CN106488152B - 遥感ccd相机高速差分信号转换电路 - Google Patents

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Abstract

遥感CCD相机高速差分信号转换电路，该电路采用交流耦合的方式传输信号，既能满足短距离信号传输要求，又能满足设备间长距离信号传输的要求。电路使用直流泄放通道为信号发送端提供电流输出通道，使用分压网络为信号输入端提供符合要求的共模电压和差模电压，使用匹配网络匹配高速差分信号的阻抗，通过上述网络对输出信号的处理，使得发送端输出的不满足接收要求的高速差分信号被处理成能够满足接收端电平要求的信号。遥感CCD相机高速差分信号转换电路在实现高速信号转换的同时还具有可靠性高，使用器件简单，占用空间小、调整灵活、适应能力强、传输距离远、隔离性能好等特点，能够很好的满足宇航应用的要求。

Description

遥感CCD相机高速差分信号转换电路
技术领域
本发明涉及一种高速差分信号交流转换电路，特别是一种在遥感CCD相机中使用的高速差分信号交流转换电路。
背景技术
目前，空间遥感CCD相机视频电路的设计中会同时使用多种电平的差分信号。这些差分信号多用于高速芯片之间的数据通讯。由于空间遥感CCD相机所使用的宇航级芯片种类很少，所以常常出现需要通讯的两个芯片之间的差分信号电平标准不一致，无法直接相连实现通信的问题。这就需要一种电平转换电路，将发送端的电平标准转换成接收端的电平标准，实现二者之间的信号传输。在以往空间遥感CCD相机中，电平转换的方式通常是通过FPGA实现的。这是一种折中的办法。虽然FPGA不是专用的信号转换芯片，但是由于FPGA管脚可被配置成多种电平标准，所以在实际的应用中可以先将信号输送给FPGA，再通过FPGA输出给接收端。这种方法虽然繁琐，但是具有可行性。近年来，空间遥感CCD相机逐步向小型化和集成化的方向发展。视频电路的架构、体积都在不断变小。传统方法的弊端不断地暴露出来。首先，该方法使用的前提是电路中需要有FPGA，在没有FPGA的电路中无法使用；其次，随着FPGA器件的不断升级，管脚所能提供的电平标准的种类也会发生变化，会出现FPGA升级后无法匹配之前外部电路的电平标准的情况；第三，在一些要求较高的情况下，使用FPGA转换信号会增加信号的抖动，降低产品指标。因此，需要研发一种既能直接实现信号转换，又能简单可靠，还要占用空间小的新型差分信号转换电路。
发明内容
本发明解决的问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空间遥感CCD相机高速差分信号转换电路。该电路具有规模小，结构简单，适用范围广的特点，解决了空间CCD相机中不同标准的高速差分信号的转换问题。
本发明的技术解决方案是：遥感CCD相机高速差分信号转换电路，包括差分信号发送端U1、差分信号接收端U2、隔直电容C1、隔直电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8；
差分信号的发送端U1包括：负端口(201)和正端口(202)；
差分信号的接收端U2包括：负端口(203)和正端口(204)；
遥感CCD相机高速差分信号转换电路的输入端是端口201和202，输出端是端口203和204；
电阻R1一端接地，电阻R1另一端接差分信号的发送端U1的负端口(201)和信号线U3的一端(207)上，信号线U3的另一端(209)接电容C1的一端，C1的另一端(211)接电阻R3的一端和R5的一端，R3另一端(205)接外部U1的供电电源的正极，R5的另一端接R7的一端(213)和差分信号接收端U2的负端口(203)，R7的另一端接地，电阻R2一端接地，电阻R2另一端接差分信号的发送端U2的正端口(202)和信号线U4的一端(208)上。信号线U4的另一端(210)接电容C2的一端，电容C2的另一端(212)接电阻R4的一端和R6的一端，R4另一端(206)接外部U1的供电电源的正极，R6的另一端接R8的一端(214)和差分信号接收端U2的正端口(204)，R8的另一端接地。
R1和R2用于为差分信号发送端U1的输出差分信号提供直流偏置电流，所述的电阻R1和R2的取值应根据下列公式确定：
R1＝R2＝U1的共模偏置电压/U1的直流输出电流
