320107 刘帅威 E题 简易数字信号传输行能分析仪

噪声影响较大，所以将CLK及信号线的走线均使用屏蔽线。 3.2.2 低通滤波器

低通滤波器电路如附图2。此部分由低通滤波和程控放大两部分组成。

低通滤波：选用三阶巴特沃斯滤波器搭建截止频率为100kHz、200kHz、500kHz的三个滤波器，运放选择FET输入型运放OPA604，其电压噪声密度密度为10nVHz，摆率为25V?s，增益带宽积为20MHz。滤波器之间的切换采用继电器组实现。

程控放大部分：由滤波器输出的信号峰峰值为3.6V，先经一级电阻网络衰减至峰峰值1.44V，再给入程控放大芯片VCA822实现放大倍数可调。VCA822是直流耦合型宽带压控增益放大器，增益线性变化，电压峰峰值为5V时带宽可达137MHz。放大器增益由控制电压VG和外围电阻阻值共同决定，此处选取RG?RF?1K?，则其对应的增益控制式为Av?VG?1。其变化范围为-1V~1V。VG由12位串行DA转换器TLV5616控制，后加一级固定增益放大，以实现整个程控放大模块0.2~4的增益可调。因输出信号最大峰峰值可达14.4V，选用可±18V供电的电流型运放AD811构成闭环放大，将信号放大5.6倍。

3.2.3 加法器

加法器电路如图5。伪随机序列

与信号V2分别V3经电容C1隔直后，

经一个1kΩ电阻在A点相加，为避免C1对信号相加的影响，在其与A点之间加一级射随进行隔离。由于两1kΩ的分压作用，A点得到的相加信号幅值均衰减了一半，在其后加一级由AD811构成的两倍放大，采用同向接法，同时有隔离前后级

图5 加法器电路 的作用。

3.2.4 眼图显示电路

眼图显示的硬件电路主要由信号幅值调理和AD采样两部分构成。电路图见附图3。 信号幅值调理部分包含隔直网络、电阻衰减网络、VCA824程控放大及一级固定增益放大，实现将加法器输出信号V2a调理为±2V电压输出，以匹配AD采样芯片的输入

电压范围。VCA824为压控增益线性放大器芯片，其控制电压由DAC芯片TLV5616输出的直流电平提供。

AD采样采用模数转换芯片MAX1425实现，MAX1425是10位并口高速模数转换器，最高采样率为20MHz。前加一级差分运放THS4151，可实现双极性信号采样。 3.2.5同步信号提取电路

同步信号提取的硬件电路包括一级固定增益放大、截止频率为250kHz的椭圆滤波器、隔直衰减网络及AD采样四部分。

输入信号V2a经一级固定增益运放放大5倍，由于供电电压的限制，信号中电压较高的部分经放大后只能输出供电电压值，但高的增益会使得信号的边沿更加陡峭，采用THS3001接成反相放大形式实现。椭圆滤波器作用为滤去高频噪声信号。为了匹配后级ADS805的输入范围，故加入隔直衰减网络对信号幅值进行调理。电路图见图6。 ADS805为12位并行高速模数转换器，采样率为20MHz。在输出端串联100Ω的小电阻，以降低信号上下沿的跳变速度，减小尖峰干扰脉冲影响。同时，在时钟输入端与地

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间接入一个容量为100pF的小电容，以吸收尖峰干扰脉冲。电路图见图6。

3.3系统软件与流程图

系统以基于NiosⅡ软核的SOPC（System on a Programmable Chip）为控制和数据处理的核心，分为数字信号产生及数字信号分析两部分。第一部分主要实现m序列数字信号的产生及功能控制；第二部分实现同步信号的提取和眼幅度测量及显示控制。

图6 同步信号提取的前级滤波电路

开始开始初始化初始化开始开始初始化初始化ADAD采样采样同步信号提取同步信号提取AD采样数据存储

N等待按键中断等待按键中断Y功能功能切换切换N等待编码等待编码Y数值数值增减增减光标位光标位置切换置切换触发控制触发控制眼图显示眼图显示眼幅度测量输出输出(a)数字信号产生部分4 测试方案与测试结

果

4.1测试仪器

15MHz函数信号发生器 数字示波器 直流电源 4.2测试方案及结果分析 4.2.1数字信号V1测试

(b)数字信号分析部分图7 软件流程图

型号：Agilent33120A

型号：Tektronix TDS 1002，双通道，60MHz 型号：SG173SB3，稳压稳流型

用示波器观察数字信号V1的波形、幅度，并在设置数据率不同时测出其最窄脉宽，从而计算出其真实数据率及误差。测试结果见表1。

表1 数字信号V1数据率测试表 10 20 30 40 50 设置数据率（kbps） 100 50 33.3 25 20 最窄脉宽（?s） 10 20 30 40 50 实测数据率（kbps） 0% 0% 0% 0% 0% 误差 60 70 80 90 100 设置数据率（kbps） 16.7 14.3 12.5 11.1 10 最窄脉宽（?s） 60 70 80 90 100 实测数据率（kbps） 0% 0% 0% 0% 0% 误差 通过观察知，输出信号为幅值为3.6V的TTL电平，数据率可在10~100kbps范围内按10kbps步进调整，误差绝对值为0。 4.2.2滤波器特性测试

