专利名称：宽带超高精度数字脉冲相移产生器的制作方法
技术领域：
本发明是一种数字脉冲产生技术，它以低成本和高集成度的数字、模拟混合电路实现了高精度、可稳定精细调整的宽带数字脉冲相移技术，该技术主要应用于超宽带雷达系统、高精度工业测量领域以及监控系统。
背景技术：
在早期的基本应用中，雷达系统发射音频脉冲并测量脉冲开始发射和从测量目标返回之间的时间差，从而确定被测目标和设备之间的距离。然而，普通成本的测量电路能够提供给雷达系统的测量精度也就在10％左右。
90年代中期Thomas E.McEwan等人发明了精确数字脉冲产生器，并连续加以改进，后来以较低成本的测量电路实现了0.1％测量精度的雷达设备，并申请了美国专利，专利号为5563605。该发明中，D/A器件产生可以较为精确调整步长的控制电流，用来确定接收脉冲和发射脉冲的时延；运放将该时延处理后产生反馈电流，形成伺服系统，以保证该时延较为精确的受控于控制电流。该发明不仅提高了雷达设备的测量精度和降低了雷达设备的成本，而且将该技术成功拓展进了工业测量领域。
不过，Thomas E.McEwan等人发明的精确数字脉冲产生器的精度基本是理论性的，因为伺服系统的反馈电流严重受到时延脉冲电压峰值电平的影响。在实际应用中，电源供电的精度很难超过0.5％；而且由于制造工艺的影响，不同批次的普通数字逻辑器件在同样电源供电的情况下，管脚输出脉冲的高电平也有较大差异。更不利的因素是，设备应用的场合有可能温度变化范围比较大，使得同一数字逻辑器件在同样的供电电源情况下，输出的时延脉冲峰值电平也可能具有较大的变化。这些因素很大程度影响的实际测量精度，使得该发明0.1％的测量精度难以达到。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本、高集成度的宽带超高精度数字脉冲相移产生器，它能够稳定的以高精度的步长精细调整参考脉冲和可变脉冲之间的相移，并能适应较大的供电电源变化和温度变化的影响。
一种宽带超高精度数字脉冲相移产生器，由可编程逻辑器件、乘法型D/A、滤波分压电路、延迟电路和伺服电路组成。
可编程逻辑器件选择低功耗、高频率和高集成度的器件。初始参考脉冲信号为周期性方波信号，输入到可编程逻辑器件，脉冲频率范围在200kHz～20MHz。外部控制中心可通过通讯总线对可编程逻辑器件进行参数配置，可编程逻辑器件根据参数配置的内容，按照设定的步长，将数字控制信号循环递增或递减，传送给差动电流输出型的乘法型D/A，并将参考电压经滤波和分压电路处理后送给该乘法型D/A作为该器件的参考电压。参考脉冲由初始参考脉冲经可编程逻辑器件缓冲后产生并输出，与初始参考脉冲频率相同且相位差固定。发射脉冲可由参考脉冲直接形成并输出，也可经参考脉冲和其加微小固定相移的反相脉冲相与后形成并输出，与参考脉冲相位相同。乘法型D/A将差动控制电流输出到伺服电路，伺服电路中的运算放大器具有高线性度和高开环增益的特征。伺服电路将时延脉冲形成的反馈电流和差动电流进行比较，并将二者的差异形成的反馈电压输出给由可编程逻辑器件的门电路和阻容器件组成的延迟电路，并因此改变时延脉冲的宽度，直至时延脉冲的宽度产生的反馈电流和差动电流相匹配。延迟电路将参考脉冲移相后形成相移脉冲，相移脉冲经可编程逻辑器件内部的门电路整形，整形后的脉冲可直接输出作为接收脉冲，也可和其加微小固定相移的反相脉冲相与后作为接收脉冲输出，接收脉冲和整形后的相移脉冲相位相同。时延脉冲在可编程逻辑器件内部由门电路对接收脉冲和参考脉冲作数字鉴相后产生。延迟电路产生的相移可精细调整，在时域上可对应到几个皮秒的量级。接收脉冲相对参考脉冲或发射脉冲相位可变，视为可变脉冲。
本发明提供了一种低成本、高集成度的宽带超高精度数字脉冲相移产生器，它能够稳定的以高精度的步长精细调整参考脉冲和可变脉冲之间的相移，并能适应较大的供电电源变化和温度变化的影响。本发明的接收脉冲和参考脉冲(或发射脉冲之间)的相位调整步长可优于0.01％，并且可以数字调整。本发明解决了反馈时延电平峰值对宽带数字移相技术的影响，在供电电源变化不超过±5％，温度在-40～+85℃范围内，测量精度超过0.1％，可以达到0.01％左右。加入控制和判断电路后，本发明可用于测量、监控和雷达系统。
图1是本发明的原理图。
图2是本发明参考电压直接由C5连到乘法型D/A器件的原理图。
