一种数字示波器10MHz参考时钟的电路设计_王啸.pdf

4 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月Electronics 电子学内部10MHz参考时钟进行同源化，以保证测试结果的正确性。因此，保证示波器内部参考时钟的稳定性和准确性，在示波器研发过程中十分重要。以往的设计过程中，在对示波器内部功能板进行10MHz测试时，需要对采集、ADC等芯片分别进行参考时钟的电路设计，费时费力，时钟发生电路的实用性和通用性较低。本文设计了一种数字示波器的10MHz参考时钟的发生电路。通过单刀双掷开关、反相器和软件控制等方法在一个通道电路中实现10MHz参考时钟的发生输出、外部10MHz参考时钟的输入和示波器内部不同功能板对10MHz参考时钟的应用需求，提高了其他电路测试时所需参考时钟的准确度和可靠性；同时实现了10MHz参考时钟的多路复用，提高了信号利用率，节省了硬件成本及布线空间；避免了示波器各功能板对同一频率参考时钟的重复设计，节约了调试时间，极大丰富了示波器的功能及适用性。1 10MHz参考电路整体框图设计10MHz参考波形主要通过晶振输出，经过输入/输出选择、放大、保护、滤波等一系列处理后，经芯片实现一分多的多路复用5,6。参考时钟发0 引言示波器作为一种量大面广的基础型测试仪器，不仅可以精确地复现信号电压随时间变化的波形，进行各种波形参数自动测量与分析，如信号频率、幅度、信号相位信息脉冲参数等；还可用于高速、高精度的数据采集单元，进行原始信息收集、分析和处理，完成各种监测和数据分析任务，广泛应用于模数混合信号测试、嵌入式系统设计与调试、瞬态信号的定位与分析、电源测量与分析、视频系统设计与调试、产品测试和质量控制等领域1,2。随着通信设备的普及,通信测量仪器的需求量也日益增多,现代通信设备测量仪器中,需要精准的时钟源,来保证测量数据的精确性。作为一个测试领域常用的频段，10MHz参考时钟在示波器内部电路和其他测试电路中均需要该频率的时钟来实现不同功能板间时钟的匹配3。在示波器内部，参考时钟的稳定性和准确性会对ADC工作的稳定性和正常性造成影响，在某些情况下，甚至会影响示波器整机的功能正常性，得出错误的测试结果4。在通过示波器组件测试系统时，为保证测量结果的准确性，需要将系统内部多个测试测量仪器的参考时钟进行同源化处理。通常，选用示波器的作者简介：王啸，中电科思仪科技股份有限公司，工程师，硕士；研究方向：射频电路设计。收稿日期：2023-01-08；修回日期：2023-05-12。摘要：阐述一种10MHz参考时钟的发生电路设计，不仅满足了示波器内部各功能模块对参考时钟的设计要求，而且实现了10MHz参考时钟对外输出的功能。该时钟发生电路具有功耗小、精度高、调试方便以及可靠性高的优点。关键词：电路设计，10MHz，参考时钟，示波器。中图分类号：TN79文章编号：1000-0755(2023)05-0004-02文献引用格式：王啸，刘洪庆，邵建波.一种数字示波器10MHz参考时钟的电路设计J.电子技术,2023,52(05):4-5.一种数字示波器10MHz参考时钟的电路设计王啸，刘洪庆，邵建波（中电科思仪科技股份有限公司，山东 266555）Abstract This paper describes the design of a 10MHz reference clock generation circuit,which not only meets the design requirements of the internal function modules of the oscilloscope for the reference clock,but also realizes the external output function of the 10MHz reference clock.The clock generation circuit has the advantages of low power consumption,high precision,convenient debugging and high reliability.Index Terms circuit design,10MHz,reference clock,oscilloscope.Design of 10MHz Reference Clock for Oscilloscope CircuitWANG Xiao，LIU Hongqing，SHAO Jianbo(CETC Ceyear Technologies Co.,Ltd.,Shandong 266555,China.)