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  • 三种取样积分电路的比较和分析
    发布时间:2013-7-17

    取样积分电路包括取样和积分两个步骤,且将取样积分方法有很多种类。根据取样点的不同将取样积分方法分为单点式取样积分和多点式取样积分,单点式取样积分是指在每个周期内固定取样,且仅仅为一个取样点。采用此方法对信号进行取样积分时,需要经过太多的周期才能得到测量结果,这将大大降低了取样积分的效率。当被测信号为低频率微弱信号时,采样过程中要采样更多的点,即更多个周期,而过长的测量时间会因电容漏电因素而导致对生命信号的测量不准确。多点取样积分方式是指在每个周期内固定取样,但每次取样为多个取样点,这就大大提高了取样的效率。每个周期取样点数的多少都是由输入信号的频率和要求恢复信号的精度决定的,但要求积分器的多少与取样的点数相同。

     

    取样积分电路根据取样门的不同分为对称平衡取样积分电路和桥式取样积分电路等。各种取样门电路各有其优缺点,平衡取样积分电路是由两个采用共阴极集成的高速开关二极管接成对称结构,且两个门电路共用一个取样脉冲,后面的积分电路采用共模抑制比较高的差分放大器、电容和电阻构成线性积分电路;双管取样门电路是由两个快速二极管和电阻组成一个桥路,其中二极管一般都处于截止状态,由两个极性相反的取样脉冲对其二极管进行控制,后面的积分电路采用线性积分电路,其良好的对称性帮助其电路更好的实现取样积分;桥式取样积分电路是由四个二极管构成一个桥路,由幅度相等、极性相反的取样脉冲控制其桥式二极管的开关,后面积分电路采用最简单电容和电阻构成。综上所述,三个取样积分电路各有其特点:平衡取样积分电路是由一个取样脉冲对其电路进行控制,电路简单易设计,但其对取样脉冲宽度的要求很高;双管取样门电路则是由两个极向相反的取样脉冲对电路进行控制,且对电路的对称性要求极高。同平衡取样积分电路一样,其对取样脉冲宽度的要求极高,要求其取样门导通时间要小于被取样信号最高频率倒数的0.443倍;桥式二极管取样积分电路同双管取样门电路相同,双端取样脉冲进行控制,但其后面由电容构成的跟踪保持电路将大大放宽了对取样脉冲宽度的要求。

     

    由于受 A/D 数据处理速度的限制 ,实时采样只适用于频率相对较低的信号,例如小于500MHz ;对于微波信号 ,如果信号具有可重复性 ,则可利用等效采样方法实现低成本地接收 ,即在每个重复周期内进行适量次数(一般为一次) 的采样 ,然后综合所有采样 ,合成完整的输入信号。基于等效采样原理的超宽带接收机需包含取样门电路 ,常见的取样门通常由肖特基二极管组成双管对称结构或四管桥式结构。下面对几种典型取样电路分别进行分析,以试图为自己的UWB系统选择一种较为合适的取样门电路。

     

    一、双管取样门电路
    双管取样门电路的电路结构如下图所示,取样门电路由肖特基采样二极管D1和D2 、保持电容C1和C2以及保持电阻R1和R2组成。当一对极性相反幅度相同的取样窄脉冲信号pulse +与pulse - 通过电容C1和C2耦合至肖特基二极管时 ,二极管同时导通 ,取样门迅速打开 ,微波信号对保持电容C1和C2充电。极短的取样脉冲结束后,肖特基二极管迅速截止,存储于电容C1 和C2 上的电荷通过电阻R3和R4放电,将电容C1和C2上集聚的电荷转移至C3上,对微波信号进行取样积分,使C3两端电压与微波输入信号电压成一定比例,并反映了微波信号电压的大小和变化。图2中的pulse +与pulse - 为对称取样脉冲,由脉冲信号源经过微带魔T结构得到。在理论上 ,通过分析肖特基二极管的开关特性,可以计算得到接收机的取样带宽 ,取样门电路中肖特基二极管的等效电路如下图所示,其中C j和R d分别为二极管的结电容和结电阻 , R s 表示二极管的串联电阻,L p和C p分别为二极管的引线电感和引线电容。按照一般高速肖特基二极管的参数,假设仿真参数选为: R d =14Ω, R s = 6Ω, C j = 0. 2 p F。定义有效取样时间,其中tr为射频信号给肖特基二极管充电的上升时间, ta为取样缝隙时间。由于tr很小可以忽略不计, Ts ≈ta ,系统中ta大约为70ps。增益转换曲线可以表示为式中, Ch 和Rh分别为接收机取样电路中的保持电容和保持电阻。将相关参数代入,可计算得到本文设计的接收机的增益转换曲线。

