可編程數(shù)字控制精密延時(shí)電路設(shè)計(jì)

馬 凱王彥文

（1.徐州醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息學(xué)院，江蘇 徐州 221004；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

可編程數(shù)字控制精密延時(shí)電路設(shè)計(jì)

馬 凱1，2，王彥文2

（1.徐州醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息學(xué)院，江蘇 徐州 221004；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

設(shè)計(jì)一種基于斜波式發(fā)生器原理可編程數(shù)字控制精密延時(shí)電路，用恒流源電路充放電和18位的DA轉(zhuǎn)換器分別接入高速比較器的兩端，DA轉(zhuǎn)換器預(yù)先設(shè)定一電壓基準(zhǔn)，恒流源充電電容達(dá)到電壓基準(zhǔn)，高速比較器開始反轉(zhuǎn)，形成一個(gè)觸發(fā)脈沖信號(hào)，然后充電電容通過(guò)高速二極管快速放電重新計(jì)時(shí)。設(shè)計(jì)成18bit數(shù)字控制可編程動(dòng)態(tài)范圍2ps的采集時(shí)間間隔，提高采集信號(hào)的精度和頻率。

信號(hào)采集；等效采樣；延時(shí)電路

0 引 言

隨著信號(hào)采集問(wèn)題研究的深入，對(duì)高頻信號(hào)的采集越來(lái)越多，而高頻信號(hào)的采集根據(jù)采樣定理通常需要8～10倍被采集信號(hào)的頻率，但是高頻采樣設(shè)備由于成本和技術(shù)的原因很少采用，一般采用等效時(shí)間采樣的方法實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)的采集。提高等效采樣技術(shù)速度和精度的關(guān)鍵是高精密的延時(shí)電路，所以對(duì)高精度延時(shí)電路的研究是采集高頻信號(hào)的重點(diǎn)[1-3]。本文是基于分立元器件搭建的方式，成功設(shè)計(jì)了18位數(shù)字控制可編程動(dòng)態(tài)范圍，最小延時(shí)間隔是2ps的高精密延時(shí)電路。

1 等效時(shí)間采樣技術(shù)

等效時(shí)間采樣技術(shù)是在不同信號(hào)周期采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)，按照一定的規(guī)律把在不同周期采集的點(diǎn)重新組合在一個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)波形。圖1為等效時(shí)間采樣過(guò)程示意圖。

圖1 等效時(shí)間采樣示意圖

圖1中，在第一個(gè)信號(hào)波形中采集1個(gè)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，然后在第2個(gè)信號(hào)波形或者隨后的信號(hào)波形采集第2個(gè)點(diǎn)，按照一定的規(guī)律采集第3個(gè)點(diǎn)、第4個(gè)點(diǎn)等，最后把采集的所有點(diǎn)按照采集時(shí)的時(shí)間關(guān)系恢復(fù)到同一個(gè)信號(hào)波形中，即可得到被采集信號(hào)的波形。假設(shè)被采集信號(hào)的頻率為fa，周期為Ta，第1個(gè)采集點(diǎn)和第2個(gè)采集點(diǎn)的時(shí)間間隔可能是如圖1中的ΔT，也有可能是ΔT加上數(shù)個(gè)周期的時(shí)間表示為kTa+ΔT（k=1，2，……），如果k=0，則為在同一個(gè)周期中實(shí)時(shí)采樣，當(dāng)k=1，2，……時(shí)，則為等效時(shí)間采樣。采集第3個(gè)點(diǎn)的時(shí)間間隔即為kTa+2ΔT（k=1，2…），采集第n個(gè)點(diǎn)的時(shí)間間隔即為kTa+（n-1）ΔT（k= 1，2…）。

上述介紹可以看出運(yùn)用等效時(shí)間采樣技術(shù)實(shí)際采樣頻率fs＜fa，不滿足采樣定理fs＞2fa的要求。實(shí)際上等效時(shí)間采樣頻率fs′應(yīng)該這樣計(jì)算，假設(shè)采樣信號(hào)周期Ta可以分成n個(gè)ΔT，ΔT=Ta/n，真正的采樣點(diǎn)是在一個(gè)周期內(nèi)采集n個(gè)點(diǎn)，然后把n個(gè)采樣點(diǎn)恢復(fù)到同一個(gè)信號(hào)波形當(dāng)中，相當(dāng)于在一個(gè)周期信號(hào)波形中采集了n個(gè)采樣點(diǎn)，等效時(shí)間采樣頻率應(yīng)為遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2fa，從而滿足采樣定理的要求。

從等效時(shí)間采樣技術(shù)可以得出，周期性信號(hào)可以采用等效時(shí)間采樣技術(shù)，本文設(shè)計(jì)的采集是對(duì)地質(zhì)雷達(dá)反射波信號(hào)采樣。地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)中，由于電路和軟件控制的原因，每次發(fā)射地質(zhì)雷達(dá)窄脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔通常都是不相等的，自然地質(zhì)雷達(dá)反射波信號(hào)的時(shí)間間隔也是不等的，但是發(fā)射窄脈沖信號(hào)和反射波信號(hào)的起始時(shí)間相對(duì)于啟動(dòng)脈沖是固定的，將這種信號(hào)長(zhǎng)度不固定，但信號(hào)的起始時(shí)刻基準(zhǔn)點(diǎn)相同的地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)和反射波信號(hào)定義為重復(fù)信號(hào)。