电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 5Electronics 电子学生电路可通过人机交互界面控制FPGA输出不同控制位，控制开关通断，实现10MHz参考时钟的对外输出、外部参考时钟的输入以及对示波器内部其他功能板提供参考时钟，整体框图如图1所示。其中，10MHz参考时钟发生电路通过选用温补压控振荡器实现，以保证在各个温度时可获得稳定的10MHz参考时钟，然后经过滤波、保护、放大电路等输出至其他功能板或外部测量仪器。其中，FPGA通过控制继电器的通断，实现10MHz对外的参考输出及外部参考的输入、对内的其他功能板的输入时钟等功能8。2 10MHz参考时钟的发生及传输设计10MHz参考时钟的发生电路及传输框图如图2所示。图2中，Vcc经过L1、C1、C2对10MHz晶振提供电源，C3为隔直电容，并实现晶振对外的时钟输出。FPGA通过对单刀双掷开关的控制，实现参考时钟的对外输出和对内功能板的参考时钟输入的选择。限幅与滤波电路如图3所示。C4和C7为隔直电容，减少电源等对交流信号的影响；L2、C5和R2、C6为滤波电路，去除时钟信号中的纹波及毛刺，获得高质量的时钟信号；选用双开关二极管BAV99，对时钟信号进行保护，防止电压不稳时对硬件电路的冲击。信号放大电路如图4所示。通过设置R5、R3不同的阻值可实现对时钟信号不同比例的放大。本设计采用R5/R3=10实现时钟信号的10倍放大，在增强负载能力的同时，避免了放大后信号的失真，同时，在进行R5和R3阻值的选择时，需对R6端输出10MHz参考时钟进行测量，保证参考时钟50%的占空比。3 10MHz参考时钟的分路控制设计对参考时钟进行分路输出时，通过选用可控的具有多路输出的门电路，经FPGA控制后可实现10MHz的多路输出，通过对不同输出进行传输线的等长设计，可以满足示波器内部不同功能模块间的时钟匹配要求。参考时钟分路控制模块如图5所示。FPGA通过输出不同的控制信号，实现对集成电路的输出控制，使10MHz参考时钟信号可以根据需求输出至不同的示波器功能板。图5中，R7、R8、R9通过T型连接的方式，实现信号的衰减，设计师可通过选用不同的参数进行设置，保证参考时钟信号质量的前提下，满足后端功能板对10MHz参考时钟的幅度要求，避免超出各功能板硬件要求，提高参考时钟信号的利用率，C8主要用来消除集成电路及后端线缆对参考时钟的影响，为满足调试需要，参考时钟进行分路后通过连接器送至示波器内部各个功能模块，将参考时钟的调试与示波器整机的调试分离，便于测试。4 结语10MHz参考时钟不仅是示波器内部各功能模块必备的时钟频段，也是测试测量领域经常使用和参考的时钟频段。随着ADC带宽的增大，采样时钟的速率也随之增大，时钟芯片对参考时钟质量的要求越发严苛。各类时钟芯片对10MHz的参考时钟的要求不尽相同。本文设计了一种示波器10MHz参考时钟的通用电路，使10MHz参考时钟能够同时满足内部不同功能板之间的时钟需求、对外输出参考时钟，以及对外部输入时钟的观测等功能，提高了示波器的实用性和便利性，丰富了示波器的功能。参考文献1 孙骅.示波器的原理与应用J.电子制作,2013(05):25.2 刘洪庆,向前.示波器最新技术进展与发展趋势J.电子质量,2021(08):1-5.3 彭龙.200MSPS任意波形发生器数字电路设计D.四川：电子科技大学，2012.4 罗凯.用于超高速时间交织A/D转换器的时钟电路设计D.重庆:重庆大学，2015.5 姚丽娜.时钟产生电路中高频生成器的分析与设计J.微电子学,2008(02):218-221.6 尹坤.PXIe集成电路测试系统多通道同步技术研究与实现D.四川：电子科技大学，2020.7 吴建宁.实用教学数字电路时钟电路的成型与调试J.电子制作,2015(19):77+87.图2 10MHz参考时钟发生及传输框图图1 10MHz参考时钟功能整体框图图3 限幅保护与滤波电路 图4 信号放大电路图5 参考时钟分路控制模块