CN110347096A - 一种基于延时控制的等效采样电路 - Google Patents
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Abstract
一种基于延时控制的等效采样电路，通过接收天线接收雷达电路的周期回波信号，FPGA控制电路通过内部锁相环倍频产生10MHz方波信号，时钟经过延时电路对每个周期的时钟方波产生100皮秒的信号延时，再经过采样脉冲产生电路产生一个周期为100.1ns的采样脉冲。采样脉冲主要用来控制采样保持电路的采样与保持，由于脉冲信号和回波信号的频率不同，经过1000个采样脉冲，整个电路最终完成一次完整回波信号的采样。根据上述方案设计的一种基于延时控制的等效采样电路，采样输出波形与原始信号包络基本类似，同时频率降低了1000倍。这种等效采样电路可实现利用低速A/D对高速信号的数据采集，大大降低了整个电路设计的成本。
Description
技术领域
本发明涉及电子领域，具体涉及一种基于延时控制的等效采样电路。
背景技术
近年来，超宽带探地雷达作为一种无损检测技术被应用于交通设施的结构检测，其工作频率范围为1MHz-1GHz。探地雷达利用发射天线发射极窄的探测脉冲，经过数据采集系统，将回波中包含的有效信息提取出来，从而推断出地下的介质结构。由于电磁波在地下介质传播过程中，其电磁场强度、传播路径与波形信息将随着介质的差异而发生变化，根据接收到回波的往返时间，相位与幅度信息，就可以推断出地下介质的性质与物理结构。探地雷达不仅可以定位出地下目标的位置与构造信息，还可以通过数字信号处理技术对波形数据进行成像处理，方便使用者进行合理的判断。目前广泛应用在石油矿产资源勘探，考古，无损检测，地下管线探测以及灾害地质调查等领域。
超宽带探地雷达由于采用随机等效采样技术，可以实现很高的等效采样率，频谱信息更加丰富，可获得更高的探测精度，从而实现对地下目标的成像处理，因此成为最近几年来国内外透视成像技术研究的新方向。国外探地雷达产品价格比较昂贵，国内探地雷达设备主要依靠进口，使用成本极高，因此必须自主研发出低成本高性能的探地雷达产品。在整个探地雷达系统中，数据采集系统是核心关键，不仅担任了捕获雷达回波信号的重要任务，还起了承上启下的数据通信作用。数据采集系统不仅要控制脉冲源将探测脉冲通过发射天线发射出去，还要控制接收机对雷达回波信号的调理，以满足模数转换器的动态范围。然后将量化后的波形数据与监控数据传输至地面上位机，进行后期的成像处理。因此，设计并实现高速度，高分辨率，高精度的探地雷达数据采集系统至关重要。
国内研究的探地雷达数据采集系统一般采用实时采样技术，采样率最高为2.5GSPS，受模数转换器实时采样率的限制，频谱信息会有所损失，限制了探地雷达的性能。超宽带探地雷达技术是近几年探地雷达技术研究的热点，采用等效采样的方式实现对回波信号的捕获，从而提取出丰富的频谱信息，完成对目标的高精度探测。其中，基于顺序等效取样技术的探地雷达采样率已经可以达到10GSPS，但是受延迟器件精度影响，一般要求条件比较苛刻，实用价值不高。
综上所述，在高速数据采集系统的研究方面国内外研究学者、公司做了大量的工作，但是在高速数据采集技术方面国内与国外的差具还很大。国内的高速采样技术不成熟且采集系统的可行性不高。而国外的高速数据采集技术可行性高但是操作复杂、价格昂贵。所以，设计出一款简单的高速数据采样系统具体较大的意义。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种采样率效率高、体积小、成本低廉的一种基于延时控制的等效采样电路。
一种基于延时控制的等效采样电路，置于雷达系统中，包括FPGA控制电路、延时电路、采样脉冲产生电路和采样保持电路，其特征在于：
所述FPGA控制电路、延时电路、采样脉冲产生电路和采样保持电路依次连接，所述延时电路和采样脉冲产生电路均连接电源电路，所述延时电路接收时钟输入，所述采样保持电路包括信号输入和信号输出；