對(duì)于重復(fù)地質(zhì)雷達(dá)反射波信號(hào)，可以將其看成是一個(gè)長(zhǎng)度為Ta的連續(xù)信號(hào)（t）經(jīng)過(guò)一個(gè)寬度可變的時(shí)窗作用的結(jié)果。由于重復(fù)地質(zhì)雷達(dá)反射波信號(hào)具有普遍性，因此研究重復(fù)信號(hào)的等效時(shí)間采樣技術(shù)更具有實(shí)際意義。

2 可編程數(shù)字控制延時(shí)電路的研究

上述分析可知，等效時(shí)間采樣技術(shù)重點(diǎn)是保證采樣時(shí)間間隔的準(zhǔn)確性，也就是確保微小時(shí)間間隔ΔT的準(zhǔn)確性，確保ΔT時(shí)間準(zhǔn)確主要保證采樣基準(zhǔn)點(diǎn)的精確度。由于ΔT時(shí)間間隔很小，目前設(shè)計(jì)最小時(shí)間間隔已經(jīng)達(dá)到ps級(jí)，基準(zhǔn)點(diǎn)的微小抖動(dòng)都會(huì)對(duì)采集時(shí)間間隔產(chǎn)生很大的影響，所以ΔT的精度是等效時(shí)間采樣技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)[4]。

ΔT時(shí)間間隔越小，采集點(diǎn)重建恢復(fù)的波形精度越高，目前國(guó)內(nèi)外最新技術(shù)所設(shè)計(jì)的時(shí)間間隔最小達(dá)到5ps。通常設(shè)延時(shí)間間隔方法有定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、差頻和鎖相環(huán)等技術(shù)，這些技術(shù)由于定時(shí)器、計(jì)數(shù)器頻率的限制很難設(shè)計(jì)高微小時(shí)間間隔的延時(shí)電路，差頻和鎖相環(huán)技術(shù)受到自身?xiàng)l件的限制設(shè)計(jì)高精密的延時(shí)電路也很難實(shí)現(xiàn)[5-6]，目前市場(chǎng)上出現(xiàn)高精密延時(shí)器件，其實(shí)際使用延時(shí)精度只能達(dá)到幾十皮秒，本文采用電子元器件搭建方法設(shè)計(jì)的延時(shí)電路的時(shí)間間隔能達(dá)到2ps。

2.1 可編程數(shù)字控制延時(shí)電路原理

可編程數(shù)字控制延時(shí)電路的核心是充電電容，為了保證充電電容充分充放電，并且為線性充電，根據(jù)式（1）：

電容C一定，如果電容上的電壓線性增加，充電電流必須為定值，即為恒流。所以必須設(shè)計(jì)一個(gè)恒流源電路，本文是搭建電子元器件的方法設(shè)計(jì)的恒流源電路。在每次充電之后到下次充電之前，要保證充電電容能充分放電，才能保證下次精密計(jì)時(shí)，為了保證充分放電，本文采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和高速二極管進(jìn)行設(shè)計(jì)。

充電電容C上的線性電壓連接到高速比較器一端，高精度DA轉(zhuǎn)換器輸出的電壓作為基準(zhǔn)提供給高速比較器的另一端。當(dāng)啟動(dòng)脈沖工作時(shí)，充電電容C開始充電，電容C上的電壓線性增長(zhǎng)，一旦達(dá)到DA轉(zhuǎn)換器輸出的電壓，比較器進(jìn)行翻轉(zhuǎn)輸出，從電容充電開始充電到達(dá)DA轉(zhuǎn)換器的電壓基準(zhǔn)，高速比較器進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，完成一次精密計(jì)時(shí)。然后，通過(guò)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器接通高速二極管，使充電電容充分放電，并處于低電平狀態(tài)，完成一次放電過(guò)程。

2.2 可編程數(shù)字控制延時(shí)電路的設(shè)計(jì)

可編程延時(shí)電路設(shè)計(jì)原理示意圖如圖2所示。

圖2 精密延時(shí)電路實(shí)現(xiàn)示意圖

圖2中穩(wěn)壓管D2、三極管T、精密電阻R和+15V電源組成恒流源電路，恒流源電路以保證給充電電容C充電，并且保證充電電流是恒定的。恒流源電路采用三極管為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，利用穩(wěn)壓管和精密電阻搭建三極管外圍電路，保證在三極管集電極輸出恒定電流給充電電容C，充電電容C在恒定電流充電的情況下，電壓線性增長(zhǎng)，然后輸出到高速電壓比較器AD790的一端。

