CN110426974A - 一种基于正交相位选通的等效采样控制电路 - Google Patents
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Abstract
一种基于正交相位选通的等效采样控制电路，其中，触发信号产生电路采用VCO产生5GHz精准频率信号，依次经过2分频、4分频、8分频电路，形成基于5GHz的相分8分频625MHz信号，由FPGA控制电路控制时钟选通电路对8路分频时钟信号进行选通控制，按照同一周期内的相序逐次驱动ADC采样时钟，从而实现对反射脉冲的8个周期不同相位的信号幅值进行采样，高速ADC电路预先设置接收信号频率为6.25MHz，则每路触发信号经过100个周期可以完成一个周期的采样，然后离散波形重构电路对这些样本值按照采样时间和触发相位顺序组合形成完整的回波信号。本发明具有数字集成度高，探测速度快，分辨率高等特点。实现了对回波信号的良好接收，采样效率提高80%。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，特一种基于正交相位选通的等效采样控制电路。
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，由于接收信号是超宽带，其脉冲极其窄，频率极其宽。如果采用传统穿地雷达系统使用的实时采样的方式来采集探地雷达信号，采样频率至少要大于2倍的信号频率。对于超宽带应用，例如信号的带宽大于1GHz时，由于受到采样定理的限制，往往需要采样率大于2GHz的高速集成ADC芯片或高速采样设备。而目前2GHz采样率的集成ADC芯片和高速采样设备成本高。
从现在的技术和产品看来，低速、低分辨率的数据采集技术已经相当成熟，实现起来比较容易，单片ADC即可满足要求，产品的稳定性和可靠性已毋庸置疑。而高速的数据采集技术是信息基础的前沿。目前我国高速数据采集技术相对比较落后，是我国信息技术的瓶颈，研究和发展该项技术对于我国的军用和民用领域都有重要的价值好广阔的前景。目前使用最广泛的高速数据采样技术有并行采样技术和随机采样技术。但是这两种技术采样技术都的数据依赖精确的控制电路以及信号重组电路，因此在控制和信号处理方面的算法比较复杂。
国外现有的数据采集价格昂贵、体积较大、操作复杂、采样频率和采样精度两种不能很好的统一。因此，国外虽然采用技术发展相对比较早，但是针对相对廉价、操做简单的采样电路仍然有待研究。
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。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于正交相位选通的等效采样控制电路可用于探地雷达脉冲接收电路，实现了对回波信号的良好接收，采样效率方面提高了80%。可应用于道路桥梁结构检测、地质探测中、水下检测中。
一种基于正交相位选通的等效采样控制电路，包括触发信号产生电路、FPGA控制电路、时钟选通电路、高速ADC电路和离散波形重构电路；
所述触发信号产生电路、时钟选通电路、高速ADC电路、离散波形重构电路依次连接；
所述时钟选通电路与FPGA控制电路相连接；
其中，触发信号产生电路采用压控振荡器产生5GHz的精准频率信号，依次经过相分8分频电路对5GHz信号分频，最终形成基于5GHz的相分8分频625MHz时钟信号；
由FPGA控制电路控制时钟选通电路对8路相分频时钟源进行选通控制，按照同一周期内的相序逐次驱动ADC采样时钟，从而实现对反射脉冲的8个周期不同相位的信号幅值进行采样；
高速ADC电路预先设置接收信号频率为6.25MHz，则每路触发信号经过100个周期可以完成一个周期的采样，然后离散波形重构电路对这些样本值按照采样时间和触发相位顺序组合形成完整的回波信号。
进一步地，所述的触发信号产生电路主要由信号源和分频分相单元组成；选用压控振荡器连接集成分频分相单元作为触发ADC采样的信号源电路，其中压控振荡器器件输出的时钟频率范围为5-5.5GHz，对VTUNE引脚接入可调电阻，通过调节分压电阻控制压控振荡器产生5GHz的触发信号；每块分频分相电路可以产生两路相位相反频率为原来一半的时钟信号，经过三级分频分相电路级联最终可以产生8路625MHz的时钟信号，且该信号的相位发生了位移，分别是0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。
