專利名稱：寬帶超高精度數(shù)字脈沖相移產(chǎn)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種數(shù)字脈沖產(chǎn)生技術(shù)，它以低成本和高集成度的數(shù)字、模擬混合電路實(shí)現(xiàn)了高精度、可穩(wěn)定精細(xì)調(diào)整的寬帶數(shù)字脈沖相移技術(shù)，該技術(shù)主要應(yīng)用于超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)、高精度工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域以及監(jiān)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在早期的基本應(yīng)用中，雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射音頻脈沖并測(cè)量脈沖開(kāi)始發(fā)射和從測(cè)量目標(biāo)返回之間的時(shí)間差，從而確定被測(cè)目標(biāo)和設(shè)備之間的距離。然而，普通成本的測(cè)量電路能夠提供給雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)量精度也就在10％左右。
90年代中期Thomas E.McEwan等人發(fā)明了精確數(shù)字脈沖產(chǎn)生器，并連續(xù)加以改進(jìn)，后來(lái)以較低成本的測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)了0.1％測(cè)量精度的雷達(dá)設(shè)備，并申請(qǐng)了美國(guó)專利，專利號(hào)為5563605。該發(fā)明中，D/A器件產(chǎn)生可以較為精確調(diào)整步長(zhǎng)的控制電流，用來(lái)確定接收脈沖和發(fā)射脈沖的時(shí)延；運(yùn)放將該時(shí)延處理后產(chǎn)生反饋電流，形成伺服系統(tǒng)，以保證該時(shí)延較為精確的受控于控制電流。該發(fā)明不僅提高了雷達(dá)設(shè)備的測(cè)量精度和降低了雷達(dá)設(shè)備的成本，而且將該技術(shù)成功拓展進(jìn)了工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。
不過(guò)，Thomas E.McEwan等人發(fā)明的精確數(shù)字脈沖產(chǎn)生器的精度基本是理論性的，因?yàn)樗欧到y(tǒng)的反饋電流嚴(yán)重受到時(shí)延脈沖電壓峰值電平的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，電源供電的精度很難超過(guò)0.5％；而且由于制造工藝的影響，不同批次的普通數(shù)字邏輯器件在同樣電源供電的情況下，管腳輸出脈沖的高電平也有較大差異。更不利的因素是，設(shè)備應(yīng)用的場(chǎng)合有可能溫度變化范圍比較大，使得同一數(shù)字邏輯器件在同樣的供電電源情況下，輸出的時(shí)延脈沖峰值電平也可能具有較大的變化。這些因素很大程度影響的實(shí)際測(cè)量精度，使得該發(fā)明0.1％的測(cè)量精度難以達(dá)到。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低成本、高集成度的寬帶超高精度數(shù)字脈沖相移產(chǎn)生器，它能夠穩(wěn)定的以高精度的步長(zhǎng)精細(xì)調(diào)整參考脈沖和可變脈沖之間的相移，并能適應(yīng)較大的供電電源變化和溫度變化的影響。
一種寬帶超高精度數(shù)字脈沖相移產(chǎn)生器，由可編程邏輯器件、乘法型D/A、濾波分壓電路、延遲電路和伺服電路組成。