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（1）滤波器十倍频程幅频特性测试

分别选择100kHz、200kHz和500kHz的滤波器通道进行测试，设置输出频率不同，用示波器观察输出信号V2在整个扫频范围内的幅值变化，并测试出各滤波器通道的截止频率。测试结果见表2。

表2 滤波器十倍频程幅频特性测试表 20 50 80 100 200 500 1000 频率（kHz） 10 100k幅度（V） 10.8 1.08 1.08 1.00 0.83 0.16 0.012 0.002 Hz 102.5kHz 2.5% 截止频率 截止频率误差绝对值 50 100 150 200 500 1000 2000 频率（kHz） 10 200k幅度（V） 1.10 1.10 1.11 1.06 0.76 0.07 0.01 0.002 Hz 198.9kHz 1.1% 截止频率 截止频率误差绝对值 500k频率（kHz）50 150 350 500 1000 3000 5000 10 Hz 幅度（V） 1.09 1.09 1.10 1.10 0.72 0.12 0.008 0.002 497.8kHz 2.2% 截止频率 截止频率误差绝对值 由测试数据知，每个滤波器带外衰减均不少于40dB/十倍频程，且截止频率误差绝对值不大于2.5％。

（2）滤波器通带增益AF测试

设置信号输出频率为50kHz，改变其放大倍数，用示波器观察输出信号V2的幅值，测试数据记录于表3。

表3 滤波器通带增益AF测试表

预置AF 0.2 0.684 0.19 5% 0.5 1.73 0.48 4% 1 3.64 1.01 1% 2 7.13 1.98 1% 3 10.87 3.02 0.67% 4 14.54 4.04 1% V2幅值（V） 实际AF 误差 由测试数据知，滤波器的通带增益AF 在0.2~4.0 范围内可调，且误差小于5%。 4.2.3伪随机信号V3测试

（1）设置编码类型为普通编码，用示波器观察输出信号峰峰值为100mV，误差绝对值为0。

（2）设置编码类型为普曼彻斯特编码序列，预置伪随机信号V3的输出峰峰值不同，用示波器观察其实际峰峰值，并在预置幅度为2V时测试最窄脉宽，计算其数据率及误差。测试结果记录于表4。

表4 伪随机信号V3峰峰值范围测试表

300 800 1500 2500 3600 预置峰峰值（mV） 100 实际峰峰值（mV） 102 2% 误差 最窄脉宽（V3p?p?2V时） 304 1.75% 100ns 816 2% 数据率 1520 1.3% 10Mbps 2540 1.6% 误差 3660 1.7% 0% 由上表数据知，伪随机信号V3数据率为10Mbps，误差绝对值0，其峰峰值可在100mV~TTL电平范围内幅度可调，误差不大于2%。

4.2.4数字信号V2a的眼图显示、眼幅度及最小信噪比测试 （1）用V1?clock同步时的眼图测试

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在普通编码模式下，闭合开关S，利用V1?clock时钟信号进行同步，可在示波器上观察到信号眼图及其眼幅度值。 （2）用V4?clock同步时的眼图测试

在曼彻斯特编码模式下，断开开关S，在数字信号数据率不同时测试提取的同步信号V4?clock，可观察到V4?clock与信号设置数据率精确相等。并可在示波器上观察到信号眼图及其眼幅度值。 （3）最小信噪比测试

在曼彻斯特编码模式下，断开开关S，设置数字信号V2增益0.3倍，则V2a峰峰值约为1V，调整噪声信号峰峰值在100mV~TTL电平范围内变化，用示波器观察产生眼图是否稳定，当图形由稳定变为不稳定的临界情况时，即为系统可达到的最小信噪比，记录此时噪声幅值，计算出全频带内可达到的最小信噪比为1:1.5，在30kHz~70kHz范围内最小信噪比可达1:2。

5 总结分析与结论

系统设计了一个简易数字信号传输性能分析仪，实现了数字信号的产生和数字信号传输性能的测试。利用三个低通滤波器和一个伪随机信号发生器来模拟传输信道的幅频特性和噪声影响，完成了同步信号提取、眼图显示和眼幅度测量等功能。从总体上看，系统的性能很好，能满足题目要求。因系统涉及小信号噪声及高频时钟信号等问题，故需十分注意信号线和地线的处理，我们采用屏蔽线及SMA头进行信号传输，获得了较好的效果。

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