AD760高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器是AD公司開發(fā)的具有自校正功能16/18位一種數(shù)模轉(zhuǎn)換控制器件，片內(nèi)帶有電壓基準(zhǔn)，雙緩沖數(shù)據(jù)寄存器和輸出信號(hào)放大器。特別是采用AD760的18位數(shù)據(jù)輸入時(shí)，能夠獲得很高的數(shù)據(jù)精度。AD760相關(guān)電路信號(hào)連接的設(shè)計(jì)電路具體實(shí)現(xiàn)原理示意圖如圖3所示。

本文設(shè)計(jì)的高速模式轉(zhuǎn)換器AD760采用18位串行輸入方式，與本系統(tǒng)信號(hào)采集電路板控制電路信號(hào)接口只需SIN、CS和LDAC 3根信號(hào)線，SIN為數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD760轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)串行輸入信號(hào)接口，CS為時(shí)鐘信號(hào)輸入，LDAC為控制信號(hào)。

圖3 AD760電路信號(hào)連接原理圖

AD790高速滯回高精度電壓比較器，是一款快速、最多45ns的傳輸延遲、精密電壓比較器。采用+5V單電源或±15V雙電源供電。AD790高速電壓比較器能使用低速低電平（10 mV）和高速高電平（10 V）信號(hào)的寬輸入電壓范圍，并且在這個(gè)速度范圍內(nèi)的能源消耗最低。AD790高速電壓比較器較低的信號(hào)輸出可以降低抖動(dòng)，使AD790高速電壓比較器比標(biāo)準(zhǔn)的開環(huán)電壓比較器容易使用。

圖2中LM7171單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和高速二級(jí)管D1電路，是為了充電電容C快速放電通路，當(dāng)充電電容充電到AD760數(shù)模轉(zhuǎn)化器預(yù)先設(shè)定的電壓基準(zhǔn)，AD790高速電壓比較器完成一次翻轉(zhuǎn)進(jìn)行計(jì)時(shí)后，充電電容通過(guò)高速二極管D1和LM7171單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的快速放電通路進(jìn)行放電到低電平狀態(tài)，

以備下次開始精確計(jì)時(shí)。

圖4 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)探測(cè)圖

本文設(shè)計(jì)的延時(shí)電路實(shí)現(xiàn)了18 bit的高精密延時(shí)，充電電容C設(shè)計(jì)為100pF，恒流源電流I為5mA，滿度電壓VFS為±10V，將各參數(shù)代入式（2），可得最小延時(shí)Tmin：

3 延時(shí)電路抗干擾措施及探測(cè)效果

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的采集控制電路，特別是信號(hào)采集時(shí)間間隔為皮秒級(jí)，對(duì)信號(hào)的干擾在所難免。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，利用模擬電路和數(shù)字電路模塊布局在不同區(qū)域，并且模數(shù)電路之間鋪設(shè)地信號(hào)進(jìn)行隔離，采用數(shù)字地和模擬地單點(diǎn)相連接，有效解決了信號(hào)的干擾問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)的延時(shí)電路應(yīng)用于地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)際探測(cè)效果如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)精度的提高需要采集系統(tǒng)采樣點(diǎn)精度的提高，而采樣點(diǎn)精度的提高取決于采樣時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)及采樣點(diǎn)時(shí)間間隔，采樣基準(zhǔn)點(diǎn)主要依靠電路各個(gè)元器件參數(shù)的一致性及各器件的性能穩(wěn)定性等來(lái)實(shí)現(xiàn)，相對(duì)來(lái)講時(shí)間間隔的研究與設(shè)計(jì)至關(guān)重要，本文采用18位DA轉(zhuǎn)換器基于斜波充放電原理設(shè)計(jì)的延時(shí)電路，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)范圍可調(diào)，準(zhǔn)確度為2ps的時(shí)間間隔，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)的精度提高起到關(guān)鍵的作用，并在數(shù)據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)中具有重要的實(shí)際意義[7-10]。

[1]陳培德.地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].中外公路，2010，30（2）：182-184.

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Design of programmable digital control precision timing circuit

MA Kai1，2，WANG Yan-wen2
（1.School of Medical Information Science，Xuzhou Medical College，Xuzhou 221004，China；2.Institute of Information&Mechanical and Electronic Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China）

A high precision programmable precision time circuit implementation method based ramp type is introduced.A constant current source circuit of charge and discharge and 18 bit DA converter are respectively connected with both ends of the high speed comparator.A reference voltage is set by the DA converter，and the constant current source charges the capacitor to a voltage reference，then the high-speed comparator begins to turn and forms a trigger pulse signal. After that，the charging capacitor fast discharges through the high-speed diode to prepare for the next reclocking.The acquisition precision is improved by the design to 18 bit 2 pssmall acquisition time interval and a higher frequency signal can be sampled.

signal sampling;equivalent sampling;delay time circuit

TN977.1；TP274+.2；TH862；TP214

：A

：1674-5124（2014）01-0093-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.024

2013-04-06；

：2013-05-30

國(guó)家自然科學(xué)基金儀器重點(diǎn)項(xiàng)目（50927805）

馬 凱（1972-），男，江蘇沛縣人，副教授，博士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)檢測(cè)與控制、數(shù)據(jù)采集與處理等。