孫　吉，張丕狀

(中北大學(xué) 信息探測(cè)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(hào)調(diào)理卡的設(shè)計(jì)

孫吉，張丕狀

(中北大學(xué) 信息探測(cè)與處理技術(shù)研究所，山西 太原 030051)

摘要：在微波雷達(dá)測(cè)速當(dāng)中信號(hào)會(huì)受到各種噪聲的干擾以及信號(hào)的幅度不良會(huì)影響后續(xù)信號(hào)的分析，為了提高測(cè)速中前端信號(hào)處理的便捷性和優(yōu)化前端信號(hào)的質(zhì)量，提出了一種基于PXI總線、帶有自動(dòng)增益控制功能的信號(hào)調(diào)理單元的設(shè)計(jì)方案，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理并且對(duì)信號(hào)的幅度進(jìn)行增益的控制，提高后續(xù)信號(hào)處理的準(zhǔn)確性和可靠性。該調(diào)理卡分為兩路通道，分別對(duì)毫米波和厘米波進(jìn)行處理，通過PXI總線控制板卡上的模擬開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩路通道中帶寬的高速切換。實(shí)際的測(cè)試效果表明，設(shè)計(jì)的PXI信號(hào)調(diào)理卡達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)能夠用于多普勒信號(hào)調(diào)理，滿足內(nèi)彈道多普勒信號(hào)采集的要求。

關(guān)鍵詞：峰值檢波電路；PXI總線；濾波器；自動(dòng)增益控制

雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)是多普勒頻率信號(hào)的提取[1]，本文研究的具體內(nèi)容是對(duì)多普勒信號(hào)前端的濾波和信號(hào)幅度的自動(dòng)增益控制，通過對(duì)信號(hào)的處理來(lái)獲得更有效的信號(hào)。該調(diào)理卡的創(chuàng)新之處在于利用北京航天測(cè)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(hào)為AMC58222)作為開發(fā)平臺(tái)，該試驗(yàn)平臺(tái)緊跟國(guó)際測(cè)量系統(tǒng)的先進(jìn)步伐，對(duì)于戶外試驗(yàn)是一個(gè)很好的工具，攜帶方便，該板卡的作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，分離出有用信號(hào)，并且讓信號(hào)穩(wěn)定在一個(gè)理想的處理范圍內(nèi)，便于對(duì)信號(hào)后續(xù)的分析及處理。

PXI總線[2，3]已被廣泛應(yīng)用于試驗(yàn)、測(cè)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(kuò)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(jiān)固性、與模塊化，以及Eurocard的機(jī)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(shì)，對(duì)于PXI總線的研究有利于更深入的應(yīng)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(chǔ)及處理的微機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)。

在PXI總線的環(huán)境下，設(shè)計(jì)帶有自動(dòng)增益控制功能的信號(hào)調(diào)理單元，在自動(dòng)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(dòng)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(dòng)增益控制的功能的實(shí)現(xiàn)。

1總體設(shè)計(jì)方案

眾所周知，在微波雷達(dá)測(cè)速的過程中，會(huì)受到測(cè)試環(huán)境中各種噪聲的干擾并且在測(cè)量過程中信號(hào)的幅度有可能會(huì)不穩(wěn)定，故在處理信號(hào)之前需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，濾掉噪聲，對(duì)有用信號(hào)幅度進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，在了解有用信?hào)的頻帶之后開始設(shè)計(jì)帶通濾波器。通過對(duì)未處理時(shí)的理想信號(hào)頻率的分析，設(shè)計(jì)時(shí)分別設(shè)計(jì)了兩路帶寬不一樣的帶通濾波器，分別對(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)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(lái)控制板卡上模擬開關(guān)的通段。

模擬電路部分是本板卡設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，包括兩個(gè)通道的調(diào)理單元，并且?guī)в凶詣?dòng)增益控制功能。

圖1　總體設(shè)計(jì)方案

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1濾波器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)有源濾波器時(shí)，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(jí)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(shí)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(dòng)增益控制功能的設(shè)計(jì)

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

給定信號(hào)的范圍為10 mV~2 V，當(dāng)信號(hào)幅度很小時(shí)，放大倍數(shù)很大，隨著信號(hào)幅度的變大，放大倍數(shù)變小，由下圖可知，當(dāng)信號(hào)低于1.57 V時(shí)，信號(hào)被放大，當(dāng)信號(hào)大于1.57 V時(shí)，信號(hào)開始縮小，由此可見，電路實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)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(dá)到自動(dòng)增益控制的目的。在電路的設(shè)計(jì)中，可以改變1引腳的基準(zhǔn)電壓(基準(zhǔn)電壓的大小可以通過滑動(dòng)變阻器來(lái)調(diào)節(jié))，以此達(dá)到將信號(hào)的幅度放大到實(shí)際所需的范圍，從實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，信號(hào)基本穩(wěn)定在1~2 V左右。

在此過程中，檢波電路是個(gè)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(dāng)信號(hào)大于零時(shí)，D4截止，D3導(dǎo)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(huì)超過Vi。

當(dāng)Vi增大到峰值后開始下降時(shí)，U1A的同相端電壓小于反相端電壓，從而使D4導(dǎo)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(hào)的第一個(gè)峰值Vimax。當(dāng)Vi大于Vo時(shí)，重復(fù)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(fù)雜，利用起來(lái)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(lái)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(duì)通道中的濾波器通帶帶寬進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)多普勒信號(hào)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(dòng)設(shè)計(jì)

該板卡軟件的設(shè)計(jì)分為以下部分：

1) 應(yīng)用程序部分；

2) 驅(qū)動(dòng)程序部分；

3) CPLD程序部分。

應(yīng)用程序是一個(gè)簡(jiǎn)單的上位機(jī)，通過DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))與驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信。

驅(qū)動(dòng)程序的編寫是通過WinDrive來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本系統(tǒng)的特點(diǎn)是在PXI總線的環(huán)境下實(shí)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(hào)的預(yù)處理更加的方便，快捷，易于攜帶，尤其在室外郊區(qū)實(shí)驗(yàn)時(shí)。

3實(shí)驗(yàn)測(cè)試

如圖5所示，是在實(shí)測(cè)中給定的信號(hào)，上面的信號(hào)為輸入信號(hào)，下面為輸出信號(hào)，由圖6可知隨著信號(hào)的增大，信號(hào)也被放大，信號(hào)較小時(shí)，放大倍數(shù)變大，隨著輸入信號(hào)的逐漸變大，輸出信號(hào)放大倍數(shù)變小，當(dāng)信號(hào)大于2 V時(shí)(如圖7所示)，信號(hào)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(shí)的輸出電壓

圖7　輸入頻率100 kHz，輸入電壓為2.04 V時(shí)的輸出電壓

4結(jié)論

針對(duì)目前微波雷達(dá)測(cè)速調(diào)理單元的體積龐大，不易攜帶的缺點(diǎn)，提出了一種可以集成到PXI總線板卡上的新型設(shè)計(jì)方案，通過平板電腦內(nèi)的PXI總線來(lái)控制板卡上的模擬開關(guān)來(lái)控制板卡上的帶寬，對(duì)兩個(gè)不同帶寬的多普勒信號(hào)進(jìn)行處理，(輸入輸出信號(hào)通過BNC頭給定，對(duì)噪聲起到了很好的抑制作用，提高了信噪比，滿足了實(shí)際應(yīng)用時(shí)的需求。

參考文獻(xiàn)

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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(hào)：TN957.51

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)01- 0043- 03

作者簡(jiǎn)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