章 合成仪器相关控制信号......................373.1 合成仪器模拟通道控制信号 ................373.2 触发通道的选择 ................41第四章 电源系统设计..............444.1 电源系统总体设计思路 ........................444.2 设计中电容选择 ....................... 444.3 电压转换电路设计 .....................454.3.1 单轨电源分离成双轨电源 ................ 454.3.2 后期线性稳压器稳压 .................47第五章 信号完整性问题分析................505.1 信号完整性概述 ...............505.2 信号完整性理论在设计中的应用 ..........................57
 总结
 本课题设计主要为合成仪器中模拟通道硬件的设计,主要用来对输入至 ADC芯片的信号和任意波形发生器输出的信号进行相应的调理,经过实际方案的规划和执行,主要完成了以下方面的工作:(1)合成仪器模拟通道的理论分析设计和仿真。主要数据采集和任意波形发生模拟通道的设计,可以方便地对输入输出信号进行相应的调节,并且此方案为以后开发带宽要求更高的模拟通道提供了良好的思路和平台。(2)实现了外触发信号调理通道的设计和触发信号的选择功能。外触发信号与输入信号一样都需要经过调理后方可输入至相应的芯片,使用的主要触发信号由通道 1、通道 2 和外触发这 3 个触发信号,对于外触发信号的选择问题,本设计是采用多路复用器来进行相应的选择,再将触发源通过与高速比较器的比较来产生触发沿。(3)合成仪器模拟通道和触发信号调理通道相关控制信号的实现。通过在电路中加入相应的电平控制电路和连接器接头,实现了 FPGA 与通道的直接数据连接,方便了 FPGA 对通道的控制。(4)供电电源的设计。由于本设计选用的芯片需要的供电电压不尽相同,而ATX 机箱电源只提供了几种电平,所以需要提供许多不同的电压等级来使芯片正常工作,此设计选用了前级单轨变双轨以及后级 LDO 稳压的电源设计方案,实现了正常的供电需求。(5)信号完整性分析。在高频工作段,电路表现的性能与低频有许多不同之处,比如信号线之前的串扰、阻抗不匹配引起的信号反射与电源系统中的地弹等问题,轻则会引起信号的畸变,重则使得电路或者系统无法正常工作,本设计针对电源去耦问题和阻抗匹配问题对电路进行了相应的优化设计,使信号更加完整地从电路一端传送至另一端。(6)经过严谨的理论分析和设计,完成了电路原理图和部分 PCB 的设计与实现,并且对电源和模拟通道进行了相应的调试。在原理设计和 PCB 设计中学到了不少的东西,实现了理论与实践的相应结合。
 参考文献:[1] 方葛丰,黄珍元,宋斌.合成仪器技术的发展及应用研究[EB/OL].山东青岛:中电科 41 所,2008[2] 安捷伦科技.应用指南 1465-24.在测试系统中使用合成仪器的优势和劣势[S].美国:安捷伦科技,2006,09[3] 王剑宇,苏颖.高速电路设计实践[M].北京:电子工业出版社,2010,80-90[4] 种山,吴昱程,王凯让.合成仪器体系架构与关键技术研究[J].宇航计测技术,2008,31(1):1-3 铃木雅臣.晶体管电路设计[M].北京:科学出版社,2003,35-45 徐兴福.ADS2008 射频电路设计与仿真实例[M].北京:电子工业出版社,2009,2-8 冯新宇,车向前,穆秀春.ADS2009 射频电路设计与仿真[M].北京:电子工业出版社,2010,40-50 远坂俊昭.测量电子电路设计?模拟篇[M].北京:科学出版社,2006,20-30 王立欣,林雨波,门亮.高速数据采集模拟通道设计相关问题的研究[J].电测与仪表,2007,44(497):44-57 张涛.数字存储示波器 500MHz 模拟通道设计[D].成都:电子科技大学,2009,14-18