可編程邏輯器件選擇低功耗、高頻率和高集成度的器件。初始參考脈沖信號(hào)為周期性方波信號(hào)，輸入到可編程邏輯器件，脈沖頻率范圍在200kHz～20MHz。外部控制中心可通過(guò)通訊總線對(duì)可編程邏輯器件進(jìn)行參數(shù)配置，可編程邏輯器件根據(jù)參數(shù)配置的內(nèi)容，按照設(shè)定的步長(zhǎng)，將數(shù)字控制信號(hào)循環(huán)遞增或遞減，傳送給差動(dòng)電流輸出型的乘法型D/A，并將參考電壓經(jīng)濾波和分壓電路處理后送給該乘法型D/A作為該器件的參考電壓。參考脈沖由初始參考脈沖經(jīng)可編程邏輯器件緩沖后產(chǎn)生并輸出，與初始參考脈沖頻率相同且相位差固定。發(fā)射脈沖可由參考脈沖直接形成并輸出，也可經(jīng)參考脈沖和其加微小固定相移的反相脈沖相與后形成并輸出，與參考脈沖相位相同。乘法型D/A將差動(dòng)控制電流輸出到伺服電路，伺服電路中的運(yùn)算放大器具有高線性度和高開(kāi)環(huán)增益的特征。伺服電路將時(shí)延脈沖形成的反饋電流和差動(dòng)電流進(jìn)行比較，并將二者的差異形成的反饋電壓輸出給由可編程邏輯器件的門(mén)電路和阻容器件組成的延遲電路，并因此改變時(shí)延脈沖的寬度，直至?xí)r延脈沖的寬度產(chǎn)生的反饋電流和差動(dòng)電流相匹配。延遲電路將參考脈沖移相后形成相移脈沖，相移脈沖經(jīng)可編程邏輯器件內(nèi)部的門(mén)電路整形，整形后的脈沖可直接輸出作為接收脈沖，也可和其加微小固定相移的反相脈沖相與后作為接收脈沖輸出，接收脈沖和整形后的相移脈沖相位相同。時(shí)延脈沖在可編程邏輯器件內(nèi)部由門(mén)電路對(duì)接收脈沖和參考脈沖作數(shù)字鑒相后產(chǎn)生。延遲電路產(chǎn)生的相移可精細(xì)調(diào)整，在時(shí)域上可對(duì)應(yīng)到幾個(gè)皮秒的量級(jí)。接收脈沖相對(duì)參考脈沖或發(fā)射脈沖相位可變，視為可變脈沖。
本發(fā)明提供了一種低成本、高集成度的寬帶超高精度數(shù)字脈沖相移產(chǎn)生器，它能夠穩(wěn)定的以高精度的步長(zhǎng)精細(xì)調(diào)整參考脈沖和可變脈沖之間的相移，并能適應(yīng)較大的供電電源變化和溫度變化的影響。本發(fā)明的接收脈沖和參考脈沖(或發(fā)射脈沖之間)的相位調(diào)整步長(zhǎng)可優(yōu)于0.01％，并且可以數(shù)字調(diào)整。本發(fā)明解決了反饋時(shí)延電平峰值對(duì)寬帶數(shù)字移相技術(shù)的影響，在供電電源變化不超過(guò)±5％，溫度在-40～+85℃范圍內(nèi)，測(cè)量精度超過(guò)0.1％，可以達(dá)到0.01％左右。加入控制和判斷電路后，本發(fā)明可用于測(cè)量、監(jiān)控和雷達(dá)系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明的原理圖。
圖2是本發(fā)明參考電壓直接由C5連到乘法型D/A器件的原理圖。
具體實(shí)施方案一種寬帶超高精度數(shù)字脈沖相移產(chǎn)生器，其特征在于包括可編程邏輯器件1、乘法型D/A 2、濾波分壓電路、延遲電路和伺服電路。圖1和圖2是本發(fā)明原理的具體體現(xiàn)。
外部控制中心如MCU，可通過(guò)通訊總線對(duì)可編程邏輯器件1進(jìn)行參數(shù)配置，可數(shù)字化設(shè)置相移步長(zhǎng)，以及相位的掃描方式。外部控制中心同時(shí)給可編程邏輯器件1提供初始參考脈沖，初始參考脈沖為周期性方波信號(hào)，頻率范圍在200kHz～20MHz。