进一步地，所述的触发信号产生电路选用Hittie公司的压控振荡器HMC430LP4和集成分频分相单元HMC361S8G。
进一步地，所述的时钟选通电路选用HMC596LP4作为触发信号的选通开关，该开关矩阵有两路开关输出和四路传输信号输入，通过FPGA控制电路控制4路选通信号，实现从200MHz到3GHz频率之间任意信号的4选2输出；通过级联设计，从8路不同相位的625MHz时钟中选择合适的信号作为ADC采样触发信号。
进一步地，所述级联设计，具体为使用三片芯片级联，在四路信号中选通一路输出，通过一个电平控制实现时钟信号2选1输出，整个结构需要三路电平控制。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明提供了一种基于正交相位选通的等效采样控制电路，用内置采样保持芯片实现了采样精度高、出错概率小、功耗较低的功能。当时钟信号到来后，在一个时钟周期内，通过开关矩阵对时钟源的选通控制可以采集多个样本，提高脉冲重复频率的利用率。
附图说明
图1为本发明的一种基于正交相位选通的等效采样控制电路系统框图。
图2为本发明的触发信号产生电路结构图。
图3为本发明的8路采样触发时钟选通方案。
图4为本发明的FPGA控制ADC转换流程图。
图5为本发明的等效采样电路模拟输入信号。
图6为本发明的Wireshark抓包数据。
图7为本发明的上位机显示图像。
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正交相位选通的等效采样控制电路，包括触发信号产生电路（1）、时钟选通电路（3）、高速ADC电路（4）、离散波形重构电路（5）。且所述时钟选通电路（3）与FPGA控制电路（2）相连接。其中，触发信号产生电路（1）采用VCO产生5GHz的精准频率信号，依次经过相分8分频电路对5GHz信号分频，最终形成基于5GHz的相分8分频625MHz时钟信号。由FPGA控制电路（2）控制时钟选通电路（3）对8路相分频时钟源进行选通控制，按照同一周期内的相序逐次驱动ADC采样时钟，从而实现对反射脉冲的8个周期不同相位的信号幅值进行采样。高速ADC电路（4）预先设置接收信号频率为6.25MHz，则每路触发信号经过100个周期可以完成一个周期的采样，然后离散波形重构电路（5）对这些样本值按照采样时间和触发相位顺序组合形成完整的回波信号。
如图2所示，触发信号产生电路（1）主要由信号源和分频分相单元组成。选用Hittie公司的压控振荡器（VCO）HMC430LP4连接集成分频分相单元HMC361S8G作为触发ADC采样的信号源电路，其中VCO器件输出的时钟频率范围为5-5.5GHz，对VTUNE引脚接入可调电阻，通过调节分压电阻控制VCO产生5GHz的触发信号。HMC361S8G是低噪声2分频分相电路，工作频率最高可以达到10GHz。每块分频分相电路可以产生两路相位相反频率为原来一半的时钟信号，经过三级分频分相电路级联最终可以产生8路625MHz的时钟信号，且该信号的相位发生了位移，分别是0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。
如图3所示，时钟选通电路（3）选用HMC596LP4作为触发信号的选通开关，该开关矩阵有两路开关输出和四路传输信号输入，通过FPGA控制4路选通信号，实现从200MHz到3GHz频率之间，任意信号的4选2输出。等效采样电路需要实现8选1时钟信号开关，因此使用了三片芯片级联，在四路信号中选通一路输出，通过一个电平控制实现时钟信号2选1输出，整个结构需要三路电平控制，节省了FPGA的IO接口资源。
如图4所示，FPGA控制电路（2），高速ADC电路（4）数据采集是雷达控制系统的重要组成部分，在采样开始之前，FPGA控制ADC完成初始化和自校准设置。FPGA提取收集有效回波数据，需要实时检测雷达的位移情况，还需要接收相位选通信号对齐采集数据的周期，根据ADC输出DCLK±来接收数据。FPGA需要对接收到的信息进行处理，将相关数据存储到RAM，等待采集完一帧波形数据统一打包发送给上位机显示系统，图4为FPGA控制ADC的数据采样流程，温度的变化会影响ADC工作的准确性，当温差变化过大时必须对高速ADC进行校验。FPGA在读取ADC数据之前写入转换数据所需的基本信息，等待雷达系统检测到位置偏移后开始读取ADC转换数据。FPGA控制高速ADC并按照触发时钟的相位将数据写入相应的RAM地址中，等待完成8路相位触发共800次采样后统一从RAM里读取数据并通过以太网发送出去。
