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摘要:超寬帶探地雷達(dá)在無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，接收電路是整個(gè)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵。采用順序等效采樣技術(shù)設(shè)計(jì)了一款新型的窄脈沖接收電路，該電路可以利用低速A/D實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的等效采樣。利用ADS對(duì)該電路進(jìn)行仿真，輸入10MHz重復(fù)頻率的2ns三角波信號(hào)，采樣脈沖帶有100ps的步進(jìn)延時(shí)方波信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)該電路后脈沖寬度降低為2μs，頻率降低了1000倍。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示該電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的等效采樣，輸出信號(hào)頻率降低了200倍。

關(guān)鍵詞:等效采樣;超寬帶接收機(jī);無(wú)損檢測(cè);探地雷達(dá)

超寬帶UWB(Ultra-wideband)探地雷達(dá)GPR(GroundPenetratingRadar)是利用電磁波信號(hào)來(lái)檢測(cè)不可見(jiàn)物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與形狀。雖然超寬帶無(wú)損檢測(cè)的理論在很早就被人們所認(rèn)識(shí)，但實(shí)用的系統(tǒng)在最近幾年才漸漸發(fā)展成熟。超寬帶探地雷達(dá)憑借其自身的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在橋梁、道路、考古等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。沖擊脈沖體制下的超寬帶無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)接收的是超寬帶脈沖信號(hào)，其脈沖寬度窄頻譜寬，一般可達(dá)GHz。對(duì)超寬帶系統(tǒng)使用實(shí)時(shí)采樣的方式采集超寬帶信號(hào)，那么采樣頻率至少要大于2倍的信號(hào)頻率。此外由于超寬帶脈沖的特殊性還需要在一個(gè)脈沖周期內(nèi)至少采集7個(gè)樣本點(diǎn)［1－5］。因此要實(shí)現(xiàn)超高速實(shí)時(shí)采樣，采樣精度和采樣速率都要滿足要求。目前常用的高速采樣設(shè)備主要有數(shù)據(jù)采集卡、高速A/D等。從國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的A/D產(chǎn)品來(lái)看，采樣精度和采樣率往往是一對(duì)矛盾值，由于國(guó)外技術(shù)的封鎖，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的單個(gè)產(chǎn)品還不能同時(shí)滿足超寬帶脈沖采樣的速度和精度要求。此外由于數(shù)據(jù)采集器體積大、價(jià)格昂貴，往往不利于系統(tǒng)的小型化與商業(yè)化。基于以上需求，本文設(shè)計(jì)了一款基于等效采樣的超寬帶窄脈沖接收電路，可利用低速A/D實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的采樣，降低采樣系統(tǒng)的成本。

1電路設(shè)計(jì)

在整個(gè)超寬帶無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)是系統(tǒng)的關(guān)鍵，如圖1所示。接收機(jī)系統(tǒng)由兩級(jí)低噪放、等效采樣電路、精密延時(shí)電路、采樣脈沖產(chǎn)生電路以及差動(dòng)放大電路等部分構(gòu)成［6－7］，超寬帶脈沖回波信號(hào)經(jīng)過(guò)天線被接收后，由于回波信號(hào)幅度較低，需要經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大電路進(jìn)行放大，放大后的回波信號(hào)由等效采樣電路進(jìn)行采樣與保持;同時(shí)采樣脈沖信號(hào)由晶振產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)延時(shí)芯片實(shí)現(xiàn)步進(jìn)延時(shí)，經(jīng)過(guò)采樣脈沖產(chǎn)生電路實(shí)現(xiàn)帶有步進(jìn)延時(shí)的窄脈沖信號(hào)控制等效采樣電路;等效采樣電路的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大電路放大后由A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

1．1精密延時(shí)電路

根據(jù)超寬帶脈沖的設(shè)計(jì)指標(biāo)，由于超寬帶脈沖約為2ns，那么最佳的步進(jìn)延時(shí)為100ps。為了滿足系統(tǒng)的實(shí)測(cè)要求。由芯片類型可知，僅僅用單個(gè)芯片無(wú)法完成100ps的延時(shí);那么可采用發(fā)射信號(hào)與采樣信號(hào)之間的延時(shí)差來(lái)實(shí)現(xiàn)。選擇MC100E196B芯片的10位控制，步進(jìn)的精度為10ps。采用兩路芯片之間的延時(shí)差便可以實(shí)現(xiàn)100ps。如圖2所示，整個(gè)設(shè)計(jì)采用同一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行控制，這樣使得發(fā)射與接收處于完全同步。晶振信號(hào)同時(shí)產(chǎn)生超寬帶脈沖信號(hào)與采樣脈沖信號(hào)，輸出產(chǎn)生超寬帶脈沖信號(hào)的方波信號(hào)經(jīng)過(guò)延時(shí)芯片延時(shí)2．2ns，產(chǎn)生采樣脈沖信號(hào)的方波信號(hào)延時(shí)2．3ns，這樣便可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)之間的延時(shí)差為100ps。 

