一种基于板卡的多通道任意波形发生器的制作方法

本申请属于信号发生器领域，特别是一种基于板卡的多通道任意波形发生器。

背景技术：

任意波形发生器(Arbitrary waveform generator，AWG)用来产生各种模拟信号，除了常见的方波、三角波、正弦波、脉冲波外，还能产生多种调制波。AWG用在实验室或者生产现场生成复杂的波形，为测试待测设备对复杂波形的响应提供了一种方便的途径。

现有技术的多通道任意波形发生器各个通道单独制备，然后直接放置在仪器内部，导致多通道任意波形发生器整体体积较大。

技术实现要素：

本申请的目的是提供一种基于板卡的多通道任意波形发生器，以解决现有技术中的不足，它能够实现多通道任意波形发生器的集成化和小型化。

本申请采用的技术方案如下：

一种基于板卡的多通道任意波形发生器，其中,包括:

板卡，所述板卡上具有第一卡槽和多个平行设置的第二卡槽，其中：所述第一卡槽设置在各所述第二卡槽的同一端，且电连接各所述第二卡槽；

多个信号调理通道，各所述信号调理通道分别通过一个所述第二卡槽集成在所述板卡上，用于接收并调理波形数据；

控制单元，所述控制单元通过所述第一卡槽集成在所述板卡上，用于提供并分发波形数据给各所述信号调理通道。

如上所述的基于板卡的多通道任意波形发生器，其中，优选的，所述信号调理通道包括：

数字模拟转换器模块，其输入端连接所述控制单元的输出端，用于采集所述波形数据、处理所述波形数据并输出差分信号；

运算放大模块，其输入端连接所述数字模拟转换器模块的输出端，用于接收所述差分信号、处理所述波形数据并输出单端信号。

其中：所述运算放大模块的带宽等于所述数字模拟转换器模块的采样率的一半。

如上所述的基于板卡的多通道任意波形发生器，其中，优选的，所述数字模拟转换器模块包括：

电流输出型数模转化单元，用于采集所述波形数据、处理所述波形数据并输出差分信号；

第一电阻，一端连接所述电流输出型数模转化单元的同相输出端，另一端接地；

第二电阻，一端连接所述电流输出型数模转化单元的反相输出端，另一端接地。

如上所述的基于板卡的多通道任意波形发生器，其中，优选的，所述数字模拟转换器模块还包括：

第一电容，一端连接所述电流输出型数模转化单元的同相输出端，另一端接地；

第二电容，一端连接所述电流输出型数模转化单元的反相输出端，另一端接地。

如上所述的基于板卡的多通道任意波形发生器，其中，优选的，所述运算放大模块包括：

运算放大单元，所述运算放大单元的同相输入端连接所述电流输出型数模转化单元的同相输出端，所述运算放大单元的反相输入端连接所述电流输出型数模转化单元的反相输出端。

如上所述的基于板卡的多通道任意波形发生器，其中，优选的，所述运算放大模块还包括：

第三电阻，一端连接在所述运算放大单元的反相输入端，另一端连接所述电流输出型数模转化单元的反相输出端；

第四电阻，一端连接在所述运算放大单元的反相输入端，另一端接地。

如上所述的基于板卡的多通道任意波形发生器，其中，优选的，所述运算放大模块还包括：

第五电阻，一端连接在所述运算放大单元的输出端，另一端连接有连接器。

如上所述的基于板卡的多通道任意波形发生器，其中，优选的，所述运算放大模块还包括：

第三电容，一端通过所述第五电阻连接所述运算放大单元的输出端，另一端接地。

如上所述的基于板卡的多通道任意波形发生器，其中，优选的，所述运算放大模块还包括：

高频隔离电路，设置在所述运算放大单元的供电电路上。

如上所述的基于板卡的多通道任意波形发生器，其中，优选的，所述板卡上所述运算放大模块的输入端所在位置处的参考层镂空；

所述板卡上所述运算放大模块的输出端所在位置处的参考层镂空。

与现有技术相比，本申请通过设置第一卡槽和多个平行设置的第二卡槽实现多通道任意波形发生器的集成，由于借助卡板上的布线实现信号的传输，相比不借助卡板，大大减少了布线空间，保证了多通道任意波形发生器的集成化和小型化。