具体实施方案一种宽带超高精度数字脉冲相移产生器，其特征在于包括可编程逻辑器件1、乘法型D/A 2、滤波分压电路、延迟电路和伺服电路。图1和图2是本发明原理的具体体现。
外部控制中心如MCU，可通过通讯总线对可编程逻辑器件1进行参数配置，可数字化设置相移步长，以及相位的扫描方式。外部控制中心同时给可编程逻辑器件1提供初始参考脉冲，初始参考脉冲为周期性方波信号，频率范围在200kHz～20MHz。
可编程逻辑器件1根据参数的配置内容，确定对乘法型D/A 2的控制参数，包括控制代码的步长、增减方向，以及控制代码的更新时间间隔。可编程逻辑器件1将初始参考脉冲缓冲并处理后输出到延迟电路，延迟电路将相移脉冲送回可编程逻辑器件1。可编程逻辑器件1根据参考脉冲和相移脉冲，将二者处理后转变为发射脉冲、接收脉冲、时延参考脉冲和时延脉冲。时延脉冲和时延参考脉冲输出到伺服电路。可编程逻辑器件1输出参考电压到滤波分压电路，可编程逻辑器件1的特性保证参考电压管脚与其它输出脉冲的管脚电气参数差异极小，可认为相同。参考管脚输出可为PWM信号，也可为高电平信号。
滤波分压电路由运算放大器4和阻容器件R6、R7和C5组成。可编程逻辑器件1的参考电压管脚输出的电压经R6、R7分压，并经C5滤波后送入运算放大器4，运算放大器4连成电压跟随器形式，输出电压作为乘法型D/A 2的参考电压，连接关系可参见图1。参考电压也可经C5直连到乘法型D/A 2的参考电压管脚，而运算放大器4不用，连接关系参见图2。两种连接关系的区别在于，前者输出驱动能力更强，可以不考虑乘法型D/A 2参考电压管脚的输入电阻的影响；后者成本更为低廉，但在应用中R6、R7的阻值分配应考虑乘法型D/A 2参考电压管脚的输入电阻的影响。
乘法型D/A2可选用差动电流输出型D/A器件，其输出的差动电流分别与控制代码和参考电压成正比例关系。乘法型D/A 2选用线性度较好的高分辨率D/A器件，如选择14位以上的D/A器件，且线性度在0.01％以上。乘法型D/A 2输出差动电流分别与控制代码和D/A参考电压成正比。乘法型D/A 2的差动电流输出端分别经电阻R3和R4连至运算放大器3的同相输入端和反相输入端。
延迟电路由可编程逻辑器件1内部的门电路和阻容器件C3、C4、R8和R3组成。可编程逻辑器件1输出的参考脉冲经R8和R5的分压后对C4充放电，运算放大器3的输出电压经C3滤波后经R5形成相对直流成分，给C4增加每次充放电的初始电位。在C4上形成的充放电脉冲为相移脉冲，送至可编程逻辑器件1管脚，并经可编程逻辑器件1内的门电路整形，可直接输出作为接收脉冲，也可再和该脉冲的加微小相移的反相脉冲相与后形成超高频脉冲(即超宽带脉冲)作为接收脉冲输出，接收脉冲相对参考脉冲相位可变，视为可变脉冲。因为相移脉冲是参考脉冲的充放电波形信号，故经门电路的门槛整形后，形成的信号与参考脉冲形成频率一致但相位有偏移的脉冲信号，相位偏移的程度主要由运算放大器3的输出电压决定。参考脉冲可直接输出作为发射脉冲，也可再和其本身加微小相移的反相脉冲相与后形成超高频脉冲(即超宽带脉冲)作为发射脉冲输出。
伺服系统由运算放大器3，电容器件C1～C2，以及电阻器件R1～R4组成。运算放大器3为高线性度、高增益的运放，以保证捕捉到反馈电流和差动电流的微小差异。发射脉冲和参考脉冲的相位由可编程逻辑器件1进行数字鉴相处理后，形成时延参考脉冲，时延参考脉冲的脉宽是发射脉冲和参考脉冲的相位差在时域的反映；类似，接收脉冲和参考脉冲由可编程逻辑器件1进行数字鉴相后形成的时延脉冲的脉宽是接收脉冲和参考脉冲的相位差在时域上的反映。而时延脉冲和时延参考脉冲的脉宽差是接收脉冲和发射脉冲相位差在时域上的反映。时延脉冲和时延参考脉冲分别通过R1和R2连至乘法型D/A 2的差动电流输出端；电阻R3的两端分别连至乘法型D/A(2)的差动电流输出端的一个管脚和运算放大器(3)的同相输入端，电阻R4的两端分别连至乘法型D/A(2)的差动电流输出端的另一个管脚和运算放大器(3)的反相输入端；C1连结运算放大器3的反相输入端和输出端，C2连接地电位和运算放大器3的同相输入端。由于运算放大器3的反馈平衡作用，电路稳定后，时延脉冲和时延参考脉冲在R1和R2上形成的平均电流差应和乘法型D/A2输出的差动电流相等。