1．2采樣脈沖產(chǎn)生電路

隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，可以采用半導(dǎo)體器件內(nèi)部的特殊載流子特性產(chǎn)生脈沖，主要有隧道二極管、階躍恢復(fù)二極管以及雪崩三極管等常用的窄脈沖產(chǎn)生技術(shù)［8－9］。本文采用雪崩三極管單管放大電路，實(shí)現(xiàn)窄脈沖電路設(shè)計(jì)［10－11］。雪崩脈沖產(chǎn)生電路包括雪崩三極管、直流偏置電路和微分整形網(wǎng)絡(luò)，方波信號(hào)經(jīng)過(guò)微分整形網(wǎng)絡(luò)提取脈沖的邊緣，降低方波信號(hào)的占空比后作為雪崩三極管的輸入信號(hào)，利用雪崩三極管的雪崩倍增效應(yīng)結(jié)合整形網(wǎng)絡(luò)整形后形成窄脈沖信號(hào)。整個(gè)電路如圖3所示，雪崩電路由直流偏置電壓VC、電感L1、電容C2、電阻R3、R4和雪崩晶體管Q1組成。其中雪崩三極管采用的是恩智浦公司的BFU530XR，這是一種低噪聲、高帶寬的射頻晶體管。其特征頻率fT為11GHz，雪崩擊穿電壓VCEO為12V，雪崩擊穿電壓VCBO為24V。電壓源VC為雪崩三極管提供雪崩擊穿的直流偏置電壓，在方波信號(hào)到來(lái)之前使雪崩三極管處于臨界雪崩狀態(tài)。電感L1為電壓濾波電感。在發(fā)生雪崩擊穿之前，偏置電壓對(duì)電容C2進(jìn)行充電，其充電常數(shù)為：且R3的值不能太小，否則會(huì)導(dǎo)致雪崩三極管上的分壓增大，從而導(dǎo)致整個(gè)雪崩電路的功耗增加。由于雪崩脈沖是負(fù)脈沖，采用肖特基二極管輸出脈沖波形進(jìn)行截取。由于肖特基二極管的反向截止時(shí)間非常短，正向?qū)〞r(shí)間到反向截止時(shí)間只需幾十皮秒。因此可以用它實(shí)現(xiàn)將高于門限電壓的信號(hào)通過(guò)，這個(gè)門限電壓由Vd決定。

1．3等效采樣電路

等效采樣電路其本質(zhì)是一個(gè)高性能的開(kāi)關(guān)信號(hào)，由于三極管可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電路，因此本文提出使用三極管替代二極管，設(shè)計(jì)出了一個(gè)新型的等效采樣電路，該等效采樣電路不采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)設(shè)計(jì)更加容易實(shí)現(xiàn)。由于共發(fā)射級(jí)電路有:因此發(fā)射極電路基極電路受集電極影響較小，且射集跟隨器的放大系數(shù)約為1。因此采用三極管電路可以實(shí)現(xiàn)采樣保持。這種電路不僅可以增加輸出信號(hào)的幅度，且可以有效的防止保持階段的饋通而引起的毛刺。根據(jù)分析，可設(shè)計(jì)出等效采樣電路如圖4所示，它主要有三部分構(gòu)成:直流偏置電路、等效采樣電路、緩沖電路。與二極管采樣電路相比，直流偏置電路對(duì)三極管電路影響更為重要，本設(shè)計(jì)中的直流偏置電路由R6、R7、R10、R11、C4組成。通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R6的值可以控制三極管Q1、Q2、Q3的發(fā)射極電壓，從而調(diào)節(jié)整個(gè)等效采樣電路的直流偏置。由于在保持階段，輸入信號(hào)由Q2經(jīng)過(guò)R6到地，為了防止輸入信號(hào)向后級(jí)的饋通，這里R6、R7的值不宜過(guò)大，選用阻值為27Ω的電阻且與C6并聯(lián)更有利于信號(hào)釋放到地，防止在保持階段向后級(jí)的饋通。等效采樣電路由ps級(jí)采樣脈沖經(jīng)過(guò)Q4集電極輸出信號(hào)和基極輸入信號(hào)控制Q1、Q2、Q3構(gòu)成。ps級(jí)采樣脈沖經(jīng)過(guò)Q4集電極輸出便可以得到一個(gè)相位相反的ps級(jí)脈沖信號(hào)。這樣就可以得到一對(duì)相位相反的采樣保持脈沖，其中C5濾波電容取0．1μF，R9直流偏置電阻取100Ω。可以通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R8、R9實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣脈沖幅度的調(diào)節(jié):當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)Q3導(dǎo)通，Q2截止，此時(shí)Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)對(duì)C3充放電，實(shí)現(xiàn)采樣，同理當(dāng)Q2導(dǎo)通，Q3截止，此時(shí)Q1截止時(shí)C3處于保持狀態(tài)。這樣便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)被采樣信號(hào)的跟蹤保持。同時(shí)C3、R2的選擇尤為重要，C3太大充放電效果不明顯，C3太小則會(huì)導(dǎo)致保持不住。R2的阻值不宜太大，太大導(dǎo)致充放電受阻。本文C3設(shè)為47pF，R3設(shè)為300Ω。為了防止保持電容上的保持信號(hào)向后級(jí)放電，在保持電容后采用高性能的JFET(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管)結(jié)合電阻R3形成一個(gè)具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的緩沖電路。由于JFET與MOSFET相比無(wú)需開(kāi)啟電壓，因此在微弱信號(hào)采樣時(shí)比MOSFET優(yōu)勢(shì)更為明顯，此外R3的阻值可以取的大一些，本文設(shè)為1000Ω。