电阻R3、R4、R5、R6、R7、R8组成的网络有三个用途，分别是匹配信号的传输特征阻抗、匹配U2的输入偏置电压、匹配U2的摆幅电压。其中所述的电阻需要满足以下公式。其中Vcc1是U1的供电电压，Vis2是U2的输入偏置电压，Z0是差分信号线U3和U4的特征阻抗，Vod1是U1的输出摆幅电压，Vid2是U2的输入摆幅电压：
R3＝R4、R5＝R6、R7＝R8
Vcc1x(R3+R5)/(R3+R5+R7)＝Vis2
R3//(R5+R7)＝Z0/2
Vod1x(R5/(R5+R7))>Vid2
所选用的电容C1和C2需要充分考虑信号频率和噪声两方面的影响，通常选择电容谐振频率略高于信号频率的电容，且C1和C2相等。
R1和R2应接近器件U1放置，电阻R3、R4、R5、R6、R7、R8和电容C1、C2应接近U2放置。
该电路允许U1和U2使用不同的供电电压，U1输出的电平标准和U2接收的电平标准可以不同，此时需要根据权利要求2和3来确定电阻和电容的参数。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)设计了一套可直接将差分信号进行转换的电路。该电路解决了在空间遥感CCD相机视频电路中，由于没有专用的差分信号电平转换芯片，两个采用不同差分信号电平标准的器件之间无法直接通讯的问题。
(2)本发明相比与之前使用FPGA实现差分信号电平转换的方案，具有结构简单，适用范围广泛的特点。同时避免了FPGA器件噪声所带来的高速差分信号抖动增加的问题，提高了高速差分信号传输的稳定性。
(3)本发明采用交流耦合的方式实现高速差分信号的传输。该方式既可以满足设备内部短距离下的信号传输，也可以满足设备间长距离情况下的信号传输，具有很好的适应性。
(4)本发明所涉及的电路只使用电阻和电容器件，不涉及其他电子元器件的使用，因此在宇航空间环境下，对单粒子效应具有较好的抵抗能力，长期工作时的性能较为稳定，可以应用于对可靠性要求较高的设备中。
附图说明
图1为本发明的遥感CCD相机高速差分信号转换电路的原理图。
具体实施方式
本发明的基本思路为：遥感CCD相机高速差分信号转换电路，主要用于结构紧凑、功耗低、集成度高的相机视频电子学系统中，解决不同标准的高速差分信号之间的信号互连问题。该电路采用交流耦合的方式传输信号，既能满足短距离信号传输要求，又能满足设备间长距离信号传输的要求。电路使用直流泄放通道为信号发送端提供电流输出通道，使用分压网络为信号输入端提供符合要求的共模电压和差模电压，使用匹配网络匹配高速差分信号的阻抗，通过上述网络对输出信号的处理，使得发送端输出的不满足接收要求的高速差分信号被处理成能够满足接收端电平要求的信号。遥感CCD相机高速差分信号转换电路在实现高速信号转换的同时还具有可靠性高，使用器件简单，占用空间小、调整灵活、适应能力强、传输距离远、隔离性能好等特点，能够很好的满足宇航应用的要求。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的主要原理是通过电阻网络将输出的不满足接收要求的信号转变为满足要求的信号。转换的主要电参数是信号的共模偏置电平和差模电平。转换的主要依据是接收端对信号的电平要求和信号传输的阻抗要求。
本发明的原理图如图1所示。其中包含差分信号发送端U1、差分信号接收端U2、隔直电容C1和C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8。
在实际的应用中，U1输出的差分信号包括正、负两路。正、负信号分别从U1的正端口(202)和负端口(201)输出。负端口(201)输出的信号经过接地电阻R1的一端后传输到信号线U3的一端(207)上。负端信号通过信号线U3后，从U3的另一端(209)输出，进入电容C1。通过电容C1后输入到电阻R3和R5的一端上。R3的另一端(205)接U1的供电电源。信号通过R5后经过接地电阻R7的一端后，输入到差分信号接收端U2的负端口(203)。其中R7的另一端接地。从而完成负端信号的传输。而正端信号和负端信号的传输方式一样。正端信号从U1的正端口(202)输出，经过接地电阻R2的一端后传输到信号线U4的一端(208)上。正端信号通过信号线U4后，从U4的另一端(210)输出，进入电容C2。通过电容C2后输入到电阻R4和电阻R6的一端。R4的另一端(206)接U1的供电电源。信号通过R6后经过接地电阻R8的一端后，输入到差分信号接收端U2的正端口(204)。其中R8的另一端接地。从而完成正端信号的传输。