可編程邏輯器件1根據(jù)參數(shù)的配置內(nèi)容，確定對(duì)乘法型D/A 2的控制參數(shù)，包括控制代碼的步長(zhǎng)、增減方向，以及控制代碼的更新時(shí)間間隔?？删幊踢壿嬈骷?將初始參考脈沖緩沖并處理后輸出到延遲電路，延遲電路將相移脈沖送回可編程邏輯器件1。可編程邏輯器件1根據(jù)參考脈沖和相移脈沖，將二者處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)射脈沖、接收脈沖、時(shí)延參考脈沖和時(shí)延脈沖。時(shí)延脈沖和時(shí)延參考脈沖輸出到伺服電路?？删幊踢壿嬈骷?輸出參考電壓到濾波分壓電路，可編程邏輯器件1的特性保證參考電壓管腳與其它輸出脈沖的管腳電氣參數(shù)差異極小，可認(rèn)為相同。參考管腳輸出可為PWM信號(hào)，也可為高電平信號(hào)。
濾波分壓電路由運(yùn)算放大器4和阻容器件R6、R7和C5組成?？删幊踢壿嬈骷?的參考電壓管腳輸出的電壓經(jīng)R6、R7分壓，并經(jīng)C5濾波后送入運(yùn)算放大器4，運(yùn)算放大器4連成電壓跟隨器形式，輸出電壓作為乘法型D/A 2的參考電壓，連接關(guān)系可參見(jiàn)圖1。參考電壓也可經(jīng)C5直連到乘法型D/A 2的參考電壓管腳，而運(yùn)算放大器4不用，連接關(guān)系參見(jiàn)圖2。兩種連接關(guān)系的區(qū)別在于，前者輸出驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，可以不考慮乘法型D/A 2參考電壓管腳的輸入電阻的影響；后者成本更為低廉，但在應(yīng)用中R6、R7的阻值分配應(yīng)考慮乘法型D/A 2參考電壓管腳的輸入電阻的影響。
乘法型D/A2可選用差動(dòng)電流輸出型D/A器件，其輸出的差動(dòng)電流分別與控制代碼和參考電壓成正比例關(guān)系。乘法型D/A 2選用線性度較好的高分辨率D/A器件，如選擇14位以上的D/A器件，且線性度在0.01％以上。乘法型D/A 2輸出差動(dòng)電流分別與控制代碼和D/A參考電壓成正比。乘法型D/A 2的差動(dòng)電流輸出端分別經(jīng)電阻R3和R4連至運(yùn)算放大器3的同相輸入端和反相輸入端。
延遲電路由可編程邏輯器件1內(nèi)部的門(mén)電路和阻容器件C3、C4、R8和R3組成?？删幊踢壿嬈骷?輸出的參考脈沖經(jīng)R8和R5的分壓后對(duì)C4充放電，運(yùn)算放大器3的輸出電壓經(jīng)C3濾波后經(jīng)R5形成相對(duì)直流成分，給C4增加每次充放電的初始電位。在C4上形成的充放電脈沖為相移脈沖，送至可編程邏輯器件1管腳，并經(jīng)可編程邏輯器件1內(nèi)的門(mén)電路整形，可直接輸出作為接收脈沖，也可再和該脈沖的加微小相移的反相脈沖相與后形成超高頻脈沖(即超寬帶脈沖)作為接收脈沖輸出，接收脈沖相對(duì)參考脈沖相位可變，視為可變脈沖。因?yàn)橄嘁泼}沖是參考脈沖的充放電波形信號(hào)，故經(jīng)門(mén)電路的門(mén)檻整形后，形成的信號(hào)與參考脈沖形成頻率一致但相位有偏移的脈沖信號(hào)，相位偏移的程度主要由運(yùn)算放大器3的輸出電壓決定。參考脈沖可直接輸出作為發(fā)射脈沖，也可再和其本身加微小相移的反相脈沖相與后形成超高頻脈沖(即超寬帶脈沖)作為發(fā)射脈沖輸出。
伺服系統(tǒng)由運(yùn)算放大器3，電容器件C1～C2，以及電阻器件R1～R4組成。運(yùn)算放大器3為高線性度、高增益的運(yùn)放，以保證捕捉到反饋電流和差動(dòng)電流的微小差異。發(fā)射脈沖和參考脈沖的相位由可編程邏輯器件1進(jìn)行數(shù)字鑒相處理后，形成時(shí)延參考脈沖，時(shí)延參考脈沖的脈寬是發(fā)射脈沖和參考脈沖的相位差在時(shí)域的反映；類似，接收脈沖和參考脈沖由可編程邏輯器件1進(jìn)行數(shù)字鑒相后形成的時(shí)延脈沖的脈寬是接收脈沖和參考脈沖的相位差在時(shí)域上的反映。而時(shí)延脈沖和時(shí)延參考脈沖的脈寬差是接收脈沖和發(fā)射脈沖相位差在時(shí)域上的反映。時(shí)延脈沖和時(shí)延參考脈沖分別通過(guò)R1和R2連至乘法型D/A 2的差動(dòng)電流輸出端；電阻R3的兩端分別連至乘法型D/A(2)的差動(dòng)電流輸出端的一個(gè)管腳和運(yùn)算放大器(3)的同相輸入端，電阻R4的兩端分別連至乘法型D/A(2)的差動(dòng)電流輸出端的另一個(gè)管腳和運(yùn)算放大器(3)的反相輸入端；C1連結(jié)運(yùn)算放大器3的反相輸入端和輸出端，C2連接地電位和運(yùn)算放大器3的同相輸入端。由于運(yùn)算放大器3的反饋平衡作用，電路穩(wěn)定后，時(shí)延脈沖和時(shí)延參考脈沖在R1和R2上形成的平均電流差應(yīng)和乘法型D/A2輸出的差動(dòng)電流相等。
