等效采樣超寬帶窄脈沖接收電路設計范文

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摘要:超寬帶探地雷達在無損檢測系統中得到越來越廣泛的應用，接收電路是整個無損檢測技術的關鍵。采用順序等效采樣技術設計了一款新型的窄脈沖接收電路，該電路可以利用低速A/D實現對高頻信號的等效采樣。利用ADS對該電路進行仿真，輸入10MHz重復頻率的2ns三角波信號，采樣脈沖帶有100ps的步進延時方波信號對輸入信號進行采樣。輸入信號經過該電路后脈沖寬度降低為2μs，頻率降低了1000倍。實測結果顯示該電路可以實現對輸入信號的等效采樣，輸出信號頻率降低了200倍。

關鍵詞:等效采樣;超寬帶接收機;無損檢測;探地雷達

超寬帶UWB(Ultra-wideband)探地雷達GPR(GroundPenetratingRadar)是利用電磁波信號來檢測不可見物體內部的結構與形狀。雖然超寬帶無損檢測的理論在很早就被人們所認識，但實用的系統在最近幾年才漸漸發展成熟。超寬帶探地雷達憑借其自身的技術優點在橋梁、道路、考古等領域有著廣泛的應用。沖擊脈沖體制下的超寬帶無損檢測系統接收的是超寬帶脈沖信號，其脈沖寬度窄頻譜寬，一般可達GHz。對超寬帶系統使用實時采樣的方式采集超寬帶信號，那么采樣頻率至少要大于2倍的信號頻率。此外由于超寬帶脈沖的特殊性還需要在一個脈沖周期內至少采集7個樣本點［1－5］。因此要實現超高速實時采樣，采樣精度和采樣速率都要滿足要求。目前常用的高速采樣設備主要有數據采集卡、高速A/D等。從國內現有的A/D產品來看，采樣精度和采樣率往往是一對矛盾值，由于國外技術的封鎖，國內現有的單個產品還不能同時滿足超寬帶脈沖采樣的速度和精度要求。此外由于數據采集器體積大、價格昂貴，往往不利于系統的小型化與商業化。基于以上需求，本文設計了一款基于等效采樣的超寬帶窄脈沖接收電路，可利用低速A/D實現對高頻信號的采樣，降低采樣系統的成本。

1電路設計

在整個超寬帶無損檢測系統中發射機和接收機是系統的關鍵，如圖1所示。接收機系統由兩級低噪放、等效采樣電路、精密延時電路、采樣脈沖產生電路以及差動放大電路等部分構成［6－7］，超寬帶脈沖回波信號經過天線被接收后，由于回波信號幅度較低，需要經過兩級放大電路進行放大，放大后的回波信號由等效采樣電路進行采樣與保持;同時采樣脈沖信號由晶振產生，經過延時芯片實現步進延時，經過采樣脈沖產生電路實現帶有步進延時的窄脈沖信號控制等效采樣電路;等效采樣電路的輸出信號經過差動放大電路放大后由A/D進行模數轉換。

1．1精密延時電路

根據超寬帶脈沖的設計指標，由于超寬帶脈沖約為2ns，那么最佳的步進延時為100ps。為了滿足系統的實測要求。由芯片類型可知，僅僅用單個芯片無法完成100ps的延時;那么可采用發射信號與采樣信號之間的延時差來實現。選擇MC100E196B芯片的10位控制，步進的精度為10ps。采用兩路芯片之間的延時差便可以實現100ps。如圖2所示，整個設計采用同一個時鐘進行控制，這樣使得發射與接收處于完全同步。晶振信號同時產生超寬帶脈沖信號與采樣脈沖信號，輸出產生超寬帶脈沖信號的方波信號經過延時芯片延時2．2ns，產生采樣脈沖信號的方波信號延時2．3ns，這樣便可以實現兩個信號之間的延時差為100ps。 

1．2采樣脈沖產生電路

隨著半導體器件的發展，可以采用半導體器件內部的特殊載流子特性產生脈沖，主要有隧道二極管、階躍恢復二極管以及雪崩三極管等常用的窄脈沖產生技術［8－9］。本文采用雪崩三極管單管放大電路，實現窄脈沖電路設計［10－11］。雪崩脈沖產生電路包括雪崩三極管、直流偏置電路和微分整形網絡，方波信號經過微分整形網絡提取脈沖的邊緣，降低方波信號的占空比后作為雪崩三極管的輸入信號，利用雪崩三極管的雪崩倍增效應結合整形網絡整形后形成窄脈沖信號。整個電路如圖3所示，雪崩電路由直流偏置電壓VC、電感L1、電容C2、電阻R3、R4和雪崩晶體管Q1組成。其中雪崩三極管采用的是恩智浦公司的BFU530XR，這是一種低噪聲、高帶寬的射頻晶體管。其特征頻率fT為11GHz，雪崩擊穿電壓VCEO為12V，雪崩擊穿電壓VCBO為24V。電壓源VC為雪崩三極管提供雪崩擊穿的直流偏置電壓，在方波信號到來之前使雪崩三極管處于臨界雪崩狀態。電感L1為電壓濾波電感。在發生雪崩擊穿之前，偏置電壓對電容C2進行充電，其充電常數為：且R3的值不能太小，否則會導致雪崩三極管上的分壓增大，從而導致整個雪崩電路的功耗增加。由于雪崩脈沖是負脈沖，采用肖特基二極管輸出脈沖波形進行截取。由于肖特基二極管的反向截止時間非常短，正向導通時間到反向截止時間只需幾十皮秒。因此可以用它實現將高于門限電壓的信號通過，這個門限電壓由Vd決定。

