一種用於雷達液位計的信號處理電路組件的製作方法

2023-04-22 19:11:46

專利名稱：一種用於雷達液位計的信號處理電路組件的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於雷達技術領域，特別涉及一種用於雷達液位計的信號處理電路組件。
背景技術：
雷達液位計是一種先進的測量地表水位的新型測量儀器，它採用調頻連續波工作模式，具有量程大、精度高，受環境等影響小等特點。目前現有的雷達液位計多數為雷達波浮子式液位計，只能在油罐、貯罐內使用，信號動態範圍窄，作用距離有限；使用溫度單一，在溫度變化範圍較大的環境內精度較低。

實用新型內容本實用新型提供一種用於雷達液位計的信號處理電路組件，解決現有液位測量設備作用距離短、易受幹擾和無法適應較大範圍溫度變化的問題。實現本實用新型目的所採用的具體技術方案為一種用於雷達液位計的信號處理電路組件，包括電源電路和信號處理電路兩部分，其特徵在於所述電源電路包括依次連接的輸入保護電路、濾波電路和電壓轉換電路，直流電通過所述輸入保護電路送入濾波電路進行濾波，再通過所述電壓轉換電路生成多路電源， 分別用於給所述信號處理電路和雷達液位計的T/R組件供電；所述信號處理電路包括依次連接的自動增益控制電路、限壓濾波電路、低頻切斷電路、模數轉換電路、中央處理電路和串行接口電路，雷達液位計的T/R組件輸入的中頻信號經所述自動增益控制電路進行幅度調整後進入所述限壓濾波電路和低頻切斷電路濾除雜波，濾波後的信號送入模數轉換電路進行數模轉換，轉換後的數位訊號送入中央處理電路，經計算得到所測距離，測量結果經所述串行接口電路送出。進一步地，該信號處理電路中還包括波形生成電路、溫度補償電路和第一溫度傳感器，所述中央處理電路通過控制該波形生成電路產生三角波周期信號，並送入T/R組件進行線性調頻，所述第一溫度傳感器將所測信號電路溫度以數位訊號的形式送入中央處理電路，作為所述溫度補償電路的輸入，用於對所述三角波周期信號進行幅度調整。進一步地，所述電源電路中還包括使能電路、第二溫度傳感器和繼電器，該使能電路用於控制電壓轉換電的工作與切斷，繼電器用於控制T/R組件的供電通斷，所述第二溫度傳感器對電源電路的中心溫度進行檢測，並將檢測到的溫度以數位訊號的形式送入中央處理電路，作為所述溫度補償電路的輸入，用於對所述三角波周期信號進行幅度調整。進一步地，所述自動增益控制電路包括可調增益放大器和反饋迴路，該反饋迴路包括一個乘法器和一個放大器，輸入的所述中頻信號經該可調增益放大器放大後送入乘法器得到一個直流電平，再經過該放大器放大後送入所述可調增益放大器調整信號放大幅度，從而使送入後級電路的輸入信號幅度保持為一恆定值，以增加測高距離。[0012]進一步地，所述限壓濾波電路包括二階有源低通濾波器、二階有源高通濾波器、限幅器和放大器，輸入信號分別經該二階有源低通濾波器和二階有源高通濾波器濾除雜波， 再經過該限幅器限幅後通過放大器放大進行輸出。進一步地，所述模數轉換電路包括比較器和電平轉換器，輸入信號與直流參考電壓通過比較器進行幅度比較，輸入信號幅度高於參考電壓則為1，輸入信號幅度低於參考電壓則為0，由此得到與輸入信號頻率相同的數位訊號。本實用新型還公開了一種包括所述信號處理電路組件的雷達液位計本實用新型利用調頻連續波(LFMCW)雷達技術，可配合T/R組件及天線系統，在無接觸情況下實現對水面、液面相對高度的精確測量。由於其採用自動增益控制、FPGA雙頻計數算法和溫度補償電路，減少了系統成本和實現難度，提高了作用距離和測距精度，並具有全溫範圍內測高精度補償等功能，結構簡單、作用距離遠，測高精度高。

