等效采样超宽带窄脉冲接收电路设计范文

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摘要:超宽带探地雷达在无损检测系统中得到越来越广泛的应用，接收电路是整个无损检测技术的关键。采用顺序等效采样技术设计了一款新型的窄脉冲接收电路，该电路可以利用低速A/D实现对高频信号的等效采样。利用ADS对该电路进行仿真，输入10MHz重复频率的2ns三角波信号，采样脉冲带有100ps的步进延时方波信号对输入信号进行采样。输入信号经过该电路后脉冲宽度降低为2μs，频率降低了1000倍。实测结果显示该电路可以实现对输入信号的等效采样，输出信号频率降低了200倍。

关键词:等效采样;超宽带接收机;无损检测;探地雷达

超宽带UWB(Ultra-wideband)探地雷达GPR(GroundPenetratingRadar)是利用电磁波信号来检测不可见物体内部的结构与形状。虽然超宽带无损检测的理论在很早就被人们所认识，但实用的系统在最近几年才渐渐发展成熟。超宽带探地雷达凭借其自身的技术优点在桥梁、道路、考古等领域有着广泛的应用。冲击脉冲体制下的超宽带无损检测系统接收的是超宽带脉冲信号，其脉冲宽度窄频谱宽，一般可达GHz。对超宽带系统使用实时采样的方式采集超宽带信号，那么采样频率至少要大于2倍的信号频率。此外由于超宽带脉冲的特殊性还需要在一个脉冲周期内至少采集7个样本点［1－5］。因此要实现超高速实时采样，采样精度和采样速率都要满足要求。目前常用的高速采样设备主要有数据采集卡、高速A/D等。从国内现有的A/D产品来看，采样精度和采样率往往是一对矛盾值，由于国外技术的封锁，国内现有的单个产品还不能同时满足超宽带脉冲采样的速度和精度要求。此外由于数据采集器体积大、价格昂贵，往往不利于系统的小型化与商业化。基于以上需求，本文设计了一款基于等效采样的超宽带窄脉冲接收电路，可利用低速A/D实现对高频信号的采样，降低采样系统的成本。

1电路设计

在整个超宽带无损检测系统中发射机和接收机是系统的关键，如图1所示。接收机系统由两级低噪放、等效采样电路、精密延时电路、采样脉冲产生电路以及差动放大电路等部分构成［6－7］，超宽带脉冲回波信号经过天线被接收后，由于回波信号幅度较低，需要经过两级放大电路进行放大，放大后的回波信号由等效采样电路进行采样与保持;同时采样脉冲信号由晶振产生，经过延时芯片实现步进延时，经过采样脉冲产生电路实现带有步进延时的窄脉冲信号控制等效采样电路;等效采样电路的输出信号经过差动放大电路放大后由A/D进行模数转换。

1．1精密延时电路

根据超宽带脉冲的设计指标，由于超宽带脉冲约为2ns，那么最佳的步进延时为100ps。为了满足系统的实测要求。由芯片类型可知，仅仅用单个芯片无法完成100ps的延时;那么可采用发射信号与采样信号之间的延时差来实现。选择MC100E196B芯片的10位控制，步进的精度为10ps。采用两路芯片之间的延时差便可以实现100ps。如图2所示，整个设计采用同一个时钟进行控制，这样使得发射与接收处于完全同步。晶振信号同时产生超宽带脉冲信号与采样脉冲信号，输出产生超宽带脉冲信号的方波信号经过延时芯片延时2．2ns，产生采样脉冲信号的方波信号延时2．3ns，这样便可以实现两个信号之间的延时差为100ps。 

1．2采样脉冲产生电路

随着半导体器件的发展，可以采用半导体器件内部的特殊载流子特性产生脉冲，主要有隧道二极管、阶跃恢复二极管以及雪崩三极管等常用的窄脉冲产生技术［8－9］。本文采用雪崩三极管单管放大电路，实现窄脉冲电路设计［10－11］。雪崩脉冲产生电路包括雪崩三极管、直流偏置电路和微分整形网络，方波信号经过微分整形网络提取脉冲的边缘，降低方波信号的占空比后作为雪崩三极管的输入信号，利用雪崩三极管的雪崩倍增效应结合整形网络整形后形成窄脉冲信号。整个电路如图3所示，雪崩电路由直流偏置电压VC、电感L1、电容C2、电阻R3、R4和雪崩晶体管Q1组成。其中雪崩三极管采用的是恩智浦公司的BFU530XR，这是一种低噪声、高带宽的射频晶体管。其特征频率fT为11GHz，雪崩击穿电压VCEO为12V，雪崩击穿电压VCBO为24V。电压源VC为雪崩三极管提供雪崩击穿的直流偏置电压，在方波信号到来之前使雪崩三极管处于临界雪崩状态。电感L1为电压滤波电感。在发生雪崩击穿之前，偏置电压对电容C2进行充电，其充电常数为：且R3的值不能太小，否则会导致雪崩三极管上的分压增大，从而导致整个雪崩电路的功耗增加。由于雪崩脉冲是负脉冲，采用肖特基二极管输出脉冲波形进行截取。由于肖特基二极管的反向截止时间非常短，正向导通时间到反向截止时间只需几十皮秒。因此可以用它实现将高于门限电压的信号通过，这个门限电压由Vd决定。