附图说明

图1是本申请提供的多通道任意波形发生器的原理图；

图2是本发明一实施例的信号调理通道的电路图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本申请的实施例提供了一种基于板卡的多通道任意波形发生器，请参阅图1所示，多通道任意波形发生器包括板卡1、控制单元2和多个信号调理通道3。

所述板卡1上具有第一卡槽和多个平行设置的第二卡槽，其中：所述第一卡槽设置在各所述第二卡槽的同一端，且电连接各所述第二卡槽；各所述信号调理通道3分别通过一个所述第二卡槽集成在所述板卡上，用于接收并调理波形数据；所述控制单元2通过所述第一卡槽集成在所述板卡上，用于提供并分发波形数据给各所述信号调理通道。

本申请通过设置第一卡槽和多个平行设置的第二卡槽实现多通道任意波形发生器的集成，由于借助卡板上的布线实现信号的传输，相比不借助卡板，大大减少了布线空间，保证了多通道任意波形发生器的集成化和小型化。

在具体实施时候，选择的板卡为18层的标准CPCI-6U板卡。控制单元2是指FPGA单元，FPGA单元与上位机之间通信，FPGA单元能够解析上位机下发的控制指令，解析出来的内容为包括波形通道选择、波形种类、波形频率、相位、幅度等的波形数据。

作为本实施例的优选技术方案，请继续参阅图1所示，所述信号调理通道包括数字模拟转换器模块和运算放大模块。

数字模拟转换器模块，即DAC模块(Digital to analog converter)，其输入端连接所述控制单元的输出端，用于采集所述波形数据、处理所述波形数据并输出差分信号。

运算放大模块，其输入端连接所述数字模拟转换器模块的输出端，用于接收所述差分信号、处理所述波形数据并输出单端信号。

其中：所述运算放大模块的带宽等于所述数字模拟转换器模块的采样率的一半。具体的，本实施例采用2GHz采样率的DAC模块，1GHz带宽的运算放大模块。根据采样定理，2GHz采样率的DAC模块可以实现1GHz的数据带宽。

作为本实施例的优选技术方案，请参阅图2所示，所述数字模拟转换器模块包括电流输出型数模转化单元(即DAC单元)、第一电阻R469和第二电阻R472。

电流输出型数模转化单元的输入端连接所述控制单元的输出端，用于采集所述波形数据、处理所述波形数据并输出差分信号；第一电阻R469的一端连接所述电流输出型数模转化单元的同相输出端，第一电阻R469的另一端接地；第二电阻R472的一端连接所述电流输出型数模转化单元的反相输出端，第二电阻R472的另一端接地。

在具体实施的时候，本实施例选用的电流输出型数模转化单元的是ADI公司的AD9739，这是一款2GHz采样率的DAC单元，并且是电流输出型的。在DAC单元的后级配置第一电阻R469和第二电阻R472，一个方面将DAC单元的电流输出转换成电压输出，另一个方面第一电阻R469和第二电阻R472作为阻抗匹配电阻，使DAC单元的输出和后级传输线阻抗进行匹配。

在设置的时候，考虑到本实施例采用的DAC单元输出信号带宽在1GHz，在这个频段的信号波长很短，需要考虑信号完整性的问题，如果不考虑信号完整性的问题就会导致严重的波形失真，进而导致DAC单元输出端输出错误的信息。进行信号完整性设计主要采用阻抗匹配和阻抗连续的手段，本实施例目标为设计成差分阻抗100欧并且连续，考虑到DAC内部引脚有一个大约110欧的输出电阻(等效电阻)，该等效电阻需要与第一电阻R469并联得到等效于50欧的输出电阻，与第二电阻R472并联得到等效于50欧的输出电阻，两个50欧合起来就是100欧的差分阻抗，以和后级传输线阻抗匹配，所以本实施例中，第一电阻R469和第二电阻R472均取值为90.9欧。

作为本实施例的优选技术方案，所述数字模拟转换器模块还包括第一电容C1041和第二电容C1044。第一电容C1041的一端连接所述电流输出型数模转化单元的同相输出端，第一电容C1041的另一端接地；第二电容C1044的一端连接所述电流输出型数模转化单元的反相输出端，第二电容C1044的另一端接地。

第一电容C1041和第二电容C1044为高频滤波电容，用来滤除DAC单元输出的宽带噪声，在具体设置的时候，第一电容C1041和第二电容C1044的取值设置为相等，均为3.2皮法。