其中，通过接收天线接收雷达系统的周期回波信号为信号输入，FPGA控制电路通过内部锁相环倍频产生10MHz方波信号，时钟经过延时电路对每个周期的时钟方波产生100皮秒的信号延时，经过采样脉冲产生电路产生一个周期为100.1ns的采样脉冲主要用来控制采样保持电路的工作状态。
进一步地，所述FPGA控制电路主要通过内部逻辑配置和延时芯片相连，所述FPGA内部产生10ns粗延时颗粒，控制延时芯片产生0.1ns细延时颗粒，两者结合产生100ns内0.1ns的精密延时控制。
进一步地，所述采样脉冲产生电路用于产生100ps开关脉冲信号，所述取样脉冲电路包括电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、电阻R1、R2、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、三极管Q1、Q2、Q3、Q4、阶跃恢复二极管D2；
其中，所述电阻R1、R8、R15、R2、R11、R21、R19、电容C7、C3、C8、C6接地，所述电阻R14、R10、R18、电容C6接电源正极，所述电阻R20接电源负极，所述电容C1和电感L3连接，另一端和电阻R1连接三极管Q1基极，所述电容C2和电感L2连接，另一端和电阻R15接三极管Q2基极，所述电阻R7接三极管Q1、Q2的发射极并与电阻R8、电容C3相连接，所述电阻R5、R6、R14和电容C7相互连接，R5与三极管Q1集电极连接，R6与三极管Q2集电极、电容C4连接，所述电容C4、电阻R2、三极管Q3基极相互连接，所属三极管Q3发射极接地，集电极和电阻R9、电容C5连接，所述电容C8、电阻R9、R10连接，所述电容C5、电阻R11、三极管Q4基极相连接，所述电阻R12一端和电阻R13相连，另一端和电容C9三极管Q4集电极相连，所述三极管Q4发射极连接电容C10，所述电阻R18、R19连接，并通过电阻R16连接至电容C11，所述电阻R20、R21连接，并通过电阻R17连接至电容C11，所述阶跃恢复二极管D2与电容C11并联，D2正极连接电容C10和电阻R23，D2负极连接电容C9和电阻R22。
进一步地，所述采样保持电路包括电容C12、C13、电阻R22、R23、R24、R25、桥式二极管D1、场效应晶体管Q5；
其中，开关脉冲信号通过电阻R22、R23进入，被测信号通过二极管D1接入电路，并通过场效应晶体管Q5源极输出，所述电阻R22、R23、R24、电容C12、场效应晶体管Q5栅极和桥式二极管D1连接，所述电阻R24、R25、电容C12、C13接地，Q5漏极接电源正极，源极和电容C13、电阻R25连接，被测信号的周期为100ns，所述等效采样电路经过1000个时钟周期即可恢复出原有信号。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
使用分立元器件实现了高频等效采样，还原一帧信号波形需要1000个原始信号周期，采样ADC速率高于10MHz可满足要求，等效采样频率为10GSPS，采样速度为2000/s，适合用于对时间不太敏感的低成本周期采样设计中。
附图说明
图1为本发明电路方案示意图。
图2为本发明等效采样电路结构图。
图3为本发明电路模块实物图。
图4为本发明电路实物测试输入图。
图5为本发明电路实物测试输出图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
请参阅图1，本实施例提供一种基于延时控制的等效采样电路，置于雷达系统中，包括FPGA控制电路（1）、延时电路（2）、采样脉冲产生电路（3）、采样保持电路（4）。
FPGA控制电路（1）、延时电路（2）、采样脉冲产生电路（3）和采样保持电路（4）依次连接，延时电路（2）和采样脉冲产生电路（3）均连接电源电路，延时电路（2）接收时钟输入，采样保持电路（4）包括信号输入和信号输出。
