脉冲检波电路设计研究

摘要：针对高频脉冲信号的采集，本文提出了一种可满足单片机自带A/D采样高频脉冲信号的检波电路。该电路是基于AD8310芯片的检波电路设计，经过多级检波，将脉冲信号频率降低，从而达到降低采样成本的目的。

关键词：高频；脉冲信号；检波电路

引言

对于脉冲信号，频率高达上百兆赫兹，脉冲沿较陡，一般的采样芯片无法直接对其进行采样处理，而采用高采样率芯片直接对脉冲信号进行采集则成本较高。因此，目前工业上常用的处理方法是对脉冲信号进行检波降频处理。

1常用方法论证及比较

1.1二极管分立元件检波

二极管分立元件检波方法主要由二极管，电容器，电阻构成。其特点为设计简单，成本低，线性度差，温度稳定性低。

1.2对数放大器检波

对数放大器检波方法主要由对数放大器和二极管组成。采用级联放大器输出端加二极管整流电路，将脉冲信号或者其它交流信号转换为直流电压。其特点为元器件多，对高频信号效果差，线性度和温度稳定性较二极管分立元件检波稍好。

1.3专用检波芯片检波

目前检波芯片主要分为功率检波和对数检波两种。芯片内部分为检波和放大两部分，输入信号检波以后进行一定倍数的放大后再输出。检波芯片检波特点是响应快速,灵敏度高，线性度和温度稳定性好，器件少,设计简单。其输出量为直流电压，但对于高频的脉冲信号，其输出的电压信号仍有微秒级的尖脉冲，一般采样芯片仍无法准确捕捉。

2本方案设计

2.1整体设计方案

本方案中采用了ADI公司的AD8310专用对数检波芯片后级加改良后的放大器峰值检波电路。AD8310检波芯片将脉冲信号转换为直流电压信号，其中含有一定量的直流脉冲分量，后级放大峰值检波电路将该直流脉冲分量继续降频，将峰值保持住，以便于单片机采样。

2.2AD8310芯片特性

AD8310是一款高速电压输出、解调频率范围为DC～440MHz的对数放大检波器，其内部有六个串联的放大器／限幅器，且在带宽900MHz（-3dB）时，每个放大器／限幅器的小信号增益均为14.3dB。该芯片共使用了9个检波器，检波范围从-91dBV（40μV）～+4dBV（2.2V），其中我们定义0dB为真有效值为1V的正弦波。AD8310的解调输出可精确标定，其对数斜率为24mV/dB，误差为±1dB。截止电压为－108dBV，并以独立的供电电压和独立的温度作为标定参数。AD8310的完全差动输入具有1kΩ电阻与1pF电容并联的高输入阻抗。通过50Ω阻抗网络的输入匹配可保证-78dBm～+17dBm的功率灵敏度。当信号频率范围在100MHz以内时，其对数线性度的误差在±0.4dB以内，到440MHz时误差略大。AD8310没有最小使用频率的限制，因而可用于低频信号检波。AD8310允许输出负载有较大的变化范围，并可驱动高达100pF的容性负载。AD8310成本低、体积小、功耗低、精度高、稳定性好、动态范围宽，其频率范围可从直流信号到超高频信号。另外，它还具有响应时间快、负载驱动能力强等特点，可广泛应用于需要衰减信号到分贝级的电路中。AD8310为工业级芯片，其使用温度范围为-40℃～+85℃，封装采用8脚小型贴片形式。AD8310对数放大检波器的输入信号在-87dB～13dB范围内，AD8310的输出均具有很好的线性度。

2.3AD8310芯片基本电路

通过查阅AD8310芯片的技术手册，我们可以得到该芯片的基本应用电路。该电路为大多数应用应用设计中所需的电路图。其中，芯片VPOS引脚的电源电压在2.7V和5.5V之间，并使用接近管脚的0.01μf电容进行去耦。一般情况下，可以在电源线路中串联一个小的电阻（4.7Ω）作为电源噪声的滤波。ENBL引脚为芯片的使能端，其阈值约为1.3V，当使能引脚不用时需要将其接至AD8310的VPOS引脚，即高电平。AD8310的输入端可以是差分输入，但是一般情况下其输入端设置成单端输入，另一端通过电容C1接地。输入信号通过C2耦合。而且，电容C1和电容C2的值应相同，以尽量减少AD8310芯片启动时的瞬态不平衡。输入端52.3Ω电阻可与AD8310芯片内部的1.1kΩ输入阻抗相结合在AD8310中产生一个50Ω输入阻抗匹配。在高频应用中，应在芯片输入端加一个高能滤波网络，滤波截止频率应与尽可能的高，以减少不需要的低频耦合信号。在低频应用中，相同的原因，应在芯片输入端加一个简单的低通滤波网络以衰减不需要的高频信号或者干扰。