1．3等效采樣電路

等效采樣電路其本質是一個高性能的開關信號，由于三極管可以實現開關電路，因此本文提出使用三極管替代二極管，設計出了一個新型的等效采樣電路，該等效采樣電路不采用對稱結構，使得整個設計更加容易實現。由于共發射級電路有:因此發射極電路基極電路受集電極影響較小，且射集跟隨器的放大系數約為1。因此采用三極管電路可以實現采樣保持。這種電路不僅可以增加輸出信號的幅度，且可以有效的防止保持階段的饋通而引起的毛刺。根據分析，可設計出等效采樣電路如圖4所示，它主要有三部分構成:直流偏置電路、等效采樣電路、緩沖電路。與二極管采樣電路相比，直流偏置電路對三極管電路影響更為重要，本設計中的直流偏置電路由R6、R7、R10、R11、C4組成。通過調節電阻R6的值可以控制三極管Q1、Q2、Q3的發射極電壓，從而調節整個等效采樣電路的直流偏置。由于在保持階段，輸入信號由Q2經過R6到地，為了防止輸入信號向后級的饋通，這里R6、R7的值不宜過大，選用阻值為27Ω的電阻且與C6并聯更有利于信號釋放到地，防止在保持階段向后級的饋通。等效采樣電路由ps級采樣脈沖經過Q4集電極輸出信號和基極輸入信號控制Q1、Q2、Q3構成。ps級采樣脈沖經過Q4集電極輸出便可以得到一個相位相反的ps級脈沖信號。這樣就可以得到一對相位相反的采樣保持脈沖，其中C5濾波電容取0．1μF，R9直流偏置電阻取100Ω。可以通過調節電阻R8、R9實現對采樣脈沖幅度的調節:當輸入信號為低電平時Q3導通，Q2截止，此時Q1處于導通狀態，當Q1導通時對C3充放電，實現采樣，同理當Q2導通，Q3截止，此時Q1截止時C3處于保持狀態。這樣便可以實現對整個被采樣信號的跟蹤保持。同時C3、R2的選擇尤為重要，C3太大充放電效果不明顯，C3太小則會導致保持不住。R2的阻值不宜太大，太大導致充放電受阻。本文C3設為47pF，R3設為300Ω。為了防止保持電容上的保持信號向后級放電，在保持電容后采用高性能的JFET(絕緣柵型場效應晶體管)結合電阻R3形成一個具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的緩沖電路。由于JFET與MOSFET相比無需開啟電壓，因此在微弱信號采樣時比MOSFET優勢更為明顯，此外R3的阻值可以取的大一些，本文設為1000Ω。

2系統仿真與測試

2．1系統仿真

超寬帶脈沖接收系統主要用于對運動目標的探測，根據接收波形的變化分析出物體的運動特征。本文利用ADS中的信號源輸出重復頻率為10MHz脈沖寬度為2ns的三角波模擬超寬帶脈沖對系統進行仿真。如圖5所示，采用周期為100ns，上升沿為1ns，下降沿為1ns底部脈沖寬度為2ns的三角波模擬被采樣信號;接收電路中采樣脈沖產生電路是由晶振觸發信號源產生窄脈沖信號，為了模擬采樣脈沖信號輸入占空比50%的方波信號作為采樣脈沖觸發信號，周期為100．1ns，其中100ps為延時差。輸入2ns三角波信號經過該系統后輸出信號可以恢復出輸入信號的波形，且周期頻率拉長為2μs降低了1000倍。

2．2系統測試

如圖6所示，根據前面的分析，將整個系統在FR4板材上進行實現。采用10MHz晶振作為采樣脈沖與超寬帶脈沖信號的觸發信號，經過等效采樣電路后，輸出級采用模數轉換ADS822芯片對等效采樣后的信號模數轉換。通過示波器對等效采樣后的波形觀測。由圖7可知，輸入200mV左右的10MHz弦信號，經過多個周期的采樣后輸出信號頻率約為1MHz，且在每個周期內等效采樣系統對輸入信號采一個點，并且在下一次采樣之前處于保持狀態，經過多個周期后可以恢復出正弦信號的波形。從實測結果可以看到系統可以對信號實現很好的跟蹤保持，仿真與實測結果都可以證明該系統的可行性。基于等效采樣的超寬帶窄脈沖接收電路完全可以實現對超寬帶脈沖的等效采樣，可利用低速A/D實現對回波信號的采樣。有利于降低整個雷達系統的成本。為了驗證本設計的優點，表1對常見的采樣技術進行對比分析，可以看出，在檢測誤差可以接受的范圍內，本方案大幅降低了接收機的采樣成本。

3總結

超寬帶探地雷達可應用于多個領域，本文基于順序等效采樣原理設計的窄脈沖接收電路可以采用低速A/D實現對高頻信號的數據采集，降低整個系統成本，有利于探地雷達系統的商業化。

作者：蔡志匡 石國偉 齊軒晨 林文華 肖建 單位：南京郵電大學電子與光學工程學院