作为本实施例的优选技术方案，请继续参阅图2所示，所述运算放大模块包括运算放大单元U98，所述运算放大单元U98的同相输入端连接所述电流输出型数模转化单元的同相输出端，所述运算放大单元U98的反相输入端连接所述电流输出型数模转化单元的反相输出端。

作为本实施例的优选技术方案，所述运算放大模块还包括第三电阻R602和第四电阻R605，第三电阻R602的一端连接在所述运算放大单元的反相输入端，第三电阻R602的另一端连接所述电流输出型数模转化单元的反相输出端；第四电阻R605的一端连接连接在所述运算放大单元的反相输入端，第四电阻R605的另一端接地。

运算放大单元U98、第三电阻R602和第四电阻R605共同构成放大电路，该放大电路有3个作用：1.将前级数字模拟转换器模块传输过来的差分信号转换成能够驱动同轴电缆的单端信号；2.提供增益，将前级数字模拟转换器模块输出的电压放大到客户需要的电压；3.提供低通滤波的功能，由于运算放大单元U98本身就带有低通的特性，因此可以用来作为低通滤波器使用。

在具体操作的时候，根据运放的差分转单端原理、所需要的增益以及运算放大单元U98内部的增益电阻合理设置第三电阻R602和第四电阻R605，在本实施例中，运算放大单元U98是型号为THS4302的运算放大器，内部有两个用来设置增益的电阻(称为输入阻抗)，其取值分别等于200欧和49.9欧，第三电阻R602和第四电阻R605作为平衡输入阻抗的电阻，且需要保证放大电路能够提供4倍的增益，以将前级数字模拟转换器模块输出的0.5v的峰值电压放大到客户需要的2V的峰值电压，所以第三电阻R602取值200欧，第四电阻R605取值49.9欧。

另，考虑到型号为THS4302的运算放大单元U98的输出阻抗很低，接近0欧，为了和后级传输线进行阻抗匹配，作为本实施例的优选技术方案，所述运算放大模块还包括第五电阻R603，第五电阻R603的一端连接在所述运算放大单元的输出端，第五电阻R603的另一端连接有连接器。第五电阻R603的使用可以有效的减少信号完整性问题，为后级提供高质量的信号。在具体设置的时候，第五电阻R603的取值设置为50欧。

另，考虑到型号为THS4302的运算放大单元U98是一款2GHz带宽的运放，和后级电容一起才可以提供1GHz的带宽，所以，作为本实施例的优选技术方案，所述运算放大模块还包括第三电容C1163，第三电容C1163一端通过所述第五电阻连接所述运算放大单元的输出端，另一端接地。第三电容C1163是高频电容，用来滤除运算放大单元U98引入的宽带噪声。在本实施例中，第三电容C1163的取值设置为2.2皮法。

作为本实施例的优选方案，所述运算放大模块还包括高频隔离电路，高频隔离电路设置在所述运算放大单元U98的供电电路上，实现对运算放大单元U98的供电电路的高频信号的隔离处理。

具体的，可以在运算放大单元U98的的供电电路上设置磁珠，磁珠能够有效隔离通过供电电路传到运算放大单元U98的噪声，为运算放大单元U98提供一个干净的供电环境，同时能够避免运算放大单元U98的高频信号的窜出，有效保证运算放大单元U98的信号的完整性。

另，在本实施例中，运算放大单元U98工作在1GHz模拟带宽下，工作在该带宽下寄生电容会影响运放系统的稳定性，进而表现出过冲、波形失真等特点。因此板卡1设计时需要特别考虑寄生电容的控制，根据运放原理可知运算放大单元U98的稳定性取决于输出端寄生电容值和输入端寄生电容值，作为本实施例的优选技术方案，所述板卡上所述运算放大模块的输入端所在位置处的参考层镂空；所述板卡上所述运算放大模块的输出端所在位置处的参考层镂空。本实施例采用的板卡为18层的标准CPCI-6U板卡，在参考层镂空设计时，将板卡上所述运算放大模块的输入端所在位置处对应的所有参考层均镂空，将板卡上所述运算放大模块的输出端所在位置处对应的的所有参考层均镂空。有效减少了运算放大单元U98的输出端寄生电容值和输入端寄生电容值。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本申请的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本申请的较佳实施例，但本申请不以图面所示限定实施范围，凡是依照本申请的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本申请的保护范围内。