在實(shí)際應(yīng)用中，R1和R2阻值相等，亦即(ΔT/T)*(V/R)＝ΔI其中，ΔT為時(shí)延脈沖和時(shí)延參考脈沖相位的時(shí)間差，也可理解為接收脈沖和發(fā)射脈沖之間的相位差，T為脈沖重復(fù)周期，V為時(shí)延脈沖和時(shí)延參考脈沖的高電平，R為R1和R2的阻值，ΔI為乘法型D/A2輸出的差動(dòng)電流值，受控與控制代碼。
上述公式可轉(zhuǎn)變?yōu)棣＝ΔI/V*R*T此公式表明，在R和T固定的情況下，接收脈沖和發(fā)射脈沖的相位差，正比于ΔI/V。在此前的數(shù)字脈沖相移產(chǎn)生器電路中，本發(fā)明中的乘法型D/A2替換為一般類型的差動(dòng)電流輸出型D/A器件，ΔI只與控制代碼成正比例關(guān)系，而V直接受電源電壓變化和溫度變化的影響。一般情況下，V變化范圍可能超過(guò)5％以上。因此，此前的相移精確度達(dá)到0.1％實(shí)際應(yīng)用中不太可能實(shí)現(xiàn)。
而在本發(fā)明中，由于采用乘法型D/A 2，并將可編程邏輯器件1管腳的電平分壓、濾波之后作為乘法型D/A 2的參考電壓，由此我們得到接收脈沖的相移特性ΔT＝k0*(code)*V/V*R*T上述公式可簡(jiǎn)化為ΔT＝k0*(code)/R*T其中k0為固定常數(shù)，由濾波分壓電路和乘法型D/A 2的特性決定；code為可編程邏輯器件1傳送給乘法型D/A 2的控制接收脈沖和發(fā)射脈沖相移的控制代碼。
因此，接收脈沖和發(fā)射脈沖的相位差，消除了ΔT因V受電源電壓變化和溫度變化的影響而產(chǎn)生的誤差，在R和T及k0固定的情況下，只取決于控制相位大小的控制代碼code。
因?yàn)檫\(yùn)放增益的線性度、D/A器件的線性度和電阻的阻值，在較大的溫度變化范圍內(nèi)，都可用以較低成本將溫度引起的誤差降低到0.01％；在允許的范圍內(nèi)供電電源電壓的變化以及溫度變化而導(dǎo)致的可編程邏輯器件管腳電氣特性的變化，不影響輸出脈沖和發(fā)射脈沖(或參考脈沖)的相位差，所以，當(dāng)選擇14位以上的D/A器件后，輸出脈沖即可變脈沖相對(duì)發(fā)射脈沖(或參考脈沖)的相移可精確受控于code，相移步長(zhǎng)可達(dá)到周期的0.01％以上，而精度也能超過(guò)0.1％，達(dá)到0.01％左右。
權(quán)利要求
1.一種寬帶超高精度數(shù)字脈沖相移產(chǎn)生器，其特征在于包括可編程邏輯器件(1)、乘法型D/A(2)、濾波分壓電路、延遲電路和伺服電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述寬帶超高精度數(shù)字脈沖相移產(chǎn)生器，其特征在于，外部控制中心可通過(guò)通訊總線對(duì)可編程邏輯器件(1)進(jìn)行參數(shù)配置，外部提供的初始參考脈沖頻率為200kHz～20MHz，可編程邏輯器件根據(jù)參數(shù)的配置內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)乘法型D/A(2)的控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述寬帶超高精度數(shù)字脈沖相移產(chǎn)生器，其特征在于，上述配置參數(shù)包括控制代碼的增減方向、增減步長(zhǎng)，以及控制代碼的更新時(shí)間間隔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述寬帶超高精度數(shù)字脈沖相移產(chǎn)生器，其特征在于，所述濾波分壓電路由運(yùn)算放大器(4)和阻容器件R6、R7和C5組成，可編程邏輯器件(1)的參考電壓管腳輸出的電壓經(jīng)R6、R7分壓，并經(jīng)C5濾波后送入運(yùn)算放大器(4)的同相輸入端，運(yùn)算放大器(4)連成電壓跟隨器形式，其輸出端輸出D/A參考電壓，連到乘法型D/A(2)的參考電壓管腳。