1．3等效采样电路

等效采样电路其本质是一个高性能的开关信号，由于三极管可以实现开关电路，因此本文提出使用三极管替代二极管，设计出了一个新型的等效采样电路，该等效采样电路不采用对称结构，使得整个设计更加容易实现。由于共发射级电路有:因此发射极电路基极电路受集电极影响较小，且射集跟随器的放大系数约为1。因此采用三极管电路可以实现采样保持。这种电路不仅可以增加输出信号的幅度，且可以有效的防止保持阶段的馈通而引起的毛刺。根据分析，可设计出等效采样电路如图4所示，它主要有三部分构成:直流偏置电路、等效采样电路、缓冲电路。与二极管采样电路相比，直流偏置电路对三极管电路影响更为重要，本设计中的直流偏置电路由R6、R7、R10、R11、C4组成。通过调节电阻R6的值可以控制三极管Q1、Q2、Q3的发射极电压，从而调节整个等效采样电路的直流偏置。由于在保持阶段，输入信号由Q2经过R6到地，为了防止输入信号向后级的馈通，这里R6、R7的值不宜过大，选用阻值为27Ω的电阻且与C6并联更有利于信号释放到地，防止在保持阶段向后级的馈通。等效采样电路由ps级采样脉冲经过Q4集电极输出信号和基极输入信号控制Q1、Q2、Q3构成。ps级采样脉冲经过Q4集电极输出便可以得到一个相位相反的ps级脉冲信号。这样就可以得到一对相位相反的采样保持脉冲，其中C5滤波电容取0．1μF，R9直流偏置电阻取100Ω。可以通过调节电阻R8、R9实现对采样脉冲幅度的调节:当输入信号为低电平时Q3导通，Q2截止，此时Q1处于导通状态，当Q1导通时对C3充放电，实现采样，同理当Q2导通，Q3截止，此时Q1截止时C3处于保持状态。这样便可以实现对整个被采样信号的跟踪保持。同时C3、R2的选择尤为重要，C3太大充放电效果不明显，C3太小则会导致保持不住。R2的阻值不宜太大，太大导致充放电受阻。本文C3设为47pF，R3设为300Ω。为了防止保持电容上的保持信号向后级放电，在保持电容后采用高性能的JFET(绝缘栅型场效应晶体管)结合电阻R3形成一个具有高输入阻抗、低输出阻抗的缓冲电路。由于JFET与MOSFET相比无需开启电压，因此在微弱信号采样时比MOSFET优势更为明显，此外R3的阻值可以取的大一些，本文设为1000Ω。

2系统仿真与测试

2．1系统仿真

超宽带脉冲接收系统主要用于对运动目标的探测，根据接收波形的变化分析出物体的运动特征。本文利用ADS中的信号源输出重复频率为10MHz脉冲宽度为2ns的三角波模拟超宽带脉冲对系统进行仿真。如图5所示，采用周期为100ns，上升沿为1ns，下降沿为1ns底部脉冲宽度为2ns的三角波模拟被采样信号;接收电路中采样脉冲产生电路是由晶振触发信号源产生窄脉冲信号，为了模拟采样脉冲信号输入占空比50%的方波信号作为采样脉冲触发信号，周期为100．1ns，其中100ps为延时差。输入2ns三角波信号经过该系统后输出信号可以恢复出输入信号的波形，且周期频率拉长为2μs降低了1000倍。

2．2系统测试

如图6所示，根据前面的分析，将整个系统在FR4板材上进行实现。采用10MHz晶振作为采样脉冲与超宽带脉冲信号的触发信号，经过等效采样电路后，输出级采用模数转换ADS822芯片对等效采样后的信号模数转换。通过示波器对等效采样后的波形观测。由图7可知，输入200mV左右的10MHz弦信号，经过多个周期的采样后输出信号频率约为1MHz，且在每个周期内等效采样系统对输入信号采一个点，并且在下一次采样之前处于保持状态，经过多个周期后可以恢复出正弦信号的波形。从实测结果可以看到系统可以对信号实现很好的跟踪保持，仿真与实测结果都可以证明该系统的可行性。基于等效采样的超宽带窄脉冲接收电路完全可以实现对超宽带脉冲的等效采样，可利用低速A/D实现对回波信号的采样。有利于降低整个雷达系统的成本。为了验证本设计的优点，表1对常见的采样技术进行对比分析，可以看出，在检测误差可以接受的范围内，本方案大幅降低了接收机的采样成本。

3总结

超宽带探地雷达可应用于多个领域，本文基于顺序等效采样原理设计的窄脉冲接收电路可以采用低速A/D实现对高频信号的数据采集，降低整个系统成本，有利于探地雷达系统的商业化。

作者：蔡志匡 石国伟 齐轩晨 林文华 肖建 单位：南京邮电大学电子与光学工程学院