采樣時鐘發(fā)生器示例

　　AD783要求一個寬度為150 ns至250 ns的窄正采樣脈沖。為使顯示的波形保持穩(wěn)定，無來回跳動，采樣脈沖必須非常穩(wěn)定，抖動很低。這一要求往往將可能的時鐘選擇限定于晶體振蕩器。另一個要求是采樣速率可以在略低于100 kHz到大約500 kHz的范圍內(nèi)進行調(diào)整或調(diào)諧。為使下采樣信號落在聲卡的20 Hz到20 kHz音頻帶寬內(nèi)，采樣頻率間的調(diào)諧步進必須較為精細。一個諸如圖4所示的N分頻電路和一個頻率介于10 MHz到20 MHz的晶體振蕩器（IC4），可以提供從80 kHz到350 kHz的多達200種或更多的不同采樣速率，步進大小介于300 Hz到5 kHz之間。本例使用兩個4位二進制升降計數(shù)器74HC191，N可以是4到256之間的任意整數(shù)。也可以使用74HC190等十進制計數(shù)器，其引腳排列與74HC191相同，可以提供4到100的N值。分頻比利用兩個十六進制開關(guān)S1和S2設(shè)置。開關(guān)S3設(shè)置計數(shù)器是遞增還是遞減計數(shù)。電阻R1 （250 Ω）和電容C1 （68 pF）給引腳計數(shù)輸出增加一個很短的延遲，經(jīng)過該延遲后，引腳計數(shù)輸出加載起始計數(shù)值。74HC00的四個NAND門用于實現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)模式，當R12為2.7 kΩ且C2為68 pF時，單穩(wěn)態(tài)模式提供200 ns的采樣脈沖。

　　圖4. 采樣時鐘分頻器電路

　　IC4是固定頻率金屬帽殼晶體振蕩器。另一種方法是使用CMOS反相器（74HC04）和分立晶體X1來構(gòu)成一個振蕩器，如圖5所示。這種方法使用的元件雖然多于一體式金屬帽殼振蕩器，但它支持通過調(diào)整電容C1來調(diào)節(jié)晶體頻率，從而實現(xiàn)精密的頻率調(diào)諧。

　　圖5. 采用機械調(diào)諧方式的分立晶體振蕩器

　　為了消除機械可變元件，D1可以使用變?nèi)荻O管，其電容取決于電壓，如圖6所示。

　　圖6. 采用電壓調(diào)諧方式的分立晶體振蕩器

　　有源重構(gòu)濾波器示例

　　圖7和圖8所示為有源濾波器設(shè)計，它們應(yīng)能很好地代替簡單的無源RC濾波器。圖7顯示的是一個二階Sallen-Key濾波器，轉(zhuǎn)折頻率約為39 kHz，使用標準電阻和電容值。雙通道運算放大器AD8042 和AD822 具有低電源電壓和寬擺幅特性，是很好的選擇。該濾波器在通帶內(nèi)的增益為+1。

　　圖7. Sallen-Key 39 kHz低通濾波器

　　圖8顯示的是一個二階多路反饋（MFB）濾波器，轉(zhuǎn)折頻率約為33 kHz，使用標準電阻和電容值。該濾波器的通帶增益為–1，因此，使用該濾波器時，為使顯示的波形右側(cè)朝上，應(yīng)選擇示波器軟件上的“反相”按鈕。

　　圖8. MFB 33 kHz低通濾波器

　　電路供電

　　重構(gòu)濾波器使用的AD783和放大器需要雙電源供電。可以使用6節(jié)AA電池，3節(jié)提供+4.5 V電源，另外3節(jié)提供–4.5 V電源。或者，也可以使用單個9 V電池，利用一個電阻分壓器來提供作為地的中間電源電壓，這將需要由一個運算放大器進行緩沖才能提供電路所需的地電流。第三種方法是使用一個可調(diào)線性調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生相對于電池負極的約4.5 V電壓，用作接地基準。

　　第四種方法是使用備用PC或筆記本電腦USB端口提供的+5 V電源。–5 V電源可以由DC/DC電壓逆變器產(chǎn)生，例如ADI公司的ADM8829—（表貼封裝）。應(yīng)特別注意避免受到DC/DC電壓逆變器產(chǎn)生的開關(guān)噪聲干擾。

輸入衰減器

　　AD783的小信號增益遠高于全擺幅帶寬。通過在采樣器之前插入一個10:1阻性衰減器以限制最大信號帶寬，可以實現(xiàn)遠超過20 MHz的可用帶寬。多家公司提供成本相對較低的示波器探頭，如Syscomp Electronic Design， Ltd2等（圖9）。下面是筆者撰寫本文時獲得的信息：

