CN112781571A - 测绘地理信息信号检测与接收装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及测绘地理信息信号检测与接收装置，包括接收模块、运算及处理模块、信号转化模块和分析放大模块。本申请的测绘地理信息信号检测与接收装置，在铁道工程施工等领域野外地貌勘测与测绘过程中由于地理环境恶劣引起的数据通信站点覆盖能力微弱时，也能够实现对目标信号的准确与迅速接收。为了降低外界环境对目标信号的干扰，本次设计选取一阶低通滤波电路作为信号接收的前级，不仅节约成本，而且所涉及元器件少，非常容易集成，而且可以通过调控其电容值的大小来直接设定目标信号的频段，灵活性非常高。另一方面，本方案采用分立器件搭建，不依赖特定的集成电路模块，易于维护检修，并且在恶劣的野外环境中取得了更高的可靠性及经济性。
Description
技术领域
本申请涉及测绘器材与装备领域，具体涉及一种测绘地理信息信号检测与接收装置。
背景技术
我国地理环境错综复杂，从西至东分为三个阶梯，阶梯之间的高度变化很大，从而导致在信号传输方面，地势、地形等地理环境会在不同程度上削弱信号的发射和接收能力。因此在铁路建设前期对地理形貌测绘时，需要采用无线设备对地貌形态进行勘测，而无线设备与数据通信站点之间的信息传输会根据野外地貌环境的磁场、障碍物等受到不同程度的干扰，尤其是对于高纬度地区，数据通信站点的投建难度大，成本高，要想实现稳定、准确的传输，需要通过增加数据传输点的数量来实现，这样不仅耗时耗力，也不符合可持续发展的战略要求，因此，为了解决这一问题，设计了一个能够在外界环境恶劣的情况下也能实现与数据通信点准确、快速传输数据的测绘地理信息信号检测与接收装置，在本次设计中，主要增强了无线移动设备端对数据通信站点的信号接收能力，对于在高纬度或存在强干扰的地区中数据通信站点传来的微弱信号也能够实现准确且迅速的检测与接收。。
发明内容
(一)技术问题
1.改善高纬度地区地理信息测绘过程中信号接收的效果；
2.提高系统可靠性，降低成本。
(二)技术方案
本申请的测绘地理信息信号检测与接收装置，包括接收模块、运算及处理模块、信号转化模块和分析放大模块。
接收模块为保证所述高纬度地区信号检测与接收电路对信号准确稳定的接收，分别在模数转换器OP2的两个输入端各引入一个滤波电路，这两个滤波器是分别由OP1、R1、R4、C7与OP3、R6、R9、C12组成的两个一阶低通滤波电路，当没有信号时，电容C7与C12相当于开路，从而导致OP1与OP3输出端的通带内增益只与R4/R1和R9/R6有关，当外界有信号时，电容C7、C12有电流变化，能够控制单一频段的信号输出，且信号频率与C7、C12的电容值大小有关。
为了保证所述高纬度地区信号检测与接收电路对信号运算和处理能力，设计了一个模数转换电路来实现模拟信号像数字信号的转化。本次设计的模数转换电路的运算及处理模块由OP2、R7、R5等组成，模数转换器OP2通过输入正端和输入负端两条通道来实现信号的采样，OP2内部转换形式采用逐次逼型模式，这种模式转换速度极高、功耗很低，同时精度也能做到很高，非常适合在输入信号较弱的情况下使用，OP2内部含有一个比较器和一个数模转换器，二者之间通过逐次比较，按照先后顺序将输入信号与数模转换器基准电压多次比较之后得出转换结果。
对于信号转化模块来说，其作用是对输入信号进行高速且准确的转化，因此该部分对外围适配电路也需要做详细的设计与考虑。为了保证模数转换电路的正常工作，在OP2处引入一个以MOS为核心的驱动电路，这部分电路由P型耗尽型场效应晶体管Q4、普通电容C4、C5、C6以及电阻R2组成，R2一端连接到电源线VCC上，另一端连接到C4、C5以及Q4的栅极，C6直接并联到Q4的源漏两端，对于耗尽型PMOS场效应晶体管来说，其沟道表面有很多带正电荷的缺陷态钉扎到沟道的价带处，并且形成导电通路，因此对于这种类型的晶体管来说，当其栅极施加正电压时，并不能消除钉扎在价带处的缺陷态，因此Q4沟道一直处于导通状态，电流从Q4的漏极流出并流入模数转换器OP2的电源正端，从而启动OP2，并使其保持在工作准备状态，当电源线VCC处电压发生抖动时，Q4栅压发生变化，会出现使Q4沟道处缺陷态被电子填充的情况，从而导致沟道断开，此时电容C5、C6马上进行充放电，以保证Q4的栅压足够高，从而保持导通状态，实现电流源源不断地流入OP2电源正端。整个电路部分地设计，之所以选择耗尽型PMOS场效应晶体管为核心，是因为耗尽型晶体管对栅压地变化不敏感，能够保持持续稳定地输出。
