基于PXI總線的信號調(diào)理卡的設計

孫　吉，張丕狀

(中北大學 信息探測與處理技術(shù)研究所，山西 太原 030051)

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基于PXI總線的信號調(diào)理卡的設計

孫吉，張丕狀

(中北大學 信息探測與處理技術(shù)研究所，山西 太原 030051)

摘要：在微波雷達測速當中信號會受到各種噪聲的干擾以及信號的幅度不良會影響后續(xù)信號的分析，為了提高測速中前端信號處理的便捷性和優(yōu)化前端信號的質(zhì)量，提出了一種基于PXI總線、帶有自動增益控制功能的信號調(diào)理單元的設計方案，對信號進行濾波處理并且對信號的幅度進行增益的控制，提高后續(xù)信號處理的準確性和可靠性。該調(diào)理卡分為兩路通道，分別對毫米波和厘米波進行處理，通過PXI總線控制板卡上的模擬開關(guān)來實現(xiàn)兩路通道中帶寬的高速切換。實際的測試效果表明，設計的PXI信號調(diào)理卡達到的主要技術(shù)指標能夠用于多普勒信號調(diào)理，滿足內(nèi)彈道多普勒信號采集的要求。

關(guān)鍵詞：峰值檢波電路；PXI總線；濾波器；自動增益控制

雷達測速系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)難點是多普勒頻率信號的提取[1]，本文研究的具體內(nèi)容是對多普勒信號前端的濾波和信號幅度的自動增益控制，通過對信號的處理來獲得更有效的信號。該調(diào)理卡的創(chuàng)新之處在于利用北京航天測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的基于Windows 8系統(tǒng)的PXI智能平板(產(chǎn)品代號為AMC58222)作為開發(fā)平臺，該試驗平臺緊跟國際測量系統(tǒng)的先進步伐，對于戶外試驗是一個很好的工具，攜帶方便，該板卡的作用是對信號進行濾波處理，分離出有用信號，并且讓信號穩(wěn)定在一個理想的處理范圍內(nèi)，便于對信號后續(xù)的分析及處理。

PXI總線[2，3]已被廣泛應用于試驗、測量與數(shù)據(jù)采集等各種系統(tǒng)中，PXI總線是NI公司繼PCI總線之后開發(fā)的面向儀器的PCI系統(tǒng)的擴展，它既有PCI(Peripheral Component Interconnection-外圍組件互連)的電器特性又具有Compact PCI(緊湊PCI)的堅固性、與模塊化，以及Eurocard的機械封裝特性。由此可知，在惡劣環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集中，PXI更具有優(yōu)勢，對于PXI總線的研究有利于更深入的應用及開發(fā)各種功能的數(shù)據(jù)采集卡，以及用于數(shù)據(jù)的存儲及處理的微機系統(tǒng)的開發(fā)。

在PXI總線的環(huán)境下，設計帶有自動增益控制功能的信號調(diào)理單元，在自動增益模塊中最關(guān)鍵的是檢波環(huán)節(jié)。檢波的好壞直接決定了自動增益控制單元能否正常工作，所以本論文核心部分在于濾波器自動增益控制的功能的實現(xiàn)。

1總體設計方案

眾所周知，在微波雷達測速的過程中，會受到測試環(huán)境中各種噪聲的干擾并且在測量過程中信號的幅度有可能會不穩(wěn)定，故在處理信號之前需要對信號進行處理，濾掉噪聲，對有用信號幅度進行適當?shù)奶幚?，在了解有用信號的頻帶之后開始設計帶通濾波器。通過對未處理時的理想信號頻率的分析，設計時分別設計了兩路帶寬不一樣的帶通濾波器，分別對應的是毫米波(CH1)頻段和厘米波(Cp)頻段。

如圖1所示為該調(diào)理卡的總體設計方案，該板卡由數(shù)字電路和模擬電路組成，其中模擬電路芯片選用的是±5 V的電源供電系統(tǒng)，數(shù)字電路和模擬電路的供電是由PXI總線插槽提供的。

數(shù)字電路部分的作用是通過橋接芯片PCI9052將PXI總線轉(zhuǎn)換為本地總線，再通過本地總線控制CPLD來控制板卡上模擬開關(guān)的通段。

模擬電路部分是本板卡設計的核心內(nèi)容，包括兩個通道的調(diào)理單元，并且?guī)в凶詣釉鲆婵刂乒δ堋?/p>

圖1　總體設計方案

2系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1濾波器的設計

設計有源濾波器時，有三種主要的濾波器優(yōu)化結(jié)構(gòu)(巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾)。本文中采用的是巴特沃斯結(jié)構(gòu)的濾波器。該帶通濾波器中的低通濾波器的上限截止頻率為fp1=640 K，高通濾波器的下限截止頻率為fp2=6.4 K。濾波器采用的是Sallen-Key結(jié)構(gòu)。

高通部分：

圖2　截止頻率為6.4 kHz的高通濾波器

由圖2可知，前一級放大器為電壓跟隨器，起到了阻抗變換的作用，R51為阻抗匹配電阻，C50和R50與U1B構(gòu)成了有源高通濾波器，截止頻率為6.4 kHz。

低通電路部分：

圖3　截止頻率為640 kHz時的低通濾波器

如圖3所示為四階低通濾波器其截止頻率為640 kHz。

在此使用四階濾波器是為了獲得更陡峭的過渡帶特性。

2.2自動增益控制功能的設計

本環(huán)節(jié)論述了自動增益控制[4，5]的詳細實現(xiàn)方案，在此使用的是具有ACG功能的芯片AD603，該電路的實現(xiàn)方法如下：