2系統(tǒng)仿真與測(cè)試

2．1系統(tǒng)仿真

超寬帶脈沖接收系統(tǒng)主要用于對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)，根據(jù)接收波形的變化分析出物體的運(yùn)動(dòng)特征。本文利用ADS中的信號(hào)源輸出重復(fù)頻率為10MHz脈沖寬度為2ns的三角波模擬超寬帶脈沖對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。如圖5所示，采用周期為100ns，上升沿為1ns，下降沿為1ns底部脈沖寬度為2ns的三角波模擬被采樣信號(hào);接收電路中采樣脈沖產(chǎn)生電路是由晶振觸發(fā)信號(hào)源產(chǎn)生窄脈沖信號(hào)，為了模擬采樣脈沖信號(hào)輸入占空比50%的方波信號(hào)作為采樣脈沖觸發(fā)信號(hào)，周期為100．1ns，其中100ps為延時(shí)差。輸入2ns三角波信號(hào)經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)后輸出信號(hào)可以恢復(fù)出輸入信號(hào)的波形，且周期頻率拉長(zhǎng)為2μs降低了1000倍。

2．2系統(tǒng)測(cè)試

如圖6所示，根據(jù)前面的分析，將整個(gè)系統(tǒng)在FR4板材上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。采用10MHz晶振作為采樣脈沖與超寬帶脈沖信號(hào)的觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)過(guò)等效采樣電路后，輸出級(jí)采用模數(shù)轉(zhuǎn)換ADS822芯片對(duì)等效采樣后的信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換。通過(guò)示波器對(duì)等效采樣后的波形觀測(cè)。由圖7可知，輸入200mV左右的10MHz弦信號(hào)，經(jīng)過(guò)多個(gè)周期的采樣后輸出信號(hào)頻率約為1MHz，且在每個(gè)周期內(nèi)等效采樣系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)采一個(gè)點(diǎn)，并且在下一次采樣之前處于保持狀態(tài)，經(jīng)過(guò)多個(gè)周期后可以恢復(fù)出正弦信號(hào)的波形。從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看到系統(tǒng)可以對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)很好的跟蹤保持，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果都可以證明該系統(tǒng)的可行性。基于等效采樣的超寬帶窄脈沖接收電路完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超寬帶脈沖的等效采樣，可利用低速A/D實(shí)現(xiàn)對(duì)回波信號(hào)的采樣。有利于降低整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的成本。為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，表1對(duì)常見(jiàn)的采樣技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出，在檢測(cè)誤差可以接受的范圍內(nèi)，本方案大幅降低了接收機(jī)的采樣成本。

3總結(jié)

超寬帶探地雷達(dá)可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，本文基于順序等效采樣原理設(shè)計(jì)的窄脈沖接收電路可以采用低速A/D實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，降低整個(gè)系統(tǒng)成本，有利于探地雷達(dá)系統(tǒng)的商業(yè)化。

作者：蔡志匡 石國(guó)偉 齊軒晨 林文華 肖建 單位：南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院