　　Syscomp Electronic Design生產(chǎn)的40 MHz帶寬、1×/10×可切換型示波器探頭（P6040），每對價格$29.99。

　　圖9. P6040 1×/10×示波器探頭

　　HobbyLab3生產(chǎn)的20 MHz 10:1版本示波器探頭（GT-P6020），每對價格$19.50。

　　Gabotronics.com4生產(chǎn)的100 MHz P2100和60 MHz P2060通用探頭，每種價格約$10.00。

　　使用探頭

　　圖10、圖11和圖12所示的聲卡5屏幕截圖利用P2100 100 MHz 10×探頭獲取，它可以補償10 pF至35 pF范圍內(nèi)的輸入電容。對于建議的電路，如果PCB板線路長度盡可能保持最短，那么這個調(diào)整范圍似乎是充足的。采用10×探頭時，輸入看起來像10 MΩ和18 pF，可以支持最高±30 V的輸入電壓。

　　為了展示AD783采樣保持輸入級的性能，首先利用1 kHz平頂方波調(diào)整探頭補償。屏幕截圖顯示了器件對頻率為1 MHz和50 MHz的不同信號的響應(yīng)。圖10中的兩個屏幕截圖顯示單通道情況，（a）為1 MHz、5 V p-p方波，（b）為50 MHz、5 V p-p方波。每種情況下，采樣時鐘均針對大約500 Hz的下采樣信號頻率進行調(diào)整，以便消除任何聲卡響應(yīng)差異。因此，左邊屏幕截圖的有效時間刻度為500 ns/分頻比，右圖為10 ns/分頻比。聲卡輸入增益設(shè)置如下：對于1 MHz輸入，示波器軟件報告1.072 V p-p的幅度；對于50 MHz輸入，則報告762.2 mV p-p的幅度。0.7622/1.072接近–3 dB。這一測量結(jié)果顯示，100 MHz 10×探頭和AD783的組合具有50 MHz的3 dB帶寬。

　?。╝）                                                                 （b）

　　圖10. 單通道10×探頭：1 MHz （a）和50 MHz （b） 5 V p-p輸入方波

　　圖11中，同樣的1 MHz （a）和50 MHz信號（b）被施加于兩個通道。從兩個通道的兩幅重疊屏幕截圖可以看出，兩個通道之間具有良好的增益、失調(diào)和延遲匹配。

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　?。╝）                                                                      （b）

　　圖11. 雙蹤雙通道匹配10×探頭：1 MHz （a）和50 MHz （b） 5 V p-p輸入方波

　　最后一幅屏幕截圖（圖12）顯示375 kHz、5 V p-p方波（紅色線）和1.5 MHz、42 ns寬5 V p-p脈沖（綠色線）的情況。水平刻度為333 ns/分頻比。AD783采樣器保持完整的5 V擺幅，即便輸入這些較窄的42 ns脈沖也是如此。

　　圖12. 雙蹤雙通道、10×探頭：375 kHz、5 V p-p方波和1.5 MHz、42 ns 5 V p-p脈沖

　　參考文獻

　　1Visual Analyser 是一個完整的專業(yè)實時軟件包，可以將PC變成一整套測量儀器。它使用PC的聲卡，無需新硬件http://www.sillanumsoft.org/。

　　2Syscomp Electronic Design， Ltd. http://www.syscompdesign.com/Accessories.html.

　　3HobbyLab http://securedwithssl.com/HobbyLab-us/product/63258ffa-dcc8-4508-8152-d2461d943169.aspx.

　　4Gabotronics http://www.gabotronics.com/accesories-and-cables/view-all-products.htm.

　　5基于PC的聲卡示波器從聲卡接收數(shù)據(jù)，采樣速率為44.1 kHz，分辨率為16位。此外還提供WaveIO，它是用于LabView軟件的聲卡接口。 http://www.zeitnitz.de/Christian/scope_en.

        作者

　　Doug Mercer ［doug.mercer@analog.com］ 在1977至2009年間一直在ADI公司從事全職工作，最后14年擔(dān)任ADI公司研究員。ADI公司高速轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品系列的30多款標準產(chǎn)品都有他的貢獻，AD783就是其中一款。自2009年起，他轉(zhuǎn)而擔(dān)任ADI公司的兼職顧問研究員，最近主要是作為ADI公司與倫斯勒理工學(xué)院的聯(lián)絡(luò)人，從事本科生電氣工程教育推廣和發(fā)展方面的工作。