寬帶超高精度數字脈衝相移產生器的製作方法
2023-06-12 10:39:41 1
專利名稱：寬帶超高精度數字脈衝相移產生器的製作方法
技術領域：
本發明是一種數字脈衝產生技術，它以低成本和高集成度的數字、模擬混合電路實現了高精度、可穩定精細調整的寬帶數字脈衝相移技術，該技術主要應用於超寬帶雷達系統、高精度工業測量領域以及監控系統。
背景技術：
在早期的基本應用中，雷達系統發射音頻脈衝並測量脈衝開始發射和從測量目標返回之間的時間差，從而確定被測目標和設備之間的距離。然而，普通成本的測量電路能夠提供給雷達系統的測量精度也就在10％左右。
90年代中期Thomas E.McEwan等人發明了精確數字脈衝產生器，並連續加以改進，後來以較低成本的測量電路實現了0.1％測量精度的雷達設備，並申請了美國專利，專利號為5563605。該發明中，D/A器件產生可以較為精確調整步長的控制電流，用來確定接收脈衝和發射脈衝的時延；運放將該時延處理後產生反饋電流，形成伺服系統，以保證該時延較為精確的受控於控制電流。該發明不僅提高了雷達設備的測量精度和降低了雷達設備的成本，而且將該技術成功拓展進了工業測量領域。
不過，Thomas E.McEwan等人發明的精確數字脈衝產生器的精度基本是理論性的，因為伺服系統的反饋電流嚴重受到時延脈衝電壓峰值電平的影響。在實際應用中，電源供電的精度很難超過0.5％；而且由於製造工藝的影響，不同批次的普通數字邏輯器件在同樣電源供電的情況下，管腳輸出脈衝的高電平也有較大差異。更不利的因素是，設備應用的場合有可能溫度變化範圍比較大，使得同一數字邏輯器件在同樣的供電電源情況下，輸出的時延脈衝峰值電平也可能具有較大的變化。這些因素很大程度影響的實際測量精度，使得該發明0.1％的測量精度難以達到。
發明內容
本發明的目的是提供一種低成本、高集成度的寬帶超高精度數字脈衝相移產生器，它能夠穩定的以高精度的步長精細調整參考脈衝和可變脈衝之間的相移，並能適應較大的供電電源變化和溫度變化的影響。
一種寬帶超高精度數字脈衝相移產生器，由可編程邏輯器件、乘法型D/A、濾波分壓電路、延遲電路和伺服電路組成。
可編程邏輯器件選擇低功耗、高頻率和高集成度的器件。初始參考脈衝信號為周期性方波信號，輸入到可編程邏輯器件，脈衝頻率範圍在200kHz～20MHz。外部控制中心可通過通訊總線對可編程邏輯器件進行參數配置，可編程邏輯器件根據參數配置的內容，按照設定的步長，將數字控制信號循環遞增或遞減，傳送給差動電流輸出型的乘法型D/A，並將參考電壓經濾波和分壓電路處理後送給該乘法型D/A作為該器件的參考電壓。參考脈衝由初始參考脈衝經可編程邏輯器件緩衝後產生並輸出，與初始參考脈衝頻率相同且相位差固定。發射脈衝可由參考脈衝直接形成並輸出，也可經參考脈衝和其加微小固定相移的反相脈衝相與後形成並輸出，與參考脈衝相位相同。乘法型D/A將差動控制電流輸出到伺服電路，伺服電路中的運算放大器具有高線性度和高開環增益的特徵。伺服電路將時延脈衝形成的反饋電流和差動電流進行比較，並將二者的差異形成的反饋電壓輸出給由可編程邏輯器件的門電路和阻容器件組成的延遲電路，並因此改變時延脈衝的寬度，直至時延脈衝的寬度產生的反饋電流和差動電流相匹配。延遲電路將參考脈衝移相後形成相移脈衝，相移脈衝經可編程邏輯器件內部的門電路整形，整形後的脈衝可直接輸出作為接收脈衝，也可和其加微小固定相移的反相脈衝相與後作為接收脈衝輸出，接收脈衝和整形後的相移脈衝相位相同。時延脈衝在可編程邏輯器件內部由門電路對接收脈衝和參考脈衝作數字鑑相後產生。延遲電路產生的相移可精細調整，在時域上可對應到幾個皮秒的量級。接收脈衝相對參考脈衝或發射脈衝相位可變，視為可變脈衝。