給定信號的范圍為10 mV~2 V，當信號幅度很小時，放大倍數(shù)很大，隨著信號幅度的變大，放大倍數(shù)變小，由下圖可知，當信號低于1.57 V時，信號被放大，當信號大于1.57 V時，信號開始縮小，由此可見，電路實現(xiàn)了自動增益控制的功能。通過峰值檢波器檢波[6]后，再反饋給AD603的2引腳，通過和1引腳做差值，從而達到自動增益控制的目的。在電路的設計中，可以改變1引腳的基準電壓(基準電壓的大小可以通過滑動變阻器來調(diào)節(jié))，以此達到將信號的幅度放大到實際所需的范圍，從實驗中可以發(fā)現(xiàn)，信號基本穩(wěn)定在1~2 V左右。

在此過程中，檢波電路是個最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，該檢波電路使用的是峰值檢波電路，該峰值檢波電路的原理是(電路如圖4)。

圖4　檢波電路部分

當信號大于零時，D4截止，D3導通，電容C114很快被充電，使V1=Vi，Vo=Vi，即輸出電壓Vo隨著輸入電壓的的增大而增大，但不會超過Vi。

當Vi增大到峰值后開始下降時，U1A的同相端電壓小于反相端電壓，從而使D4導通D3截止。電容C114處于記憶狀態(tài)，其電壓Vc保持不變，則輸出電壓Vo保持為輸入信號的第一個峰值Vimax。當Vi大于Vo時，重復上述過程。

數(shù)字電路部分：

橋接芯片PCI9052模塊：

PCI9052的作用是將PXI總線轉(zhuǎn)換為本地總線的橋接芯片，由于PXI總線的協(xié)議比較復雜，利用起來較為繁瑣，故將其轉(zhuǎn)換為易于操作本地總線。

CPLD模塊：CPLD的作用為產(chǎn)生高低電平來控制板卡上的模擬開關(guān)。

模擬開關(guān)部分：

利用模擬開關(guān)對通道中的濾波器通帶帶寬進行選擇，實現(xiàn)多普勒信號帶寬的高速切換。

電平控制是由平板電腦通過PXI總線控制的。

2.3PXI接口驅(qū)動設計

該板卡軟件的設計分為以下部分：

1) 應用程序部分；

2) 驅(qū)動程序部分；

3) CPLD程序部分。

應用程序是一個簡單的上位機，通過DLL(動態(tài)鏈接庫)與驅(qū)動程序進行通信。

驅(qū)動程序的編寫是通過WinDrive來實現(xiàn)的，本系統(tǒng)的特點是在PXI總線的環(huán)境下實現(xiàn)了模擬開關(guān)的切換，使模擬開關(guān)可以通過帶有PXI總線[7]智能平板電腦控制，而不需要接其他外圍電路，使得信號的預處理更加的方便，快捷，易于攜帶，尤其在室外郊區(qū)實驗時。

3實驗測試

如圖5所示，是在實測中給定的信號，上面的信號為輸入信號，下面為輸出信號，由圖6可知隨著信號的增大，信號也被放大，信號較小時，放大倍數(shù)變大，隨著輸入信號的逐漸變大，輸出信號放大倍數(shù)變小，當信號大于2 V時(如圖7所示)，信號開始縮小，基本穩(wěn)定在1 V~2 V左右。

圖5　輸入頻率100 kHz，輸入電壓為100 mV時的輸出電壓

圖7　輸入頻率100 kHz，輸入電壓為2.04 V時的輸出電壓

4結(jié)論

針對目前微波雷達測速調(diào)理單元的體積龐大，不易攜帶的缺點，提出了一種可以集成到PXI總線板卡上的新型設計方案，通過平板電腦內(nèi)的PXI總線來控制板卡上的模擬開關(guān)來控制板卡上的帶寬，對兩個不同帶寬的多普勒信號進行處理，(輸入輸出信號通過BNC頭給定，對噪聲起到了很好的抑制作用，提高了信噪比，滿足了實際應用時的需求。

參考文獻

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[7]欒寶寬，田華明，王傳剛.基于PXI的模塊電路檢測診斷系統(tǒng)軟件設計[J].微機與應用2015(10)：8-10.

The Design of Data Acquisition Card Based on PXI Bus

Sun Ji, Zhang Pizhuang

(InstituteofSignalCapturing&ProcessingTechnology,TheNorthUniversityofChina,ShanxiTaiyuan030051,China)

Abstract:In the microwave radar speed measurement, the signal is disturbed by various noise and the bad signal amplitude affects the subsequent signal analysis. In order to improve the convenience of front-end signal processing in speed measurement and optimize the quality of front-eng signal, a design of signal conditioning unit based on PXI bus with AGC function is put forward which can filter the signal, make a gain control for the signal amplitude and improve the accuracy and reliability of the subsequent signal processing. The signal conditioning card is divided into two channels, respectively, the millimeter wave and centimeter wave is processed by the analog switch on the PXI control bus board for the high-speed switching with two channels in the bandwidth. The actual test results show that the design of the PXI signal conditioning card which can meet the main technical indicators can be used in Doppler signal conditioning and meet the requirements of Doppler signal acquisition interior ballistics.

Key words:peak-value detector; PXI bus; filter; auto gain control

中圖分類號：TN957.51

文獻標識碼：A

文章編號：1674- 4578(2016)01- 0043- 03

作者簡介：孫吉(1988- )，男，山西太原人，研究生，主要從事通信與信息系統(tǒng)的研究。

收稿日期：2015-12-18