一種雙極性三元數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

張志陽(yáng)，周向紅

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第43研究所，合肥 230088）

1 引言

機(jī)載設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由發(fā)送器、串行傳輸總線(xiàn)和接收器三部分組成。雙極性三元數(shù)字信號(hào)發(fā)生器是串行傳輸總線(xiàn)的重要組成部分，它是把普通的串行數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成雙極性三元數(shù)字信號(hào)。

接收器設(shè)置在接收設(shè)備的輸入端，它和串行數(shù)據(jù)總線(xiàn)相接，用來(lái)接收由發(fā)送器送來(lái)的雙極性三元數(shù)字信號(hào)。接收器將其解碼還原為普通的串行數(shù)據(jù)信號(hào)，然后再將串行數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)移位寄存器轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)信號(hào)送給接收設(shè)備。由于雙極三元數(shù)字信號(hào)含有自同步的時(shí)鐘信息，在接收器電路中有時(shí)鐘脈沖檢波電路，它可把發(fā)送器的時(shí)鐘脈沖還原，保證接收器電路與發(fā)送器同步，從而實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的接收工作。

采用雙極性三元數(shù)字信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，大大提高了機(jī)載通信的抗干擾能力，確保特殊通訊系統(tǒng)在特殊情況下的正常使用。減小雙極性三元數(shù)字信號(hào)的上升沿和下降沿時(shí)間，有利于提高機(jī)載通信的通信質(zhì)量。

2 設(shè)計(jì)要求

2.1 詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)

（1）串行碼傳輸速率：48 kbit/s（容差±25%）；

（2）電源電壓：VDD=5～5.5 V，VEE=-5～-5.5 V；

（3）雙極性輸出碼的電平要求（負(fù)載為：10 nF電容與600 Ω電阻串聯(lián)）：

A線(xiàn)到B線(xiàn)：“1”—+10±1 V；“0”—-10±1 V；

A線(xiàn)到COM：“1”—+5±0.5 V；“0”—-5±0.5 V；

B線(xiàn)到COM：“1”—+5±0.5 V；“0”—-5±0.5 V；

（4）輸出脈沖上升時(shí)間：≤2.5 μs；

（5）輸出脈沖下降時(shí)間：≤2.5 μs；

（6）具有使能功能：使能信號(hào)En=“0”時(shí)，輸出清零，即輸出A與輸出B均為“0 V”電壓。

（7）工作溫度范圍：-55～+125 ℃

2.2 輸出與輸入波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系

在時(shí)鐘CP控制下，數(shù)據(jù)D與輸出信號(hào)“輸出A線(xiàn)到輸出B線(xiàn)”、“輸出A線(xiàn)到公共端COM”、“輸出B線(xiàn)到公共端COM”的波形關(guān)系要求如圖1所示。

圖1 輸出與輸入的波形關(guān)系

3 電路功能分析

由電路的功能要求可見(jiàn)：（1）使能端En的功能要求為，En=“0”時(shí)，輸出清零，即輸出A與輸出B均為“0”電平；En=“1”時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸；（2）輸出電平與各輸入端電平的關(guān)系，即電路的真值表如表1所示。

表1 電路真值表

4 電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本電路實(shí)現(xiàn)將普通串行數(shù)據(jù)信息（D）轉(zhuǎn)換成雙路（A線(xiàn)與B線(xiàn)）反相的雙極性三電平信號(hào)。

4.1 輸出級(jí)設(shè)計(jì)

根據(jù)輸出信號(hào)雙極性三電平的要求，輸出級(jí)采用三組開(kāi)關(guān)控制的H橋電路結(jié)構(gòu)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2，圖中的600 Ω電阻和10 nF電容是電路的負(fù)載。通過(guò)a、b、c三組開(kāi)關(guān)的有序?qū)?，便可得到雙路（輸出A與輸出B）反相雙極性三電平輸出信號(hào)。

圖2 輸出級(jí)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

a、b、c三組開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通順序或?qū)顟B(tài)設(shè)計(jì)為：

（1）當(dāng)a組開(kāi)關(guān)（即兩個(gè)Ka開(kāi)關(guān)）閉合時(shí)，b組開(kāi)關(guān)Kb、c組開(kāi)關(guān)Kc均斷開(kāi)。此時(shí)，輸出A為“-5 V”，輸出B為“+5 V”；（2）當(dāng)b組開(kāi)關(guān)Kb閉合時(shí)，a組開(kāi)關(guān)Ka、c組開(kāi)關(guān)Kc均斷開(kāi)。此時(shí)，輸出A為“+5 V”，輸出B為“-5 V”；（3）當(dāng)c組開(kāi)關(guān)Kc閉合時(shí)，a組開(kāi)關(guān)Ka、b組開(kāi)關(guān)Kb均斷開(kāi)。此時(shí)，輸出A為“0 V”，輸出B為“0 V”。

a、b、c三組開(kāi)關(guān)的通、斷狀態(tài)與輸出狀態(tài)的上述關(guān)系，可以表示成表2所示的狀態(tài)表。

4.2 開(kāi)關(guān)控制電路的設(shè)計(jì)