为了更好地识别和分析信号，最经济且有效地方法是添加一个分析放大模块，本设计采用的是一种两级放大电路，总共涉及了十个双极性晶体管和两个场效应晶体管，在宏观上，利用这些晶体管组成了两组电流镜，第一条电流镜，由电阻R3、PNP双极晶体管Q3、耗尽型NMOS场效应晶体管Q7和Q8、N型双极性晶体管Q12和Q11组成，这一条电流镜，从R3开始，电流经Q3后分别流入Q7、Q8所在的支路，由于两条之路在宏观上完全对称，因此流过Q12和Q11的电流大小始终保持一致。第二条电流镜，由PNP双极晶体管Q1、Q2所在的两条支路组成，NPN双极晶体管Q5、Q6的集电极连接到宏观上对称，所以在Q5、Q6发射极处的电流时刻保持相等。两条电流镜连接到一起构成了两级放大电路，二者通过在第一级放大电流镜中的PMOS晶体管Q8漏极处连接的极管D4接入到第二级放大电流镜中Q5的发射极上，当上级信号接入Q7、Q8的栅极后，Q7、Q8处于高阻态，Q8漏极电位大致与VCC保持一直(由于晶体管上的压降可能会下降0.3V左右)，因此D4导通，且Q5发射极的压降也与VCC大致保持一直(由于D4的压降可能会继续下降0.2V)，从而导致Q9导通，使Q9的集电极有电流通过，并且该电流会为Q5、Q6提供基极电流，使他们导通，最终在Q6的发射极输出与VCC一致的高电平。
(三)有益效果
本次设计的测绘地理信息信号检测与接收装置，在野外地貌勘测与测绘过程中由于地理环境恶劣引起的数据通信站点覆盖能力微弱时，也能够实现对目标信号的准确与迅速接收。为了降低外界环境对目标信号的干扰，本次设计选取一阶低通滤波电路作为信号接收的前级，不仅节约成本，而且所涉及元器件少，非常容易集成，而且可以通过调控其电容值的大小来直接设定目标信号的频段，灵活性非常高。对于提高目标信号识别速度而言，本次设计采取模数转换的方法将传来的模拟信号转换成易于处理和传输的数字信号，而模数转换方式采取逐次逼近型，提高了数据的精确性和真实性。此外，本次设计还能够降低野外电力波动情况带来的影响，为了提高电力系统的稳定性，采用外加驱动电路为模数转换电路提供电力的模式，不仅能够大大消除电源线处的电力波动，还方便植入，降低了电路的复杂程度。另一方面，本方案采用分立器件搭建，不依赖特定的集成电路模块，易于维护检修，并且在恶劣的野外环境中取得了更高的可靠性及经济性。
附图说明
图1为根据本申请的电路电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，根据本申请的测绘地理信息信号检测与接收装置，包括接收模块、运算及处理模块、信号转化模块和分析放大模块。
接收模块为保证所述高纬度地区信号检测与接收电路对信号准确稳定的接收，分别在模数转换器OP2的两个输入端各引入一个滤波电路，这两个滤波器是分别由OP1、R1、R4、C7与OP3、R6、R9、C12组成的两个一阶低通滤波电路，当没有信号时，电容C7与C12相当于开路，从而导致OP1与OP3输出端的通带内增益只与R4/R1和R9/R6有关，当外界有信号时，电容C7、C12有电流变化，能够控制单一频段的信号输出，且信号频率与C7、C12的电容值大小有关。
具体而言，所述接收模块包括运算放大器OP1，电阻R1的一端接地并与运算放大器OP1的正端连接，电容C3与电感L1的一端、电容C7的一端及运算放大器OP1的负端连接，电阻R1的另一端与二极管D1的负极连接，运算放大器OP1的输出端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与二极管D1的正极、二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与电感L1的另一端连接；电容C7的另一端接地并与电阻R6的一端、运算放大器OP3的正端连接，电容C11的一端与电感L5、电容C12的一端及运算放大器OP3的负端连接，运算放大器的输出端与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端分别连接二极管D3的正极、二极管D6的正极和电阻R5的一端，二极管D3的负极连接电阻R6的另一端，二极管D6的负极与电感L5的另一端连接；运算放大器OP2的正端与电阻R4的另一端、电容C8的一端连接，负端与电阻R5的另一端、电容C10的一端、电阻R7的一端连接。