本發明提供了一種低成本、高集成度的寬帶超高精度數字脈衝相移產生器，它能夠穩定的以高精度的步長精細調整參考脈衝和可變脈衝之間的相移，並能適應較大的供電電源變化和溫度變化的影響。本發明的接收脈衝和參考脈衝(或發射脈衝之間)的相位調整步長可優於0.01％，並且可以數字調整。本發明解決了反饋時延電平峰值對寬帶數字移相技術的影響，在供電電源變化不超過±5％，溫度在-40～+85℃範圍內，測量精度超過0.1％，可以達到0.01％左右。加入控制和判斷電路後，本發明可用於測量、監控和雷達系統。
圖1是本發明的原理圖。
圖2是本發明參考電壓直接由C5連到乘法型D/A器件的原理圖。
具體實施方案一種寬帶超高精度數字脈衝相移產生器，其特徵在於包括可編程邏輯器件1、乘法型D/A 2、濾波分壓電路、延遲電路和伺服電路。圖1和圖2是本發明原理的具體體現。
外部控制中心如MCU，可通過通訊總線對可編程邏輯器件1進行參數配置，可數位化設置相移步長，以及相位的掃描方式。外部控制中心同時給可編程邏輯器件1提供初始參考脈衝，初始參考脈衝為周期性方波信號，頻率範圍在200kHz～20MHz。
可編程邏輯器件1根據參數的配置內容，確定對乘法型D/A 2的控制參數，包括控制代碼的步長、增減方向，以及控制代碼的更新時間間隔。可編程邏輯器件1將初始參考脈衝緩衝並處理後輸出到延遲電路，延遲電路將相移脈衝送回可編程邏輯器件1。可編程邏輯器件1根據參考脈衝和相移脈衝，將二者處理後轉變為發射脈衝、接收脈衝、時延參考脈衝和時延脈衝。時延脈衝和時延參考脈衝輸出到伺服電路。可編程邏輯器件1輸出參考電壓到濾波分壓電路，可編程邏輯器件1的特性保證參考電壓管腳與其它輸出脈衝的管腳電氣參數差異極小，可認為相同。參考管腳輸出可為PWM信號，也可為高電平信號。
濾波分壓電路由運算放大器4和阻容器件R6、R7和C5組成。可編程邏輯器件1的參考電壓管腳輸出的電壓經R6、R7分壓，並經C5濾波後送入運算放大器4，運算放大器4連成電壓跟隨器形式，輸出電壓作為乘法型D/A 2的參考電壓，連接關係可參見圖1。參考電壓也可經C5直連到乘法型D/A 2的參考電壓管腳，而運算放大器4不用，連接關係參見圖2。兩種連接關係的區別在於，前者輸出驅動能力更強，可以不考慮乘法型D/A 2參考電壓管腳的輸入電阻的影響；後者成本更為低廉，但在應用中R6、R7的阻值分配應考慮乘法型D/A 2參考電壓管腳的輸入電阻的影響。
乘法型D/A2可選用差動電流輸出型D/A器件，其輸出的差動電流分別與控制代碼和參考電壓成正比例關係。乘法型D/A 2選用線性度較好的高解析度D/A器件，如選擇14位以上的D/A器件，且線性度在0.01％以上。乘法型D/A 2輸出差動電流分別與控制代碼和D/A參考電壓成正比。乘法型D/A 2的差動電流輸出端分別經電阻R3和R4連至運算放大器3的同相輸入端和反相輸入端。
延遲電路由可編程邏輯器件1內部的門電路和阻容器件C3、C4、R8和R3組成。可編程邏輯器件1輸出的參考脈衝經R8和R5的分壓後對C4充放電，運算放大器3的輸出電壓經C3濾波後經R5形成相對直流成分，給C4增加每次充放電的初始電位。在C4上形成的充放電脈衝為相移脈衝，送至可編程邏輯器件1管腳，並經可編程邏輯器件1內的門電路整形，可直接輸出作為接收脈衝，也可再和該脈衝的加微小相移的反相脈衝相與後形成超高頻脈衝(即超寬帶脈衝)作為接收脈衝輸出，接收脈衝相對參考脈衝相位可變，視為可變脈衝。因為相移脈衝是參考脈衝的充放電波形信號，故經門電路的門檻整形後，形成的信號與參考脈衝形成頻率一致但相位有偏移的脈衝信號，相位偏移的程度主要由運算放大器3的輸出電壓決定。參考脈衝可直接輸出作為發射脈衝，也可再和其本身加微小相移的反相脈衝相與後形成超高頻脈衝(即超寬帶脈衝)作為發射脈衝輸出。