設(shè)定Ka、Kb、Kc三組開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)分別為a、b、c，而且設(shè)定當(dāng)控制信號(hào)為高電平（用“1”表示）時(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，當(dāng)控制信號(hào)為低電平（用“0”表示）時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。將控制信號(hào)a、b、c插入到表2中，則得到控制信號(hào)的狀態(tài)表，如表3。

表2 開(kāi)關(guān)狀態(tài)與輸出狀態(tài)的關(guān)系

表3 開(kāi)關(guān)控制信號(hào)狀態(tài)表

根據(jù)表1的“電路真值表”和表3“開(kāi)關(guān)控制信號(hào)狀態(tài)表”，不難得出開(kāi)關(guān)控制信號(hào)a、b、c和輸入信號(hào)En、D、CP的邏輯關(guān)系，該邏輯關(guān)系的真值表如表4所示。

表4 控制信號(hào)與輸入信號(hào)的邏輯真值表

由表4可得出如下的邏輯函數(shù)：

由此得出圖3所示的邏輯電路。圖中的門(mén)電路U1～U6為+5 V單電源供電，a、b、c信號(hào)的高電平為5 V，低電平為0 V。而電路輸出級(jí)的供電電源為±5 V，Ka、Kb、Kc三組開(kāi)關(guān)對(duì)其控制信號(hào)a、b、c的高、低電平要求為：高電平“1”為+5 V，低電平“0”為-5 V。因此，圖3的輸出信號(hào)a、b、c因低電平的不匹配，無(wú)法控制輸出級(jí)的三組開(kāi)關(guān)。為此，必須在控制邏輯電路與輸出級(jí)之間加入電平轉(zhuǎn)換電路，以實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的高、低電平滿(mǎn)足輸出級(jí)要求。

4.3 電平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

圖4中，采用比較器LM139實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能。比較器的供電電源為±5 V，在比較器的正相輸入端通過(guò)R1、R2電阻設(shè)置一個(gè)“+2.5V”左右的基準(zhǔn)電壓，電平轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)a’、b’、c’分別輸入到各自比較器的反相輸入端。這樣不但實(shí)現(xiàn)了電平轉(zhuǎn)換，而且具有反相功能，即電平轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)a、b、c與輸入信號(hào)a’、b’、c’為“非”的邏輯關(guān)系。且輸入為高電平“1”（+5 V）時(shí)，輸出為低電平“0”（-5 V）；輸入為低電平“0”（0 V）時(shí)，輸出為高電平“1”（+5 V）。圖4中的a、b、c和電路輸入信號(hào)En、D、CP的邏輯關(guān)系符合上述公式（1）～公式（3）的要求。

圖3 控制信號(hào)的邏輯電路

圖4 電平轉(zhuǎn)換電路

4.4 電路功能框圖

通過(guò)上述設(shè)計(jì)可見(jiàn)，電路由控制信號(hào)邏輯電路、電平轉(zhuǎn)換電路和H橋輸出級(jí)電路組成，其功能框圖如圖5。

圖5 電路功能框圖

5 性能參數(shù)設(shè)計(jì)

5.1 輸出碼電平

5.1.1 輸出碼高電平

輸出碼的電平要求為：高電平“1”為+5 V±0.5 V，低電平“0”為-5 V±0.5 V。

以輸出A為例，當(dāng)開(kāi)關(guān)Kb閉合，開(kāi)關(guān)Ka、開(kāi)關(guān)Kc斷開(kāi)時(shí)，輸出A為高電平。此時(shí)輸出級(jí)的等效電路如圖6，電路的負(fù)載為600 Ω電阻與0.01 μF電容的并聯(lián)。

圖6 輸出高電平等效電路

輸出高電平電壓VOH為：

由上式可見(jiàn)，Rb1↓→VOH↑，但是Rb1太小，高電平建立過(guò)程中的電流（即負(fù)載電容的充電電流）太大，這就要求開(kāi)關(guān)Kb能承受很大的導(dǎo)通電流，這對(duì)模擬開(kāi)關(guān)電路的選擇帶來(lái)很大的難度。電路中，模擬開(kāi)關(guān)選用的是單刀單擲CMOS模擬開(kāi)關(guān)MAX313，其單路開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻典型值為6.5 Ω，最大值≤15 Ω；單路開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電流為±100 mA，峰值電流為±300 mA。假設(shè)VDD=5.0 V時(shí)，高電平電壓VOH=4.7 V，且設(shè)開(kāi)關(guān)Kb的導(dǎo)通電阻為6.5 Ω，則Rb1的設(shè)計(jì)值為：