为了保证所述高纬度地区信号检测与接收电路对信号运算和处理能力，设计了一个模数转换电路来实现模拟信号像数字信号的转化。本次设计的模数转换电路的运算及处理模块由OP2、R7、R5等组成，模数转换器OP2通过输入正端和输入负端两条通道来实现信号的采样，OP2内部转换形式采用逐次逼型模式，这种模式转换速度极高、功耗很低，同时精度也能做到很高，非常适合在输入信号较弱的情况下使用，OP2内部含有一个比较器和一个数模转换器，二者之间通过逐次比较，按照先后顺序将输入信号与数模转换器基准电压多次比较之后得出转换结果。
具体而言，所述运算及处理模块中，所述电阻R7的另一端与运算放大器OP2的输出端连接，运算放大器OP2内部转换形式采用逐次逼型模式，含有一个比较器和一个数模转换器，二者之间通过逐次比较，按照先后顺序将输入信号与数模转换器基准电压多次比较之后得出转换结果。
对于信号转化模块来说，其作用是对输入信号进行高速且准确的转化，因此该部分对外围适配电路也需要做详细的设计与考虑。为了保证模数转换电路的正常工作，在OP2处引入一个以MOS为核心的驱动电路，这部分电路由P型耗尽型场效应晶体管Q4、普通电容C4、C5、C6以及电阻R2组成，R2一端连接到电源线VCC上，另一端连接到C4、C5以及Q4的栅极，C6直接并联到Q4的源漏两端，对于耗尽型PMOS场效应晶体管来说，其沟道表面有很多带正电荷的缺陷态钉扎到沟道的价带处，并且形成导电通路，因此对于这种类型的晶体管来说，当其栅极施加正电压时，并不能消除钉扎在价带处的缺陷态，因此Q4沟道一直处于导通状态，电流从Q4的漏极流出并流入模数转换器OP2的电源正端，从而启动OP2，并使其保持在工作准备状态，当电源线VCC处电压发生抖动时，Q4栅压发生变化，会出现使Q4沟道处缺陷态被电子填充的情况，从而导致沟道断开，此时电容C5、C6马上进行充放电，以保证Q4的栅压足够高，从而保持导通状态，实现电流源源不断地流入OP2电源正端。整个电路部分地设计，之所以选择耗尽型PMOS场效应晶体管为核心，是因为耗尽型晶体管对栅压地变化不敏感，能够保持持续稳定地输出。
具体而言，所述信号转化模块中，电容C8的另一端连接电阻R2的一端及电源VCC，电阻R2的另一端连接电容C4、电容C5的一端及P型耗尽型场效应晶体管Q4的栅极，电容C4的另一端连接晶体管Q4的漏极及电容C6的一端，电容C5的另一端连接晶体管Q4的源极及电容C6的另一端，晶体管Q4的漏极与运算放大器OP2的电源+端连接。
为了更好地识别和分析信号，最经济且有效地方法是添加一个分析放大模块，本设计采用的是一种两级放大电路，总共涉及了十个双极性晶体管和两个场效应晶体管，在宏观上，利用这些晶体管组成了两组电流镜，第一条电流镜，由电阻R3、PNP双极晶体管Q3、耗尽型NMOS场效应晶体管Q7和Q8、N型双极性晶体管Q12和Q11组成，这一条电流镜，从R3开始，电流经Q3后分别流入Q7、Q8所在的支路，由于两条之路在宏观上完全对称，因此流过Q12和Q11的电流大小始终保持一致。第二条电流镜，由PNP双极晶体管Q1、Q2所在的两条支路组成，NPN双极晶体管Q5、Q6的集电极连接到宏观上对称，所以在Q5、Q6发射极处的电流时刻保持相等。两条电流镜连接到一起构成了两级放大电路，二者通过在第一级放大电流镜中的PMOS晶体管Q8漏极处连接的极管D4接入到第二级放大电流镜中Q5的发射极上，当上级信号接入Q7、Q8的栅极后，Q7、Q8处于高阻态，Q8漏极电位大致与VCC保持一直(由于晶体管上的压降可能会下降0.3V左右)，因此D4导通，且Q5发射极的压降也与VCC大致保持一直(由于D4的压降可能会继续下降0.2V)，从而导致Q9导通，使Q9的集电极有电流通过，并且该电流会为Q5、Q6提供基极电流，使他们导通，最终在Q6的发射极输出与VCC一致的高电平。