伺服系統由運算放大器3，電容器件C1～C2，以及電阻器件R1～R4組成。運算放大器3為高線性度、高增益的運放，以保證捕捉到反饋電流和差動電流的微小差異。發射脈衝和參考脈衝的相位由可編程邏輯器件1進行數字鑑相處理後，形成時延參考脈衝，時延參考脈衝的脈寬是發射脈衝和參考脈衝的相位差在時域的反映；類似，接收脈衝和參考脈衝由可編程邏輯器件1進行數字鑑相後形成的時延脈衝的脈寬是接收脈衝和參考脈衝的相位差在時域上的反映。而時延脈衝和時延參考脈衝的脈寬差是接收脈衝和發射脈衝相位差在時域上的反映。時延脈衝和時延參考脈衝分別通過R1和R2連至乘法型D/A 2的差動電流輸出端；電阻R3的兩端分別連至乘法型D/A(2)的差動電流輸出端的一個管腳和運算放大器(3)的同相輸入端，電阻R4的兩端分別連至乘法型D/A(2)的差動電流輸出端的另一個管腳和運算放大器(3)的反相輸入端；C1連結運算放大器3的反相輸入端和輸出端，C2連接地電位和運算放大器3的同相輸入端。由於運算放大器3的反饋平衡作用，電路穩定後，時延脈衝和時延參考脈衝在R1和R2上形成的平均電流差應和乘法型D/A2輸出的差動電流相等。
在實際應用中，R1和R2阻值相等，亦即(ΔT/T)*(V/R)＝ΔI其中，ΔT為時延脈衝和時延參考脈衝相位的時間差，也可理解為接收脈衝和發射脈衝之間的相位差，T為脈衝重複周期，V為時延脈衝和時延參考脈衝的高電平，R為R1和R2的阻值，ΔI為乘法型D/A2輸出的差動電流值，受控與控制代碼。
上述公式可轉變為ΔT＝ΔI/V*R*T此公式表明，在R和T固定的情況下，接收脈衝和發射脈衝的相位差，正比於ΔI/V。在此前的數字脈衝相移產生器電路中，本發明中的乘法型D/A2替換為一般類型的差動電流輸出型D/A器件，ΔI只與控制代碼成正比例關係，而V直接受電源電壓變化和溫度變化的影響。一般情況下，V變化範圍可能超過5％以上。因此，此前的相移精確度達到0.1％實際應用中不太可能實現。
而在本發明中，由於採用乘法型D/A 2，並將可編程邏輯器件1管腳的電平分壓、濾波之後作為乘法型D/A 2的參考電壓，由此我們得到接收脈衝的相移特性ΔT＝k0*(code)*V/V*R*T上述公式可簡化為ΔT＝k0*(code)/R*T其中k0為固定常數，由濾波分壓電路和乘法型D/A 2的特性決定；code為可編程邏輯器件1傳送給乘法型D/A 2的控制接收脈衝和發射脈衝相移的控制代碼。
因此，接收脈衝和發射脈衝的相位差，消除了ΔT因V受電源電壓變化和溫度變化的影響而產生的誤差，在R和T及k0固定的情況下，只取決於控制相位大小的控制代碼code。
因為運放增益的線性度、D/A器件的線性度和電阻的阻值，在較大的溫度變化範圍內，都可用以較低成本將溫度引起的誤差降低到0.01％；在允許的範圍內供電電源電壓的變化以及溫度變化而導致的可編程邏輯器件管腳電氣特性的變化，不影響輸出脈衝和發射脈衝(或參考脈衝)的相位差，所以，當選擇14位以上的D/A器件後，輸出脈衝即可變脈衝相對發射脈衝(或參考脈衝)的相移可精確受控於code，相移步長可達到周期的0.01％以上，而精度也能超過0.1％，達到0.01％左右。