5.1.2 輸出碼低電平

與輸出碼高電平分析相同，得出Ra2的設(shè)計(jì)值為：

此時(shí)，模擬開(kāi)關(guān) Ka流過(guò)的瞬態(tài)電流（即低電平建立過(guò)程中負(fù)載電容的最大放電電流）也為131 mA，工作安全可靠。

圖7 輸出低電平等效電路

輸出B高、低電平的設(shè)計(jì)與輸出A完全相同。

5.2 輸出碼的上升時(shí)間與下降時(shí)間

由輸出碼（輸出A、輸出B）的狀態(tài)波形可見(jiàn)，輸出碼狀態(tài)變化類(lèi)型如表5所示。其中“0 V→5 V”、“-5 V→0 V”的轉(zhuǎn)換時(shí)間為輸出碼的上升時(shí)間，“5 V→0 V”、“0 V→-5 V”的轉(zhuǎn)換時(shí)間為下降時(shí)間。

表5 輸出碼狀態(tài)的變化類(lèi)型

以輸出A為例，輸出碼上升、下降時(shí)間與開(kāi)關(guān)Ka、Kb、Kc的狀態(tài)變化情況如表6所示。

5.2.1 上升時(shí)間分析

由表6可見(jiàn)，輸出碼的上升時(shí)間由輸出碼狀態(tài)“0 V→5 V”、“-5 V→0 V”的轉(zhuǎn)換時(shí)間決定。

表6 輸出碼上升、下降時(shí)間與開(kāi)關(guān)Ka、Kb、Kc的狀態(tài)變化情況

為了減小上升時(shí)間ton1，只能通過(guò)減小Rb1的電阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)必須兼顧開(kāi)關(guān)Kb的電流輸出能力。

當(dāng)輸出碼狀態(tài)由“-5 V→0 V”時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)的狀態(tài)變化為：“Ka通，Kb、Kc斷→Kc通，Ka、Kb斷”。在“Ka通，Kb、Kc斷”的狀態(tài)下，輸出A為“-5 V”，輸出B為“+5 V”。當(dāng)“Ka通，Kb、Kc斷→Kc通，Ka、Kb斷”的瞬間，輸出級(jí)的等效電路如圖8，其中rc為開(kāi)關(guān)Kc的等效導(dǎo)通電阻。

由圖8可知，輸出A狀態(tài)由“-5 V→0 V”轉(zhuǎn)換時(shí)，依靠負(fù)載電容CL1通過(guò)負(fù)載電阻RL1的放電來(lái)實(shí)現(xiàn)，放電電流iL的流向如圖中所示。開(kāi)關(guān)Kc的瞬時(shí)電流ic在RL1上的流向與iL相反，這對(duì)輸出A狀態(tài)由“-5 V→0 V”轉(zhuǎn)換起了消極的影響。ic越大，“-5 V→0 V”的轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)，即輸出A由“-5 V→0 V”的上升時(shí)間ton2越大。反之，減小ic，可以減小上升時(shí)間ton2?？梢?jiàn)開(kāi)關(guān)Kc的等效導(dǎo)通電阻rc對(duì)電路的上升時(shí)間ton2影響較大，所以對(duì)開(kāi)關(guān)Kc需要進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。

圖8 輸出級(jí)的等效電路圖

5.2.2 開(kāi)關(guān)Kc的設(shè)計(jì)

在圖8中，如果Kc采用模擬開(kāi)關(guān)MAX313中的單路開(kāi)關(guān)，且設(shè)開(kāi)關(guān)的等效電阻為其典型值，即rc=6.5 Ω。

此時(shí)，開(kāi)關(guān)Kc流過(guò)的最大瞬時(shí)電流ic（max）為：

由式（4）可見(jiàn)，ic（max）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了MAX313單路模擬開(kāi)關(guān)的峰值電流（即300 mA）。為此，對(duì)Kc開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)將采取如下措施：（1）采用4個(gè)單路開(kāi)關(guān)并聯(lián)的方式組成Kc開(kāi)關(guān)，以提高Kc開(kāi)關(guān)的電流輸出或驅(qū)動(dòng)能力，如圖9中的Kc1～Kc4；（2）在每路開(kāi)關(guān)上串聯(lián)一個(gè)限流電阻，如圖9中的Rc1～Rc4，以確保每路開(kāi)關(guān)的最大瞬態(tài)電流不超過(guò)300 mA，同時(shí)減小Kc開(kāi)關(guān)的瞬態(tài)電流ic，以減小上升時(shí)間ton2。

