可編程數(shù)字控制精密延時電路設(shè)計

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.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

可編程數(shù)字控制精密延時電路設(shè)計

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.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

設(shè)計一種基于斜波式發(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)，恒流源充電電容達到電壓基準(zhǔn)，高速比較器開始反轉(zhuǎn)，形成一個觸發(fā)脈沖信號，然后充電電容通過高速二極管快速放電重新計時。設(shè)計成18bit數(shù)字控制可編程動態(tài)范圍2ps的采集時間間隔，提高采集信號的精度和頻率。

信號采集；等效采樣；延時電路

0 引 言

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

1 等效時間采樣技術(shù)

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

圖1 等效時間采樣示意圖

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

上述介紹可以看出運用等效時間采樣技術(shù)實際采樣頻率fs＜fa，不滿足采樣定理fs＞2fa的要求。實際上等效時間采樣頻率fs′應(yīng)該這樣計算，假設(shè)采樣信號周期Ta可以分成n個ΔT，ΔT=Ta/n，真正的采樣點是在一個周期內(nèi)采集n個點，然后把n個采樣點恢復(fù)到同一個信號波形當(dāng)中，相當(dāng)于在一個周期信號波形中采集了n個采樣點，等效時間采樣頻率應(yīng)為遠遠大于2fa，從而滿足采樣定理的要求。

從等效時間采樣技術(shù)可以得出，周期性信號可以采用等效時間采樣技術(shù)，本文設(shè)計的采集是對地質(zhì)雷達反射波信號采樣。地質(zhì)雷達系統(tǒng)中，由于電路和軟件控制的原因，每次發(fā)射地質(zhì)雷達窄脈沖信號的時間間隔通常都是不相等的，自然地質(zhì)雷達反射波信號的時間間隔也是不等的，但是發(fā)射窄脈沖信號和反射波信號的起始時間相對于啟動脈沖是固定的，將這種信號長度不固定，但信號的起始時刻基準(zhǔn)點相同的地質(zhì)雷達發(fā)射信號和反射波信號定義為重復(fù)信號。

對于重復(fù)地質(zhì)雷達反射波信號，可以將其看成是一個長度為Ta的連續(xù)信號（t）經(jīng)過一個寬度可變的時窗作用的結(jié)果。由于重復(fù)地質(zhì)雷達反射波信號具有普遍性，因此研究重復(fù)信號的等效時間采樣技術(shù)更具有實際意義。

2 可編程數(shù)字控制延時電路的研究

上述分析可知，等效時間采樣技術(shù)重點是保證采樣時間間隔的準(zhǔn)確性，也就是確保微小時間間隔ΔT的準(zhǔn)確性，確保ΔT時間準(zhǔn)確主要保證采樣基準(zhǔn)點的精確度。由于ΔT時間間隔很小，目前設(shè)計最小時間間隔已經(jīng)達到ps級，基準(zhǔn)點的微小抖動都會對采集時間間隔產(chǎn)生很大的影響，所以ΔT的精度是等效時間采樣技術(shù)的關(guān)鍵點[4]。

ΔT時間間隔越小，采集點重建恢復(fù)的波形精度越高，目前國內(nèi)外最新技術(shù)所設(shè)計的時間間隔最小達到5ps。通常設(shè)延時間間隔方法有定時器、計數(shù)器、差頻和鎖相環(huán)等技術(shù)，這些技術(shù)由于定時器、計數(shù)器頻率的限制很難設(shè)計高微小時間間隔的延時電路，差頻和鎖相環(huán)技術(shù)受到自身條件的限制設(shè)計高精密的延時電路也很難實現(xiàn)[5-6]，目前市場上出現(xiàn)高精密延時器件，其實際使用延時精度只能達到幾十皮秒，本文采用電子元器件搭建方法設(shè)計的延時電路的時間間隔能達到2ps。

2.1 可編程數(shù)字控制延時電路原理

可編程數(shù)字控制延時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)計一個恒流源電路，本文是搭建電子元器件的方法設(shè)計的恒流源電路。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時，為了保證充分放電，本文采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和高速二極管進行設(shè)計。

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)啟動脈沖工作時，充電電容C開始充電，電容C上的電壓線性增長，一旦達到DA轉(zhuǎn)換器輸出的電壓，比較器進行翻轉(zhuǎn)輸出，從電容充電開始充電到達DA轉(zhuǎn)換器的電壓基準(zhǔn)，高速比較器進行翻轉(zhuǎn)，完成一次精密計時。然后，通過單穩(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)，完成一次放電過程。

2.2 可編程數(shù)字控制延時電路的設(shè)計

可編程延時電路設(shè)計原理示意圖如圖2所示。

圖2 精密延時電路實現(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，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，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)寄存器和輸出信號放大器。特別是采用AD760的18位數(shù)據(jù)輸入時，能夠獲得很高的數(shù)據(jù)精度。AD760相關(guān)電路信號連接的設(shè)計電路具體實現(xiàn)原理示意圖如圖3所示。

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

圖3 AD760電路信號連接原理圖

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）信號的寬輸入電壓范圍，并且在這個速度范圍內(nèi)的能源消耗最低。AD790高速電壓比較器較低的信號輸出可以降低抖動，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)進行計時后，充電電容通過高速二極管D1和LM7171單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的快速放電通路進行放電到低電平狀態(tài)，

以備下次開始精確計時。

圖4 地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)探測圖

本文設(shè)計的延時電路實現(xiàn)了18 bit的高精密延時，充電電容C設(shè)計為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Tmin：

3 延時電路抗干擾措施及探測效果

系統(tǒng)設(shè)計的采集控制電路，特別是信號采集時間間隔為皮秒級，對信號的干擾在所難免。本系統(tǒng)在設(shè)計時，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)地信號進行隔離，采用數(shù)字地和模擬地單點相連接，有效解決了信號的干擾問題。

本文設(shè)計的延時電路應(yīng)用于地質(zhì)雷達系統(tǒng)實際探測效果如圖4所示。

4 結(jié)束語

地質(zhì)雷達系統(tǒng)探測精度的提高需要采集系統(tǒng)采樣點精度的提高，而采樣點精度的提高取決于采樣時間基準(zhǔn)點及采樣點時間間隔，采樣基準(zhǔn)點主要依靠電路各個元器件參數(shù)的一致性及各器件的性能穩(wěn)定性等來實現(xiàn)，相對來講時間間隔的研究與設(shè)計至關(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)計的延時電路，實現(xiàn)了動態(tài)范圍可調(diào)，準(zhǔn)確度為2ps的時間間隔，對地質(zhì)雷達系統(tǒng)的精度提高起到關(guān)鍵的作用，并在數(shù)據(jù)信號采集系統(tǒng)中具有重要的實際意義[7-10]。

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

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[3]甘露，甘良才，田茂，等.高分辨率探地雷達步進系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].電波科學(xué)學(xué)報，2008，28（3）：555-559.

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[10]肖習(xí)鵬，師奕兵，張偉，等.隨鉆聲波測井儀數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計[J].中國測試，2012，38（1）：74-77.

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

國家自然科學(xué)基金儀器重點項目（50927805）

馬 凱（1972-），男，江蘇沛縣人，副教授，博士，研究方向為計算機檢測與控制、數(shù)據(jù)采集與處理等。