2.4AD8310芯片实际电路设计及测试

通过了解掌握AD8310芯片的基本资料，设计测试电路如图1所示。其中，R2选择与52.3Ω近似的51Ω常规电阻，C1与C9为预留设计，可不焊接。注意，在测试脉冲信号的时候C6要去除，否则会将检波后的脉冲信号吸收掉。在设计PCB电路板的时候，尽量保证R1,C1与C2对称布局，以保证阻抗平衡。整体布局时，保持信号由从左到右的方向在电路板上通过，以减少干扰。在该功能测试电路的输入端通过信号发生器给定峰值1V重复率500Hz的脉冲信号，通过示波器测试其输出端的信号。通过分析发现，AD8310检波后的波形仍有一部分高频脉冲，虽然其频率较原始信号降低很多，但是仍不能用采样率只有1Msps以内的单片机进行直接采样。

2.5放大器峰值检波电路

为了进一步对脉冲信号进行降频处理，我们加一级放大器峰值检波电路。但是，峰值检波电路中二极管有一个缺点，信号电压从零上升过程中，只有大于二极管的导通电压输出端才会出现信号变化，而且这个过程需要花费一定时间，如果在这个过程，输入信号发生变化，输出则会出现失真。因此，需要在电路中加入一定的措施来解决这一问题。也就是说，二极管输出部分电压要能够尽量跟随输入信号的电压，并提供一个尽可能理想的二极管，同时能够提供有效的输入缓冲。一个经典的电路是通过在输入和输出间增加一个二极管，这点类似于电压钳位。最终设计的电路如图2所示。该电路出现于TI公司的Difet静电计级运算放大器OPA128的DATASHEET里。但电路中的D3为修改后的设计，原电路设计中为场效应管，这里我们改为快速二极管，通过实际测试，效果基本一样。在这个电路中，C24为模拟峰值存储器，建议使用聚本乙烯电容，以减少泄漏电流；运算放大器选择高输入阻抗运算放大器，以提高直流特性；C23电容为防自激电容。该电路线性度良好，检波特性明显，有效消除了二极管的导通压降。

2.6整体电路设计

通过以上分析测试，我们设计的最终检波电路如图3所示。此次测试，选取200MHz以内的信号为有效信号。在AD8310前端匹配了一个200MHz的LC低通滤波器以衰减无效信号，PCB布板信号按照从左到右的方向流通，在PCB电路板的底层全部铺上信号地，以减小干扰。

2.7最终电路输出波形分析

为电路提供±5V电源，信号发生器输出频率500Hz脉冲波，峰值5mV，通过分析测量电路板输出端的波形得到，脉冲信号经过放大并多级检波后，波形变为直流量与脉冲量的累加，并且该脉冲经过峰值检波后，波峰可保持400微秒以上。在这种情况下，一般单片机均可对其进行直接采样处理。为了进一步验证该方案的可行性，对其进行线性度测试。实际测量证明，该方案所设计电路线性度良好，基本满足设计要求。

3结论

针对脉冲信号，本方案中所设计的多级检波电路完全可以有效起到降频作用，并将信号峰值保持在一定时间内，以保证单片机自带A/D功能进行正常采样分析处理，且该电路反应灵敏，能够有效识别脉冲信号变化。但在实际应用当中发现，AD8310输入端极易受到外界噪声干扰，因此建议在实际电路中，对该部分电路进行外部金属屏蔽处理。

参考文献

[1]ADI公司AD8310数据手册[Z].

[2]德州仪器公司OPA128数据手册[Z].

[3]billyevans，史上最实用较深刻的峰值检测电路实例与分析[Z].

[4]戴荣伟.高压脉冲电子电路干扰源的成因剖析与控制[J].电子制作,2014(01):26.

作者：郝术兴 单位：保定中创电子科技有限公司