圖9 Kc開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

5.2.3 下降時(shí)間分析

由表6可見(jiàn)，輸出碼的下降時(shí)間由輸出碼狀態(tài)“5V→0V”、“0V→-5V”的轉(zhuǎn)換時(shí)間決定。

當(dāng)輸出碼狀態(tài)由“5 V→0 V”時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)的狀態(tài)變化為：“Kb通，Ka、Kc斷→Kc通，Ka、Kb斷”。在“Kb通，Ka、Kc斷”的狀態(tài)下，輸出A為“+5 V”，輸出B為“-5 V”。當(dāng)“Kb通，Ka、Kc斷→Kc通，Ka、Kb斷”的瞬間，輸出級(jí)的等效電路如圖10，其中rc為開(kāi)關(guān)Kc的等效導(dǎo)通電阻。其瞬態(tài)的變化與分析與輸出碼狀態(tài)由“-5 V→0 V”的情況類(lèi)似，輸出碼狀態(tài)由“5 V→0 V”時(shí)的下降時(shí)間toff1與負(fù)載電容CL1的放電電流iL和開(kāi)關(guān)Kc流過(guò)的瞬態(tài)電流ic有關(guān)。減小ic，可以減小下降時(shí)間toff1，這里不再贅述。

圖10 輸出級(jí)的等效電路圖

當(dāng)輸出碼狀態(tài)由“0V→-5V”時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)的狀態(tài)變化為：“Kc通，Ka、Kb斷→Ka通，Kb、Kc斷”。輸出級(jí)的等效電路與圖7相同，輸出碼A的下降時(shí)間toff2由電阻Ra2和負(fù)載電容CL1決定，即toff2∝Ra2.CL1。為了減小下降時(shí)間toff2，可以通過(guò)減小Ra2的電阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)必須兼顧開(kāi)關(guān)Ka的電流輸出能力。

6 仿真驗(yàn)證

采用saber軟件對(duì)原理電路的功能進(jìn)行了仿真，仿真環(huán)境為：環(huán)境溫度TA=25 ℃，電源電壓VDD=+5 V，VEE=-5 V，使能信號(hào)En=“1”（即+5 V）。電路的仿真波形如圖11所示。仿真結(jié)果表明，電路的輸出與輸入波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系符合設(shè)計(jì)要求。

圖11 電路的仿真波形

7 產(chǎn)品達(dá)到的水平

該電路采用厚膜混合集成技術(shù)、裸芯片組裝、金屬外殼全密封封裝技術(shù)制作而成的產(chǎn)品，已批量應(yīng)用于某機(jī)載通訊系統(tǒng)中，使用情況良好，參數(shù)穩(wěn)定可靠。圖12是產(chǎn)品的照片，產(chǎn)品尺寸為：30.40 mm×20.24 mm×5.20 mm，重量為8.2 g。

圖12 產(chǎn)品照片

在-55 ℃、+25 ℃、+125 ℃三溫下，產(chǎn)品的實(shí)測(cè)指標(biāo)如表7所示。

表7 產(chǎn)品的實(shí)測(cè)指標(biāo)及設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

主要測(cè)試儀器有Agilent公司生產(chǎn)的DSO7034B型數(shù)字示波器（350 MHz帶寬）、33220A型信號(hào)源，以及中國(guó)電科16所生產(chǎn)的HLT-2S型高低溫箱。

圖13是產(chǎn)品的測(cè)試波形，其中通道1為時(shí)鐘波形，通道2為數(shù)據(jù)輸入波形，通道3、通道4分別為A線(xiàn)到COM、B線(xiàn)到COM的輸出波形。

圖 13 產(chǎn)品的測(cè)試波形

由表7和圖13可見(jiàn)，產(chǎn)品的技術(shù)性能符合設(shè)計(jì)要求，滿(mǎn)足系統(tǒng)使用。

8 結(jié)束語(yǔ)

雙極性三元數(shù)字信號(hào)發(fā)生器采用5開(kāi)關(guān)H橋電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)5個(gè)開(kāi)關(guān)的有序?qū)▽?shí)現(xiàn)了將信號(hào)傳輸中的普通串行數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙極性三元數(shù)字信號(hào)的功能。通過(guò)控制信號(hào)邏輯電路、電平轉(zhuǎn)換電路和H橋輸出級(jí)電路的設(shè)計(jì)，以及輸出碼的高、低電平和上升與下降時(shí)間等參數(shù)的設(shè)計(jì)，使得電路的技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，滿(mǎn)足系統(tǒng)使用。采用厚膜混合集成技術(shù)、裸芯片組裝技術(shù)、金屬外殼全密封封裝技術(shù)制作而成的實(shí)用化產(chǎn)品，具有開(kāi)關(guān)速度快、輸出碼脈沖上升時(shí)間與下降時(shí)間小、工作溫度范圍寬、參數(shù)穩(wěn)定且一致性好、體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)品已被用戶(hù)批量使用，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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