如图5所示，通过函数信号发生器产生图5所示的正弦信号作为回波信号接入基于正交移相技术的等效采样控制电路中，对所涉及的软件程序和硬件电路进行联合测试。FPGA控制各相关电路模块对正弦信号进行模数转换、处理、打包最终通过以太网发送到上位机显示系统，图6为使用网络封包分析软件Wireshark查看抓取10000帧FPGA发送数据包。10000帧所需的最短时间为0.2233s，即该电路实际测试中每秒最多采集45K帧回波信号并发送至上位机，为保证雷达信号采集的稳定性，采样触发频率必须小于45KHz，代入公式计算可得在百公里每小时行车速度下本雷达系统的探测精度约为0.62mm。
探地雷达系统在接收到上述正弦波信号后对其进行等效采样处理，将高速ADC转化得到的数字信号存放到当前存储区间，并通过以太网发送到上位机系统，图7为上位机显示系统收到探地雷达的回波信号数据实时显示图像，图中每一列由800个像素点组成，表示在雷达系统触发采样控制得到一帧完整的回波信号，其中像素的灰度值表示雷达回波信号的幅度大小，上位机接收ADC的采集数据会不断刷新列像素，经过800次采样触发后上位机显示出一幅完整的图像，图中可以看出并排刷新出3条完整的白线，表示该雷达系统采集得到正弦波3路相位的图像。
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 (5)
1.一种基于正交相位选通的等效采样控制电路，包括触发信号产生电路、FPGA控制电路、时钟选通电路、高速ADC电路和离散波形重构电路，其特征在于：
所述触发信号产生电路、时钟选通电路、高速ADC电路、离散波形重构电路依次连接；
所述时钟选通电路与FPGA控制电路相连接；
其中，触发信号产生电路采用压控振荡器产生5GHz的精准频率信号，依次经过相分8分频电路对5GHz信号分频，最终形成基于5GHz的相分8分频625MHz时钟信号；
由FPGA控制电路控制时钟选通电路对8路相分频时钟源进行选通控制，按照同一周期内的相序逐次驱动ADC采样时钟，从而实现对反射脉冲的8个周期不同相位的信号幅值进行采样；
高速ADC电路预先设置接收信号频率为6.25MHz，则每路触发信号经过100个周期可以完成一个周期的采样，然后离散波形重构电路对这些样本值按照采样时间和触发相位顺序组合形成完整的回波信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于正交相位选通的等效采样控制电路，其特征在于：所述的触发信号产生电路主要由信号源和分频分相单元组成；选用压控振荡器连接集成分频分相单元作为触发ADC采样的信号源电路，其中压控振荡器器件输出的时钟频率范围为5-5.5GHz，对VTUNE引脚接入可调电阻，通过调节分压电阻控制压控振荡器产生5GHz的触发信号；每块分频分相电路可以产生两路相位相反频率为原来一半的时钟信号，经过三级分频分相电路级联最终可以产生8路625MHz的时钟信号，且该信号的相位发生了位移，分别是0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。
3.根据权利要求2所述的一种基于正交相位选通的等效采样控制电路，其特征在于：所述的触发信号产生电路选用Hittie公司的压控振荡器HMC430LP4和集成分频分相单元HMC361S8G。
4.根据权利要求1所述的一种基于正交相位选通的等效采样控制电路，其特征在于：所述的时钟选通电路选用HMC596LP4作为触发信号的选通开关，该开关矩阵有两路开关输出和四路传输信号输入，通过FPGA控制电路控制4路选通信号，实现从200MHz到3GHz频率之间任意信号的4选2输出；通过级联设计，从8路不同相位的625MHz时钟中选择合适的信号作为ADC采样触发信号。
5.根据权利要求4所述的一种基于正交相位选通的等效采样控制电路，其特征在于：所述级联设计，具体为使用三片芯片级联，在四路信号中选通一路输出，通过一个电平控制实现时钟信号2选1输出，整个结构需要三路电平控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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