     

    二、平衡取样门
    当取样门宽为 T g,取样次数为 N 时,则信噪比的改善为从上式可以看出,取样次数越多,信噪比的改善越大。而要增加取样次数,需要延长测量时间,即牺牲了时间来获取信噪比的改善。这种方法要求待测信号在测量其间保持稳定,同时也要求测量系统本身具有很高的稳定性。尤其在高时间分辨率情况下,这个问题变得尤为重要。而在实际中,存在着取样脉冲的抖动、脉冲宽度的变化、偏置电压的变化、取样脉冲的不对称和器件的老化等不稳定因素,使取样积分器的基线漂移,严重影响着取样积分器的性能。在基于取样积分器的近距离冲激雷达中,基线漂移可看作是取样接收机的噪声(平均值不等于 0),由于它的存在,限制了取样接收机灵敏度的提高,影响雷达的检测性能。平衡取样积分器采用高时间分辨率取样积分器,采用取样与积分分开的方法解决了采样电路中普遍存在的积累与取样的矛盾,即为了保证一定的带宽,提高雷达分辨力保证信号不失真,要求取样脉冲很窄,回路的RC积分电路时间常数要小而积累要求RC时间常数要大。其典型电路如下图所示:图为平衡取样积分器的电路原理图,两个单二极管接成对称结构,C l = C 2、R l = R 2、C 3 = C 4,二极管采用共阴极集成的高速开关二极管,两个门电路共用一个取样脉冲,放大器 A 一般选择共模抑制比较高的差分放大器。

     

    由于电路的对称性,正常情况下,偏置电压以及取样脉冲在差分放大器的输入端产生的电压大小是相等、极性相同的,所以在没有信号输入时,其输出等于零,当有信号输入时其输出为V0=k(V1-V2),式中k为差分放大器的增益。下面简要分析这种平衡取样积分器消除基线漂移的原理。消除偏置电压变化以及二极管参数变化引起的基线漂移。当偏置电压变化时,使得二极管 D l、D 2正极的平均电压发生变化,引起二极管工作点的变化,但由于电路的对称性,使其变化输出为零,从而消除了偏置电压变化引起的基线漂移。消除二极管参数变化引起的基线漂移。由于两个二极管在电路里是对称连接,各参数变化也是对称变化,所以合成变化输出为零,从而消除二极管参数变化引起的基线漂移。消除取样脉冲引起的基线漂移。当取样脉冲重复频率、脉冲宽度、脉冲幅度变化时,取样二极管工作点将发生变化,也会引起 C l、C 2上取样脉冲充电电压的变化,但由于电路的对称性,其变化量是相等的,由此引起 V l、V2变化也是相等的所以差放的输出为零,从而消除了取样脉冲引起的基线漂移。超宽带无线电引信接收机就是在取样积分原理的基础上增加微分环节,来实现目标回波信号检测。平衡式取样积分微分电路的输入端为天线送来的大小相同、极性相反的目标回波信号,取样脉冲为经过预定延迟、重复周期与发射信号相同的ns级窄脉冲。由于超宽带无载波信号的时域多普勒效应,回波信号的重复周期发生变化Tr=Td+2Tdv/c,将τ=2Tdv/c 称为时域多普勒信号。时域多普勒效应使得各周期回波与取样脉冲的时间相对位置发生变化,回波信号以τ步进依次通过取样门,相当于取样积分微分电路工作于扫描模式,从而得到形状与回波信号相似而时间上大大展宽的输出信号,经过差分放大和门限检测电路就可判定预定距离上有没有目标。取样积分微分电路可分解为两级电路串联而成,前一级是指数式取样电路,它由周期为Td,脉冲宽度为Tg的取样脉冲Vp控制二极管的工作状态,利用积分电路对输入信号进行取样;后一级是RC带通滤波器。其输出是一个与输入脉冲信号极性相反,波形相似,在时域上展宽的脉冲信号。

