混頻技術(shù)在寬帶模擬信號(hào)隔離傳輸中的應(yīng)用

劉 鑫，孟昭為

（山東理工大學(xué)理學(xué)院，山東淄博255091）

模擬信號(hào)隔離技術(shù)是使模擬信號(hào)在傳輸時(shí)不存在穿越發(fā)送和接收端之間屏障的電流連接．這允許發(fā)送端和接收端處的地或基準(zhǔn)電平之差值可以高達(dá)幾千伏，并且防止了可能干擾信號(hào)和損壞電氣設(shè)備的不同地電位之間的環(huán)路電流的產(chǎn)生．物理上的隔離將信號(hào)分別分離到一個(gè)干凈的子信號(hào)系統(tǒng)地，使傳感器、儀器儀表或控制系統(tǒng)與電源之間互相隔離，從而保證整個(gè)系統(tǒng)裝置的安全、可靠及穩(wěn)定．隔離是模擬信號(hào)采集傳輸過(guò)程中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)；混頻是通訊原理中一個(gè)十分重要的概念，是一種信號(hào)處理技術(shù)，它在模擬信號(hào)通信中扮演著十分重要的角色．由于一般磁性隔離耦合器件只能傳輸高頻模擬信號(hào)，因此為了通過(guò)磁性耦合器件傳輸?shù)皖l模擬信號(hào)，首先需要將低頻模擬信號(hào)通過(guò)模擬乘法器或混頻器上變頻的方法調(diào)制到合適的頻段，然后通過(guò)磁性隔離器件進(jìn)行線性傳輸，再通過(guò)下混頻的方法在另一端將原始信號(hào)還原出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)寬帶模擬信號(hào)的隔離傳輸．

1 模擬信號(hào)在傳輸過(guò)程中需要隔離的原因及需求

1．1 安全性及準(zhǔn)確性

毋庸置疑，在任何領(lǐng)域儀器儀表使用者的安全問(wèn)題［4]應(yīng)當(dāng)放在第一位．沒(méi)有良好的隔離，往往給設(shè)備的使用者和操作者帶來(lái)很大的不便和安全隱患，容易造成事故．尤其是在醫(yī)療儀器領(lǐng)域更是顯而易見(jiàn)的，因此醫(yī)用安全隔離柵的使用變成了標(biāo)準(zhǔn)．在保證使用者或操作者都安全的前提下，數(shù)據(jù)采集儀器等系統(tǒng)的隔離也能保證設(shè)備間的安全穩(wěn)定的運(yùn)行．在非隔離的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集多路［5]數(shù)據(jù)時(shí)，常常會(huì)遇到通道間的共地問(wèn)題，尤其是在一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)下進(jìn)行測(cè)試，共地問(wèn)題往往是一般非隔離儀器難以解決的，不同的共地之間形成著電位差很容易造成環(huán)路電流，處理不好共地問(wèn)題很容易造成測(cè)量?jī)x器設(shè)備的損壞．而且不同參考地之間的噪聲也易相互串?dāng)_，從而影響的模擬信號(hào)采集的質(zhì)量和精度

1．2 寬帶模擬信號(hào)隔離的難點(diǎn)

模擬信號(hào)的隔離早已不是什么新鮮事，但主要的技術(shù)瓶頸是信號(hào)的帶寬和線性度．傳統(tǒng)的模擬信號(hào)隔離技術(shù)一般有光電隔離［7]、隔離放大器［8]和光纖隔離等．光電隔離一般是使用線性光耦作為主要器件，但線性光耦的帶寬一般非常低，無(wú)法滿足越來(lái)越高的信號(hào)帶寬需求；雖然隔離放大器技術(shù)日趨成熟，使用也簡(jiǎn)單，但在帶寬特性方面存在著與線性光耦同樣的帶寬低的問(wèn)題，而且價(jià)格昂貴性價(jià)比較低．雖然光纖隔離技術(shù)通帶帶寬多在GHz級(jí)別，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜，而且成本極高．模擬信號(hào)的高速化和高帶寬化提高了對(duì)被隔離模擬信號(hào)的帶寬需求，這同時(shí)也成為模擬信號(hào)隔離技術(shù)的難點(diǎn)及關(guān)鍵所在．相比之下，混頻調(diào)制隔離技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)寬帶模擬信號(hào)隔離傳輸?shù)妮^高性價(jià)比的選擇．

2 混頻隔離的實(shí)現(xiàn)

2．1 混頻隔離的模型

混頻也稱為變頻，是一種頻譜線性搬移過(guò)程，是指將原信號(hào)的各頻率分量搬移到新的頻率上．混頻是一種信號(hào)的調(diào)制技術(shù)．混頻隔離技術(shù)是指將原有信號(hào)與本振調(diào)制，通過(guò)隔離變壓器等磁性元件耦合至磁性元件的另一端，再把原始信號(hào)解調(diào)出來(lái)由于磁性元件的材料及形狀對(duì)信號(hào)的線性度及頻率響應(yīng)都有很大的影響，因此磁性元件的選擇對(duì)于實(shí)現(xiàn)所要隔離帶寬的數(shù)量級(jí)起著很重要的作用．本設(shè)計(jì)中選用了一顆100～400MHz頻帶范圍內(nèi)線性度較好的磁性耦合元件，實(shí)現(xiàn)了10～100MHz寬帶模擬信號(hào)的隔離傳輸．混頻隔離方案如圖1所示．