其中，通过接收天线接收雷达电路的周期回波信号，FPGA控制电路（1）通过内部锁相环倍频产生10MHz方波信号，时钟经过延时电路（2）控制对每个周期的时钟方波产生100皮秒的信号延时，经过采样脉冲产生电路（3）产生一个周期为100.1ns的采样脉冲。采样脉冲主要用来控制采样保持电路（4）的采样与保持，由于脉冲信号和回波信号的频率不同，经过1000个采样脉冲，整个电路最终完成一次完整回波信号的采样，等效采样频率为10GSPS，每秒可完成2000帧雷达信号采样。
如图2所示，为一种基于延时控制的等效采样电路结构图，FPGA控制电路主要通过内部逻辑配置和延时芯片U1相连，FPGA产生时钟信号连接至延时芯片U1引脚4、5，FPGA产生延时控制信号连接至延时芯片U1引脚23、25、26、27、29、30、31、32、1、2。所述FPGA内部产生10ns粗延时颗粒，控制延时芯片产生0.1ns细延时颗粒，两者结合产生100ns内0.1ns的精密延时控制。
采样脉冲产生电路（3）包括电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、电阻R1、R2、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、三极管Q1、Q2、Q3、Q4、阶跃恢复二极管D2，其中电阻R1、R8、R15、R2、R11、R21、R19、电容C7、C3、C8、C6接地，电阻R14、R10、R18、电容C6接电源正极，电阻R20接电源负极，电容C1和电感L3连接，另一端和电阻R1连接三极管Q1基极，电容C2和电感L2连接，另一端和电阻R15接三极管Q2基极，电阻R7接三极管Q1、Q2的发射极并与电阻R8、电容C3相连接，电阻R5、R6、R14和电容C7相互连接，R5与三极管Q1集电极连接，R6与三极管Q2集电极、电容C4连接，电容C4、电阻R2、三极管Q3基极相互连接，所属三极管Q3发射极接地，集电极和电阻R9、电容C5连接，电容C8、电阻R9、R10连接，电容C5、电阻R11、三极管Q4基极相连接，电阻R12一端和电阻R13相连，另一端和电容C9三极管Q4集电极相连，三极管Q4发射极连接电容C10，电阻R18、R19连接，并通过电阻R16连接至电容C11，电阻R20、R21连接，并通过电阻R17连接至电容C11，阶跃恢复二极管D2与电容C11并联，D2正极连接电容C10和电阻R23，D2负极连接电容C9和电阻R22。
采样保持电路（4）包括电容C12、C13、电阻R22、R23、R24、R25、桥式二极管D1、场效应晶体管Q5，其中开关脉冲信号通过电阻R22、R23进入，被测信号通过二极管D1接入电路，并通过场效应晶体管Q5源极输出，电阻R22、R23、R24、电容C12、场效应晶体管Q5栅极和桥式二极管D1连接，电阻R24、R25、电容C12、C13接地，Q5漏极接电源正极，源极和电容C13、电阻R25连接，被测信号的周期为100ns，等效采样电路经过1000个时钟周期即可恢复出原有信号。等效采样电路使用1000个采样点恢复原有信号波，整个过程需要100.1us，产生的重构波形与原来脉冲的信号包络基本类似，在保持原始信号形状的同时降低了1000倍的频率，后续电路可以使用10MHz的ADC进行10bit信号转换，其中等效采样率为10GSPS，每秒可采样完成2000帧信号。
如图3所示，为延时控制的等效采样电路模块实物图，电源电路接入数字电源12V直流电压为整个电路提供12V、5V、3.3V，和-5V直流电压。FPGA通过杜邦线连接电路，控制延时芯片工作，使用500M带宽的示波器对上述电路的实际性能进行测试。
如图4所示，通过函数信号发生器接入一个周期为100ns、幅度为3V、脉冲宽度为5ns的脉冲信号作为等效采样输入。该信号经过顺序等效采样电路最终输出幅度为500mv、脉冲宽度为5us、脉冲周期为100us的采样波形，如图5所示。所述等效采样电路使用1000个采样点恢复原有信号波，整个过程需要100.1us，产生的重构波形与原来脉冲的信号包络基本类似，在保持原始信号形状的同时降低了1000倍的频率，后续电路可以使用10MHz的ADC进行10bit信号转换，其中等效采样率为10GSPS，每秒可采样完成2000帧信号。