圖1為本實用新型的一個實施例組成示意圖；圖2為溫度補償電路圖；圖3為自動增益控制電路圖；圖4為數模轉換電路圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步描述如圖1所示，本實用新型一個實施例的雷達液位計的信號處理電路組件包括電源電路和信號處理電路。所述電源電路包括輸入保護電路1、濾波電路2、電壓轉換電路3、使能電路13、溫度傳感器14和繼電器15。輸入保護電路1採用表貼熔斷器0451002. HL和瞬態電流抑制器P6KE 22A實現；濾波電路2採用濾波器BNX005-01實現；電壓轉換電路3採用電源模塊DPB10-12D5Q和DPB10-12D12Q實現；溫度傳感器14採用DS1621S實現，繼電器15採用 JZC-078M超小型密封電磁繼電器實現。所述信號處理電路包括自動增益控制電路4、限壓濾波電路5、低頻切斷電路6、模數轉換電路7、中央處理電路8、波形生成電路10、溫度補償電路11、串行接口電路9和溫度傳感器12。自動增益控制電路4採用可調增益放大器AD604AR、乘法器AD835AR和放大器 AD711AQ實現；限壓濾波電路5採用運算放大器SE5532AD8實現；低頻切斷電路6採用三極體2N4391實現；模數轉換電路7採用比較器MAX9201ESE實現；中央處理電路8採用FPGA 晶片實現；波形生成電路10採用DA晶片MAXM41AEUA實現；溫度補償電路11採用數控可調衰減器AD7533LP實現；串行接口電路9採用串口晶片IL422實現。整個信號處理組件工作過程如下18V 36V直流電從外部輸入，經過輸入保護電路1和濾波電路2供給電源轉換電路3，使能信號為低電平時電源轉換電路3工作，生成士5V和士 12V四路電源，其中士5V 和士 12V供給信號處理電路，士5V經過繼電器15供給T/R組件，繼電器15初始狀態為關閉狀態，T/R組件不工作。[0026]中央處理電路8上電後進行系統復位，復位結束後對DA晶片進行設置，通過對幅度進行累加或遞減產生幅度和頻率一定的周期性三角波，再根據電源電路和信號處理電路上的兩個溫度傳感器回傳的溫度信息，通過溫度補償電路11對三角波幅度進行微調。溫度補償電路11採用數控可調衰減器AD7533實現，如圖2所示，DBl DBlO為AD7533的控制腳，當DBl DBlO為全1時信號不衰減，為全0時信號為最大衰減。FPGA利用兩個溫度傳感器回傳的溫度信息計算出相應的溫度補償值，並對DBl DBlO進行配置以控制三角波的幅度衰減，從而實現整機的溫度補償。經過溫度補償後的三角波輸出至T/R組件，以控制T/ R組件進行線性調頻。中央處理電路8上電k後控制繼電器15啟動，T/R組件上電工作，產生差頻信號輸入至自動增益控制電路4。自動增益控制電路4如圖3所示，中頻輸入信號送入AD604， 經二級放大後通過一隔直電容送入乘法器AD835，乘法器生成一直流電壓，經放大器AD711 放大後反饋給AD604，AD604通過反饋電壓調整放大倍數，使得供給後級電路的信號幅度保持不變。中頻信號經自動增益調整後，通過限壓濾波電路5和低頻切斷電路6濾除雜波並限壓，送入模數轉換電路7。本實用新型的測高算法只需要中頻信號的頻率信息，因此模數轉換電路7採用比較器實現，如圖4所示，輸入信號與一 OV的直流參考電壓通過比較器進行幅度比較，輸入信號幅度高於參考電壓則為1，輸入信號幅度低於參考電壓則為0，由此得到的數位訊號與輸入信號頻率相同，因輸入信號不是純淨的正弦波，在參考電壓附近的波動會造成數位訊號存在一脈衝幹擾，在比較器輸出端和信號輸入端之間串聯一 IOkQ電阻可有效去除脈衝幹擾，再經過電平轉換器將電壓轉換為3. 3V後送入中央處理電路8進行處理。本實用新型的測高算法採用雙頻計數算法。雙頻計數算法是本領域常規的技術， 在低高度的測量上精度優於FFT算法，誤差取決於參考時鐘頻率和中頻信號頻率的倍數， 若參考時鐘頻率是中頻頻率的K倍，則誤差為頻率計數誤差的1/K，因此在中頻頻率一定的前提下，提高參考時鐘頻率可有效提高測高精度。為了減小印製板上的幹擾，外部時鐘一般使用20MHz或40MHz的晶振，精度不高。本實用新型在FPGA內部使用DCM資源將20MHz的時鐘信號倍頻至200MHz作為參考時鐘，可有效減小理論誤差；另外，三角波轉折處線性度較低，非線性調頻產生的中頻信號會對計數造成誤差，本實用新型還可以在中央處理電路中生成一個與三角波周期相同的方波，對在三角波尖峰產生的中頻信號進行切斷，可避免非線性段對測高的影響，在計數時進行對中頻信號進行IOM個周期的累積，最後求平均， 可有效提高測高精度。加上了三角波尖峰切斷，可以避免尖峰幹擾造成的計數誤差，進行多段累積計數後再平均，減小單周期計數導致的誤差；通常的中央處理電路是用單片機做的，計數參考時鐘取決於外部晶振的頻率，一般最多到40MHz左右，本實用新型使用FPGA做中央處理電路，可以用內部的DCM資源將計數參考時鐘倍頻到幾百MHz到1個GHz，可以大幅提高計數精度。