     

    取样脉冲对平衡式取样积分微分电路性能影响取样脉冲对平衡式取样积分微分电路性能影响取样脉冲对平衡式取样积分微分电路性能影响。闫岩、黄忠华等在其文献"取样脉冲对平衡式取样积分微分电路性能影响"中对平衡取样积分电路进行了时域和频域分析和仿真,得出了电路在非严格对称情况下的输出,并指出:
    1、取样、积分、微分电容的不对称会在电路输出端达到稳态前产生一个负脉冲,并且微分电容的偏差在这三种电容中是影响最大的一个。
    2、在电路对称的情况下选通脉冲的幅值大小在保证二极管导通的前提下不影响输出;但在电路非完全对称下,选通脉冲的幅值越小,在输出端的干扰负脉冲幅值就越小。
    3、选通脉冲的脉宽对信号输出有影响,一般选取0.3ns-1ns之间。且脉宽的大小和输出幅值不成线性变化,而是在中间某点有最小值。

     

    三、桥式取样门
    桥式二极管取样积分电路由四个二极管组成桥(如图5.4所示),其中A和B端输入的是一对极性相反,幅度相同的取样脉冲信号,C端则输入的是被取样的输入信号,D端则为取样结束后的输出信号,后面一般接一个储能电容Cl及负截电阻RL构成简单的积分电路。电路工作时,桥式二极管一般都处于截止状态,当桥式二极管的A、B端被输入极性相反的取样脉冲时,四个二极管全部导通,并对C端的输入信号进行取样,从D端输出被取样信号。当取样脉冲结束后,四个二极管又重新恢复截止状态,从而完成一次取样。取样门电路需要在输入端连接电阻Rl与前级电路匹配,这是由于其取样导通的时间极短,同时桥式二极管大部分时间都处于截止状态,从而导致其输入阻抗近似为无穷大。

     

    在桥式二极管电路中,当取样脉冲的幅度远大于被取样脉冲的幅度时,导通的二极管中的电流,可忽略被取样脉冲产生的电流,而只有取样脉冲来产生。其导通电阻也就为二极管的动态电阻,当取样脉冲输入A、B端口时,二极管导通,则被取样脉冲信号从C端可以通过二极管D3和Dl到达D端输出,或是通过二极管D2和D4到达D端输出,由于两通路的电流正负方向不同,从而导致其二极管的动态电阻会在一路增大,而在另一路减小,从而扩大了电路的线性范围,故其总导通电阻可近似的看为二极管的动态电阻rD。


    当桥式二极管导通时,随着被取样脉冲电压的增大,输出端储能电容Cl的电压也开始增大,而当被取样脉冲电压超过二极管的门限电压时,输出端储能电容Cl开始放电,从而出输出波形发生严重失真。故被取样脉冲的最大脉冲电压不能超过二极管的门限电压。最大输入电压为:

     

    其中vp是回波信号电压,Rs为信号源内阻,Rsp为脉冲信号源的输出电阻,RL是取样门电路的负载电阻。取样门工作时关键在其脉冲的对称性,理想状态下,电路完全对称得到电压相等且极向相反的控制桥式二极管的脉冲信号,从而完成对被取样信号的取样。在实际电路中,由于对称性的电路并不可能完全实现,从而导致取样的信号会有一些失真。因对称电路不能实现而造成的噪声,会降低取样后信号的信噪比,从而限定了桥式取样门电路动态范围的最小值。设取样信号的信噪比为SNRP ,定义脉冲幅度的不平衡比为Rp=2(|Vp+|-|Vp-|)/(Vp+-Vp-)其取样后输出端因电路不平衡造成的噪声电压约为:取样脉冲幅度的不平衡比及信噪比决定了最小输入电压,所以一般情况下采用传输线变压器来使取样脉冲比较对称。最大输入电压和最小输入电压决定了取样门电路的动态范围。一般情况下,取样门电路的动态范围约为50-60dB。

     

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