宽带阻抗测量仪的设计——信号检测电路设计(二)

4.3 AD8302输出信号调理电路

该信号调理电路主要是对AD8302的输出电压进行有源低通滤波处理。有源低通滤波器除了滤除干扰信号外，还起着信号阻抗匹配和信号电流放大的作用。

本系统中使用了六通道的模数转换器ADS8364，其输入阻抗为20，AD8302的输出电压范围在0V~1.8V，由于ADS8364的输入电流最大要达到90mA，而AD8302的输出电流的最大值为8mA，远小于90mA，所以不能直接对AD8302的输出电压进行模数转化，需要加运放进行电流放大。

本系统采用有源低通滤波器来完成滤波和电流放大，图4-1中的LP3即为该有源低通滤波器。

LP3有源低通滤波器采用了运算放大器AD8532。AD8532为窄带运算放大器，其带宽为3MHz，可以有效的满足本系统有源低通滤波器的带宽要求；AD8532内部集成了两个运算放大单元，使用一片即可构成两个有源低通滤波器，从而可以对AD8302的两个输出电压进行滤波；AD8532具有高达±250mA的输出电流，其后接ADS8364时，输出电压可最大为5V，能够满足电流放大的功能要求。

有源滤波器类型的选择[26]主要考虑使通带保持平坦，以保证检波和鉴相的精度。因而使用了巴特沃什型有源滤波器，该巴特沃什有源滤波器的增益为1，具有双极点，其原型如图4-9所示。

图中1为单位电阻，C 1和C 2按照巴特沃什有源滤波器的查找表得：C 1 =1.414，C 2 =0.7071。

对所设计的滤波器性能好坏使用频率特性测试仪实际观察，根据观察结果改进滤波器，直至满足要求。首先，由通带为2KHz，假设-3dB带宽为f c =5KHz，选取阻抗标度系数Z=56×10 ³，则图4-9中的两个电阻都为56K，由C1和C2的计算公式可得其值，见式（4-8）和式（4-9）。

采用以上元件设计该有源低通滤波器，使用频率特性测试仪进行功能观察，发现2KHz处具有明显的衰减，故对C1、 C2需要进行调整，考虑到该低通滤波器主要是对较高频率分量进行抑制，且对带宽的要求不甚严格，为了尽量保持通带的平稳，可放大其一3dB带宽，最终得该有源低通滤波器如图4- 10。

该有源滤波器的实际频率响应特性如下图4-11所示，其一3dB带宽为f c =20KHz，0~5KHz波形基本不发生改变，40KHz时的衰减可达56dB。

AD8302经过该巴特沃什有源低通滤波器后，信号得到了电流放大和高频抑制，则可以进行模数转换。

4.4模数转换电路

模数转换电路功能是对含有输入信号大小、幅度和相位差信息的模拟电压信号进行模数转换，并把数据交给后续电路进行数据处理。

模数转换器件的选择需要考虑多个因素。

首先，对于ADC通道数的考虑。因要对AD8307的单路输出电压和经滤波的AD8302双路输出电压进行检测，故在只考虑使用一片ADC器件时，该ADC的通道数要不小于3个，而对于多片ADC不予考虑。

其次，对于ADC位数的考虑。因设计要求相位的分辨率不低于0.1°，增益分辨率不低于1dB，对于AD8302来讲，其增益输出电压斜率为30mV/dB，相位差输出电压斜率为10mV/度，则相位所要求的准确度更高一些，要求ADC的最小可分辩电压要低于1mV，对于参考电压为2.5V的ADC，其位数要大于13位，而对于参考电压为5V的ADC，其位数要大于14位，故采用16位ADC最为合适。

再次，对于ADC速度的考虑。在扫频时，单频点持续时间最小为50μs，那么ADC在这50μs的时间内应采集到尽量多的数据，但考虑到快速的ADC的成本较高，所以在该因素上要顾及到速度和成本两因素。

本系统中使用了16位ADS8364，内部具有相互独立的6个ADC，每个ADC的转换频率为250KHz，内部有2.5V参考电压，并有输出数据缓冲，可支持多种工作模式。

ADS8364的参考电压可以为外部或内部，本系统中使用了其内部的参考电压，但要在其REF IN引脚加滤波电容，以尽量减少噪声干扰。器件的CLK时钟信号的范围在0.05MHz~5MHz，本系统中使用的时钟频率为5MHz。

引脚A 0、A 1、A 2和ADD可用于对ADS8364的工作模式选择。当A 2 A 1 A 0 =000~101时，表示对ADS8364内部的6个通道分别读数，例如A 2 A 1 A 0 =000表示CHA0进行读数，A 2 A 1 A 0 =001表示CHA1进行读数；当A 2 A 1 A 0 =110表示按照固定顺序对ADS8364进行读数，先CHA0和CHA1，再CHB0和CHB1，最后CHC0和CHC1，如此反复；当A 2 A 1 A 0 =111时，表示对ADS8364采用FIFO方式进行读数，即先转换的通道先读取数据。而ADD可以控制读取数据时，是否读取通道的地址信息，当ADD＝1时，对一个通道读数需要读两次，第一次读到的是该通道的地址，如CHA0的地址为0x8008，CHA1的地址为0x8009……CHC1的地址为0x800D，当ADD=0时没有地址数据，只需要读一次即可以把转换数据直接读出。引脚HOLDA、HOLDB、HOLDC分别控制两个ADC模块单元，本系统中使用A组和B组对AD8302的增益和相位输出电压进行不同时刻的循环采样，C组对AD8307输出电压进行采样。ADS8364的各控制信号之间的时序关系如图4-12所示。