權利要求1.一種用於雷達液位計的信號處理電路組件，包括電源電路和信號處理電路兩部分， 其特徵在於所述電源電路包括依次連接的輸入保護電路(1)、濾波電路⑵和電壓轉換電路(3)， 直流電通過所述輸入保護電路(1)送入濾波電路( 進行濾波，再通過所述電壓轉換電路(3)生成多路電源，分別用於給所述信號處理電路和雷達液位計的T/R組件供電；所述信號處理電路包括依次連接的自動增益控制電路G)、限壓濾波電路(5)、低頻切斷電路(6)、模數轉換電路(7)、中央處理電路(8)和串行接口電路(9)，雷達液位計的T/ R組件輸入的中頻信號經所述自動增益控制電路(4)進行幅度調整後進入所述限壓濾波電路(5)和低頻切斷電路(6)濾除雜波，濾波後的信號送入模數轉換電路(7)進行數模轉換， 轉換後的數位訊號送入中央處理電路(8)，經計算得到所測距離，測量結果經所述串行接口電路(9)送出。
2.根據權利要求1所述的信號處理電路組件，其特徵在於，該信號處理電路中還包括分別與中央處理電路⑶連接的波形生成電路(10)、溫度補償電路(11)和第一溫度傳感器 (12)，所述中央處理電路(8)通過控制該波形生成電路(10)產生三角波周期信號，並送入 T/R組件進行線性調頻，所述第一溫度傳感器(1 將所測信號電路的溫度以數位訊號的形式送入中央處理電路(8)，作為所述溫度補償電路(11)的輸入，用於對所述三角波周期信號進行幅度調整。
3.根據權利要求1或2所述的信號處理電路組件，其特徵在於，所述電源電路中還包括使能電路(13)、第二溫度傳感器(14)和繼電器(15)，該使能電路用於控制電壓轉換電路 ⑶的工作與切斷，繼電器(15)用於控制T/R組件的供電通斷，所述第二溫度傳感器(14) 對電源電路的中心溫度進行檢測，並將檢測到的溫度以數位訊號的形式送入中央處理電路 (8)，作為所述溫度補償電路(11)的輸入，用於對所述三角波周期信號進行幅度調整。
4.根據權利要求1或2所述的信號處理電路組件，其特徵在於，所述自動增益控制電路(4)包括可調增益放大器和反饋迴路，該反饋迴路包括一個乘法器和一個放大器，輸入的所述中頻信號經該可調增益放大器放大後送入乘法器得到一個直流電平，再經過該放大器放大後送入所述可調增益放大器調整信號放大幅度，從而使送入後級電路的輸入信號幅度保持為一恆定值，以增加測高距離。
5.根據權利要求1或2所述的信號處理電路組件，其特徵在於，所述限壓濾波電路(5) 包括二階有源低通濾波器、二階有源高通濾波器、限幅器和放大器，輸入信號分別經該二階有源低通濾波器和二階有源高通濾波器濾除雜波，再經過該限幅器限幅後通過放大器放大進行輸出。
6.根據權利要求1或2所述的信號處理電路組件，其特徵在於，所述模數轉換電路(7) 包括比較器和電平轉換器，輸入信號與直流參考電壓通過比較器進行幅度比較，輸入信號幅度高於參考電壓則為1，輸入信號幅度低於參考電壓則為0，由此得到與輸入信號頻率相同的數位訊號。
專利摘要本實用新型公開了一種用於雷達液位計的信號處理電路組件，包括電源電路和信號處理電路，電源電路包括輸入保護電路、濾波電路和電壓轉換電路，直流電通過輸入保護電路送入濾波電路進行濾波，再通過電壓轉換電路生成多路電源；信號處理電路包括自動增益控制電路、限壓濾波電路、低頻切斷電路、模數轉換電路、中央處理電路、串行接口電路，輸入的中頻信號經自動增益控制電路進行幅度調整後進入限壓濾波電路和低頻切斷電路濾除雜波，再送入模數轉換電路進行數模轉換，轉換後送入中央處理電路，經計算得到所測距離。本實用新型量程大、精度高，受環境等影響小，可以解決現有液位測量設備作用距離短、易受幹擾和無法適應較大範圍溫度變化的問題。
文檔編號G01S7/285GK202255549SQ201120378378
公開日2012年5月30日 申請日期2011年9月28日 優先權日2011年9月28日
發明者李雷, 林思博 申請人:湖北三江航天險峰電子信息有限公司