其中电阻R1、R2和电容C1、C2组成的电路网络主要用于实现信号的交流耦合、为信号输出端提供直流工作点，保证输出端的动态范围。电阻R3、R5、R7以及R4、R6、R8组成的电阻网络主要用于实现对输入信号的电平转换和阻抗控制。
其中电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8的取值需要依据下列公式确定：
R1＝R2＝U1的共模偏置电压/U1的直流输出电流
R3＝R4、R5＝R6、R7＝R8
Vcc1x(R3+R5)/(R3+R5+R7)＝Vis2
R3//(R5+R7)＝Z0/2
Vod1x(R5/(R5+R7))>Vid2
其中Vcc1是U1的供电电压，Vis2是U2的输入偏置电压，Z0是差分信号线U3和U4的特征阻抗，Vod1是U1的输出摆幅电压，Vid2是U2的输入摆幅电压。电容C1和C2的取值需要根据实际信号的传输速度和实际要求的信号抖动情况来定，通常选择电容谐振频率略高于信号频率的电容，且C1和C2相等。
本发明中电容C1和C2主要用于实现直流电平的隔离，实现差分信号的交流传输。电阻R1和R2主要用于为U1提供直流电流的输出回路，电阻R3和R4、以及R7和R8主要用于为U2提供准确的输入偏置电压，电阻R5和R6，以及R7和R8主要用于为U2提供准确的输入摆幅电压。
电容C1和C2的取值优选为0.1uf至0.1nf之间、电阻R1和R2取值优选在100欧姆至200欧姆之间、电阻R3、R4、R5、R6、R7和R8取值优选在20欧姆至600欧姆之间。
本发明具有结构简单，占用空间小，可靠性高，使用灵活，不受电路中其他器件限制等特点，有效解决了空间遥感CCD相机中的差分信号转换问题。相比于使用FPGA实现电平转换的传统方法，本发明所实现的高速差分信号转换在信号抖动方面要更小，减少近50％；在抗单粒子方面，实现了单粒子免疫。这些提高和改善使得该方法尤其适合需要信号长距离传输的、对可靠性要求较高的宇航环境下的应用。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.遥感CCD相机高速差分信号转换电路，其特征在于：包括差分信号发送端U1、差分信号接收端U2、隔直电容C1、隔直电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8；
差分信号的发送端U1包括：负端口(201)和正端口(202)；
差分信号的接收端U2包括：负端口(203)和正端口(204)；
电阻R1一端接地，电阻R1另一端接差分信号的发送端U1的负端口(201)和信号线U3的一端(207)上，信号线U3的另一端(209)接电容C1的一端，C1的另一端(211)接电阻R3的一端和R5的一端，R3另一端(205)接外部U1的供电电源的正极，R5的另一端接R7的一端(213)和差分信号接收端U2的负端口(203)，R7的另一端接地，电阻R2一端接地，电阻R2另一端接差分信号的发送端U2的正端口(202)和信号线U4的一端(208)上，信号线U4的另一端(210)接电容C2的一端，电容C2的另一端(212)接电阻R4的一端和R6的一端，R4另一端(206)接外部U1的供电电源的正极，R6的另一端接R8的一端(214)和差分信号接收端U2的正端口(204)，R8的另一端接地；
所述的电阻R1和R2的取值应根据下列公式确定：
R1＝R2＝U1的共模偏置电压/U1的直流输出电流；
所述电阻R3、R4、R5、R6、R7、R8满足以下公式：其中Vcc1是U1的供电电压，Vis2是U2的输入偏置电压，Z0是差分信号线U3和U4的特征阻抗，Vod1是U1的输出摆幅电压，Vid2是U2的输入摆幅电压：
R3＝R4、R5＝R6、R7＝R8
Vcc1x(R3+R5)/(R3+R5+R7)＝Vis2
R3//(R5+R7)＝Z0/2
Vod1 x(R5/(R5+R7))>Vid2；
所述电容C1和C2的谐振频率略高于信号频率的电容，且C1和C2相等；
R1和R2应接近器件U1放置，电阻R3、R4、R5、R6、R7、R8和电容C1、C2接近U2放置。
2.根据权利要求1所述的遥感CCD相机高速差分信号转换电路，其特征在于：U1和U2能够使用不同的供电电压，U1输出的电平和U2接收的电平不同。
3.根据权利要求1所述的遥感CCD相机高速差分信号转换电路，其特征在于：遥感CCD相机高速差分信号转换电路的输入端是端口201和202，输出端是端口203和204。
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