具体而言，所述分析放大电路包括一端连接电源VCC的电阻R3，电阻R3的另一端连接PNP双极晶体管Q3的发射极，晶体管Q3的集电极连接耗尽型NMOS场效应晶体管Q7和Q8栅极，晶体管Q7的源极与N型双极性晶体管Q11的集电极连接，晶体管Q11的发射极通过电感L6接地，晶体管Q8的源极与N型双极性晶体管Q12的集电极连接，晶体管Q12的发射极接地，电阻R12的一端分别连接晶体管Q11及晶体管Q12的基极，电阻R12的另一端通过电容C13接地；电容C1的一端连接电源VCC，另一端连接PNP双极晶体管Q1的发射极，电容C2的一端连接电源VCC，另一端连接PNP双极晶体管Q2的发射极，所述晶体管Q3的基极连接所述晶体管Q1、晶体管Q2的基极、集电极及NPN双极晶体管Q5、Q6的基极，晶体管Q8的漏极通过二极管D4连接晶体管Q5的发射极及晶体管Q9的基极；晶体管Q6的发射极依次连接电感L2、电阻R13后输出信号。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (4)
1.测绘地理信息信号检测与接收装置，包括接收模块、运算及处理模块、信号转化模块和分析放大模块，其特征在于：所述接收模块包括运算放大器OP1，电阻R1的一端接地并与运算放大器OP1的正端连接，电容C3与电感L1的一端、电容C7的一端及运算放大器OP1的负端连接，电阻R1的另一端与二极管D1的负极连接，运算放大器OP1的输出端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与二极管D1的正极、二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与电感L1的另一端连接；电容C7的另一端接地并与电阻R6的一端、运算放大器OP3的正端连接，电容C11的一端与电感L5、电容C12的一端及运算放大器OP3的负端连接，运算放大器的输出端与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端分别连接二极管D3的正极、二极管D6的正极和电阻R5的一端，二极管D3的负极连接电阻R6的另一端，二极管D6的负极与电感L5的另一端连接；运算放大器OP2的正端与电阻R4的另一端、电容C8的一端连接，负端与电阻R5的另一端、电容C10的一端、电阻R7的一端连接。
2.根据权利要求1所述的测绘地理信息信号检测与接收装置，其特征在于：所述运算及处理模块中，所述电阻R7的另一端与运算放大器OP2的输出端连接，运算放大器OP2内部转换形式采用逐次逼型模式，含有一个比较器和一个数模转换器，二者之间通过逐次比较，按照先后顺序将输入信号与数模转换器基准电压多次比较之后得出转换结果。
3.根据权利要求1所述的测绘地理信息信号检测与接收装置，其特征在于：所述信号转化模块中，电容C8的另一端连接电阻R2的一端及电源VCC，电阻R2的另一端连接电容C4、电容C5的一端及P型耗尽型场效应晶体管Q4的栅极，电容C4的另一端连接晶体管Q4的漏极及电容C6的一端，电容C5的另一端连接晶体管Q4的源极及电容C6的另一端，晶体管Q4的漏极与运算放大器OP2的电源+端连接。
4.根据权利要求1所述的测绘地理信息信号检测与接收装置，其特征在于：所述分析放大电路包括一端连接电源VCC的电阻R3，电阻R3的另一端连接PNP双极晶体管Q3的发射极，晶体管Q3的集电极连接耗尽型NMOS场效应晶体管Q7和Q8栅极，晶体管Q7的源极与N型双极性晶体管Q11的集电极连接，晶体管Q11的发射极通过电感L6接地，晶体管Q8的源极与N型双极性晶体管Q12的集电极连接，晶体管Q12的发射极接地，电阻R12的一端分别连接晶体管Q11及晶体管Q12的基极，电阻R12的另一端通过电容C13接地；电容C1的一端连接电源VCC，另一端连接PNP双极晶体管Q1的发射极，电容C2的一端连接电源VCC，另一端连接PNP双极晶体管Q2的发射极，所述晶体管Q3的基极连接所述晶体管Q1、晶体管Q2的基极、集电极及NPN双极晶体管Q5、Q6的基极，晶体管Q8的漏极通过二极管D4连接晶体管Q5的发射极及晶体管Q9的基极；晶体管Q6的发射极依次连接电感L2、电阻R13后输出信号。
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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 | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20210511 |