權利要求
1.一種寬帶超高精度數字脈衝相移產生器，其特徵在於包括可編程邏輯器件(1)、乘法型D/A(2)、濾波分壓電路、延遲電路和伺服電路。
2.根據權利要求1所述寬帶超高精度數字脈衝相移產生器，其特徵在於，外部控制中心可通過通訊總線對可編程邏輯器件(1)進行參數配置，外部提供的初始參考脈衝頻率為200kHz～20MHz，可編程邏輯器件根據參數的配置內容，實現對乘法型D/A(2)的控制。
3.根據權利要求2所述寬帶超高精度數字脈衝相移產生器，其特徵在於，上述配置參數包括控制代碼的增減方向、增減步長，以及控制代碼的更新時間間隔。
4.根據權利要求1所述寬帶超高精度數字脈衝相移產生器，其特徵在於，所述濾波分壓電路由運算放大器(4)和阻容器件R6、R7和C5組成，可編程邏輯器件(1)的參考電壓管腳輸出的電壓經R6、R7分壓，並經C5濾波後送入運算放大器(4)的同相輸入端，運算放大器(4)連成電壓跟隨器形式，其輸出端輸出D/A參考電壓，連到乘法型D/A(2)的參考電壓管腳。
5.根據權利要求4所述寬帶超高精度數字脈衝相移產生器，其特徵在於，所述濾波分壓電路中，D/A參考電壓也可由C5直接連到乘法型D/A(2)的參考電壓管腳。
6.根據權利要求1所述寬帶超高精度數字脈衝相移產生器，其特徵在於，所述乘法型D/A(2)為乘法型差動電流輸出型D/A器件，可編程邏輯器件(1)的控制代碼總線連至乘法型D/A(2)，乘法型D/A(2)的差動電流輸出端分別經電阻R3和R4連至運算放大器(3)的同相輸入端和反相輸入端。
7.根據權利要求1所述寬帶超高精度數字脈衝相移產生器，其特徵在於，所述延遲電路由可編程邏輯器件(1)內部的門電路和阻容器件C3、C4、R8和R5組成，可編程邏輯器件(1)的參考脈衝輸出管腳連至R8的一端，R8的另一端連接C4、R5和可編程邏輯器件(1)的相移脈衝管腳，C4另一管腳連至地電位，R5的另一管腳連至C3和運算放大器(3)的輸出管腳，C3的另一管腳連至地電位。
8.根據權利要求1所述寬帶超高精度數字脈衝相移產生器，其特徵在於，所述伺服電路由可編程邏輯器件(1)內部的門電路、運算放大器(3)和電容器件C1～C2，以及電阻器件R1～R4組成，時延脈衝和時延參考脈衝分別通過R1和R2連至乘法型D/A(2)的差動電流輸出端；電阻R3的兩端分別連至乘法型D/A(2)的差動電流輸出端的一個管腳和運算放大器(3)的同相輸入端，電阻R4的兩端分別連至乘法型D/A(2)的差動電流輸出端的另一個管腳和運算放大器(3)的反相輸入端；C1連結運算放大器(3)的反相輸入端和輸出端，C2連接地電位和運算放大器(3)的同相輸入端。
9.根據權利要求1所述寬帶超高精度數字脈衝相移產生器，其特徵在於，所述伺服系統中R1和R2的阻值相等。
全文摘要
本發明涉及一種高集成度、超高精度的寬帶數字脈衝相移產生器，它能夠穩定的以高精度的步長精細調整參考脈衝和可變脈衝之間的相移，並能適應較大的供電電源變化和溫度變化的影響。它由高集成度的可編程邏輯器件、乘法型D/A、高線性度的濾波分壓電路、可精細調整相移的延遲電路、高線性度和高開環增益的運算放大器組成的伺服電路組成，可用於測量、監控和雷達系統。
文檔編號H03K5/14GK101056098SQ200710090239
公開日2007年10月17日 申請日期2007年4月16日 優先權日2007年4月16日
發明者時啟猛 申請人:北京華欣北儀科技發展有限責任公司