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述寬帶超高精度數(shù)字脈沖相移產(chǎn)生器，其特征在于，所述濾波分壓電路中，D/A參考電壓也可由C5直接連到乘法型D/A(2)的參考電壓管腳。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述寬帶超高精度數(shù)字脈沖相移產(chǎn)生器，其特征在于，所述乘法型D/A(2)為乘法型差動(dòng)電流輸出型D/A器件，可編程邏輯器件(1)的控制代碼總線連至乘法型D/A(2)，乘法型D/A(2)的差動(dòng)電流輸出端分別經(jīng)電阻R3和R4連至運(yùn)算放大器(3)的同相輸入端和反相輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述寬帶超高精度數(shù)字脈沖相移產(chǎn)生器，其特征在于，所述延遲電路由可編程邏輯器件(1)內(nèi)部的門(mén)電路和阻容器件C3、C4、R8和R5組成，可編程邏輯器件(1)的參考脈沖輸出管腳連至R8的一端，R8的另一端連接C4、R5和可編程邏輯器件(1)的相移脈沖管腳，C4另一管腳連至地電位，R5的另一管腳連至C3和運(yùn)算放大器(3)的輸出管腳，C3的另一管腳連至地電位。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述寬帶超高精度數(shù)字脈沖相移產(chǎn)生器，其特征在于，所述伺服電路由可編程邏輯器件(1)內(nèi)部的門(mén)電路、運(yùn)算放大器(3)和電容器件C1～C2，以及電阻器件R1～R4組成，時(shí)延脈沖和時(shí)延參考脈沖分別通過(guò)R1和R2連至乘法型D/A(2)的差動(dòng)電流輸出端；電阻R3的兩端分別連至乘法型D/A(2)的差動(dòng)電流輸出端的一個(gè)管腳和運(yùn)算放大器(3)的同相輸入端，電阻R4的兩端分別連至乘法型D/A(2)的差動(dòng)電流輸出端的另一個(gè)管腳和運(yùn)算放大器(3)的反相輸入端；C1連結(jié)運(yùn)算放大器(3)的反相輸入端和輸出端，C2連接地電位和運(yùn)算放大器(3)的同相輸入端。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述寬帶超高精度數(shù)字脈沖相移產(chǎn)生器，其特征在于，所述伺服系統(tǒng)中R1和R2的阻值相等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高集成度、超高精度的寬帶數(shù)字脈沖相移產(chǎn)生器，它能夠穩(wěn)定的以高精度的步長(zhǎng)精細(xì)調(diào)整參考脈沖和可變脈沖之間的相移，并能適應(yīng)較大的供電電源變化和溫度變化的影響。它由高集成度的可編程邏輯器件、乘法型D/A、高線性度的濾波分壓電路、可精細(xì)調(diào)整相移的延遲電路、高線性度和高開(kāi)環(huán)增益的運(yùn)算放大器組成的伺服電路組成，可用于測(cè)量、監(jiān)控和雷達(dá)系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H03K5/14GK101056098SQ200710090239
公開(kāi)日2007年10月17日 申請(qǐng)日期2007年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月16日
發(fā)明者時(shí)啟猛 申請(qǐng)人:北京華欣北儀科技發(fā)展有限責(zé)任公司