本发明使用分立元器件实现了高频等效采样，还原一帧信号波形需要1000个原始信号周期，采样ADC速率高于10MHz可满足要求，等效采样频率为10GSPS，采样速度为2000/s，适合用于对时间不太敏感的低成本周期采样设计中。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于延时控制的等效采样电路，置于雷达系统中，包括FPGA控制电路、延时电路、采样脉冲产生电路和采样保持电路，其特征在于：
所述FPGA控制电路、延时电路、采样脉冲产生电路和采样保持电路依次连接，所述延时电路和采样脉冲产生电路均连接电源电路，所述延时电路接收时钟输入，所述采样保持电路包括信号输入和信号输出；
其中，通过接收天线接收雷达系统的周期回波信号为信号输入，FPGA控制电路通过内部锁相环倍频产生10MHz方波信号，时钟经过延时电路对每个周期的时钟方波产生100皮秒的信号延时，经过采样脉冲产生电路产生一个周期为100.1ns的采样脉冲主要用来控制采样保持电路的工作状态。
2.根据权利要求1所述一种基于延时控制的等效采样电路，其特征在于：所述FPGA控制电路主要通过内部逻辑配置和延时芯片相连，所述FPGA内部产生10ns粗延时颗粒，控制延时芯片产生0.1ns细延时颗粒，两者结合产生100ns内0.1ns的精密延时控制。
3.根据权利要求1所述一种基于延时控制的等效采样电路，其特征在于：所述采样脉冲产生电路用于产生100ps开关脉冲信号，所述取样脉冲电路包括电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、电阻R1、R2、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、三极管Q1、Q2、Q3、Q4、阶跃恢复二极管D2；
其中，所述电阻R1、R8、R15、R2、R11、R21、R19、电容C7、C3、C8、C6接地，所述电阻R14、R10、R18、电容C6接电源正极，所述电阻R20接电源负极，所述电容C1和电感L3连接，另一端和电阻R1连接三极管Q1基极，所述电容C2和电感L2连接，另一端和电阻R15接三极管Q2基极，所述电阻R7接三极管Q1、Q2的发射极并与电阻R8、电容C3相连接，所述电阻R5、R6、R14和电容C7相互连接，R5与三极管Q1集电极连接，R6与三极管Q2集电极、电容C4连接，所述电容C4、电阻R2、三极管Q3基极相互连接，所属三极管Q3发射极接地，集电极和电阻R9、电容C5连接，所述电容C8、电阻R9、R10连接，所述电容C5、电阻R11、三极管Q4基极相连接，所述电阻R12一端和电阻R13相连，另一端和电容C9三极管Q4集电极相连，所述三极管Q4发射极连接电容C10，所述电阻R18、R19连接，并通过电阻R16连接至电容C11，所述电阻R20、R21连接，并通过电阻R17连接至电容C11，所述阶跃恢复二极管D2与电容C11并联，D2正极连接电容C10和电阻R23，D2负极连接电容C9和电阻R22。
4.根据权利要求1所述一种基于延时控制的等效采样电路，其特征在于：所述采样保持电路包括电容C12、C13、电阻R22、R23、R24、R25、桥式二极管D1、场效应晶体管Q5；
其中，开关脉冲信号通过电阻R22、R23进入，被测信号通过二极管D1接入电路，并通过场效应晶体管Q5源极输出，所述电阻R22、R23、R24、电容C12、场效应晶体管Q5栅极和桥式二极管D1连接，所述电阻R24、R25、电容C12、C13接地，Q5漏极接电源正极，源极和电容C13、电阻R25连接，被测信号的周期为100ns，所述等效采样电路经过1000个时钟周期即可恢复出原有信号。
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2019
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