圖1 混頻隔離方案示意圖

2．2 混頻器調(diào)制解調(diào)模塊

2．2．1 混頻器簡(jiǎn)介

混頻器是產(chǎn)生的振蕩頻率為兩個(gè)輸入振蕩或信號(hào)頻譜分量中的頻率的整數(shù)倍的線性組合的非線性器件．輸出信號(hào)頻率等于兩輸入信號(hào)頻率之和、差或?yàn)閮烧咂渌M合的電路器件．混頻器通常由非線性元件和選頻回路構(gòu)成．混頻器有兩個(gè)輸入電壓：輸入信號(hào)us和本地振蕩信號(hào)uL，其工作頻率分別為fc和fL；混頻器的輸出信號(hào)稱為中頻信號(hào)uI，其頻率是fc和fL的差頻或和頻，稱為中頻fI．fI＝fL＋fc時(shí)稱為向上變頻，輸出高中頻，用于信號(hào)發(fā)送系統(tǒng)；fI＝fL－fc或fI＝fc－fL時(shí)稱為向下變頻，輸出低中頻，用于信號(hào)接收系統(tǒng)．

本設(shè)計(jì)中混頻器采用了美國(guó)亞德諾半導(dǎo)體的ADL5801，該器件具有線性度高、噪聲低的特點(diǎn)，可提供1．8dB功率轉(zhuǎn)換增益、＋28．5dBmIIP3和9．75dB的噪聲系數(shù)．混頻器電路如圖2所示．

圖2 混頻器電路

發(fā)送部分將原始信號(hào)進(jìn)行上變頻調(diào)制到磁性隔離元件線性范圍內(nèi)，即100MHz到400MHz之間，在磁性元件的另一端采用同樣的混頻電路進(jìn)行下變頻解調(diào)，線性地恢復(fù)原始信號(hào)．

2．2．2 混頻實(shí)現(xiàn)線性調(diào)制與解調(diào)的理論基礎(chǔ)

那么，對(duì)于需要變頻的寬頻帶模擬信號(hào)怎樣將其搬移至目的頻帶上，并從接收方將其真實(shí)線性地還原出來(lái)呢？

圖3 慮波法實(shí)現(xiàn)線性調(diào)制模型

調(diào)制輸出的信號(hào)表達(dá)式為

式中

相應(yīng)的頻域表示式為

對(duì)于式（3），模擬線性調(diào)制的模型可換成另一種形式．基于上式的模擬線性調(diào)制移相法的一般模型如圖4所示．

圖4 擬線性調(diào)制移相法的一般模型圖

解調(diào)是調(diào)制的反過(guò)程，是將已調(diào)信號(hào)的頻譜中位于載頻的信號(hào)頻譜再搬回到低頻處．

相干解調(diào)的一般模型如圖5所示．

圖5 線性調(diào)制相干解調(diào)的一般模型

相干解調(diào)的輸入信號(hào)為

與同頻同相的本地載波相乘后

經(jīng)過(guò)低通濾波器（LPF）后

2．2．3 混頻器的抗干擾設(shè)計(jì)

工作于非線性狀態(tài)的變頻器除了能把有用的輸入信號(hào)變換為規(guī)定的輸出頻率外，其他頻率不同的輸入信號(hào)（或其諧波）在滿足某種條件時(shí)也能被變換到該輸出頻段，形成對(duì)有用信號(hào)的干擾，稱為變頻干擾［10]．因此，抗干擾也是混頻器電路設(shè)計(jì)中需要注意的環(huán)節(jié)．根據(jù)本次設(shè)計(jì)的帶寬指標(biāo)，電路中設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的高通濾波器（HPF）和低通濾波器（LPF），以保證整個(gè)模塊的抗干擾性能．

2．3 實(shí)驗(yàn)論證

為了保證實(shí)驗(yàn)的順利，首先使用ADS2009設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行理論仿真［11]，通過(guò)仿真分析后進(jìn)行后期PCB Layout與電路調(diào)試，并使用FLUKE校準(zhǔn)儀FLUKE5820A、Tektronix示波器TDS2042B和耐壓測(cè)試儀對(duì)3塊樣品進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和表2．

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看到，整個(gè)模塊的輸入與輸出在10MHz至100MHz頻帶范圍內(nèi)具有良好的線性度，0．1dB增益平坦度達(dá)到30MHz，－3dB帶寬不低于100MHz．模塊具有較好的抗干擾特性，隔離電壓達(dá)到1．5kV，基本滿足了設(shè)計(jì)需求，很好的解決了寬頻帶模擬信號(hào)的隔離傳輸問(wèn)題．

表1 幅頻響應(yīng)特性測(cè)試

表2 隔離電壓特性測(cè)試

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