在实际应用中，R1和R2阻值相等，亦即(ΔT/T)*(V/R)＝ΔI其中，ΔT为时延脉冲和时延参考脉冲相位的时间差，也可理解为接收脉冲和发射脉冲之间的相位差，T为脉冲重复周期，V为时延脉冲和时延参考脉冲的高电平，R为R1和R2的阻值，ΔI为乘法型D/A2输出的差动电流值，受控与控制代码。
上述公式可转变为ΔT＝ΔI/V*R*T此公式表明，在R和T固定的情况下，接收脉冲和发射脉冲的相位差，正比于ΔI/V。在此前的数字脉冲相移产生器电路中，本发明中的乘法型D/A2替换为一般类型的差动电流输出型D/A器件，ΔI只与控制代码成正比例关系，而V直接受电源电压变化和温度变化的影响。一般情况下，V变化范围可能超过5％以上。因此，此前的相移精确度达到0.1％实际应用中不太可能实现。
而在本发明中，由于采用乘法型D/A 2，并将可编程逻辑器件1管脚的电平分压、滤波之后作为乘法型D/A 2的参考电压，由此我们得到接收脉冲的相移特性ΔT＝k0*(code)*V/V*R*T上述公式可简化为ΔT＝k0*(code)/R*T其中k0为固定常数，由滤波分压电路和乘法型D/A 2的特性决定；code为可编程逻辑器件1传送给乘法型D/A 2的控制接收脉冲和发射脉冲相移的控制代码。
因此，接收脉冲和发射脉冲的相位差，消除了ΔT因V受电源电压变化和温度变化的影响而产生的误差，在R和T及k0固定的情况下，只取决于控制相位大小的控制代码code。
因为运放增益的线性度、D/A器件的线性度和电阻的阻值，在较大的温度变化范围内，都可用以较低成本将温度引起的误差降低到0.01％；在允许的范围内供电电源电压的变化以及温度变化而导致的可编程逻辑器件管脚电气特性的变化，不影响输出脉冲和发射脉冲(或参考脉冲)的相位差，所以，当选择14位以上的D/A器件后，输出脉冲即可变脉冲相对发射脉冲(或参考脉冲)的相移可精确受控于code，相移步长可达到周期的0.01％以上，而精度也能超过0.1％，达到0.01％左右。
权利要求
1.一种宽带超高精度数字脉冲相移产生器，其特征在于包括可编程逻辑器件(1)、乘法型D/A(2)、滤波分压电路、延迟电路和伺服电路。
2.根据权利要求1所述宽带超高精度数字脉冲相移产生器，其特征在于，外部控制中心可通过通讯总线对可编程逻辑器件(1)进行参数配置，外部提供的初始参考脉冲频率为200kHz～20MHz，可编程逻辑器件根据参数的配置内容，实现对乘法型D/A(2)的控制。
3.根据权利要求2所述宽带超高精度数字脉冲相移产生器，其特征在于，上述配置参数包括控制代码的增减方向、增减步长，以及控制代码的更新时间间隔。
4.根据权利要求1所述宽带超高精度数字脉冲相移产生器，其特征在于，所述滤波分压电路由运算放大器(4)和阻容器件R6、R7和C5组成，可编程逻辑器件(1)的参考电压管脚输出的电压经R6、R7分压，并经C5滤波后送入运算放大器(4)的同相输入端，运算放大器(4)连成电压跟随器形式，其输出端输出D/A参考电压，连到乘法型D/A(2)的参考电压管脚。
5.根据权利要求4所述宽带超高精度数字脉冲相移产生器，其特征在于，所述滤波分压电路中，D/A参考电压也可由C5直接连到乘法型D/A(2)的参考电压管脚。
6.根据权利要求1所述宽带超高精度数字脉冲相移产生器，其特征在于，所述乘法型D/A(2)为乘法型差动电流输出型D/A器件，可编程逻辑器件(1)的控制代码总线连至乘法型D/A(2)，乘法型D/A(2)的差动电流输出端分别经电阻R3和R4连至运算放大器(3)的同相输入端和反相输入端。
7.根据权利要求1所述宽带超高精度数字脉冲相移产生器，其特征在于，所述延迟电路由可编程逻辑器件(1)内部的门电路和阻容器件C3、C4、R8和R5组成，可编程逻辑器件(1)的参考脉冲输出管脚连至R8的一端，R8的另一端连接C4、R5和可编程逻辑器件(1)的相移脉冲管脚，C4另一管脚连至地电位，R5的另一管脚连至C3和运算放大器(3)的输出管脚，C3的另一管脚连至地电位。
8.根据权利要求1所述宽带超高精度数字脉冲相移产生器，其特征在于，所述伺服电路由可编程逻辑器件(1)内部的门电路、运算放大器(3)和电容器件C1～C2，以及电阻器件R1～R4组成，时延脉冲和时延参考脉冲分别通过R1和R2连至乘法型D/A(2)的差动电流输出端；电阻R3的两端分别连至乘法型D/A(2)的差动电流输出端的一个管脚和运算放大器(3)的同相输入端，电阻R4的两端分别连至乘法型D/A(2)的差动电流输出端的另一个管脚和运算放大器(3)的反相输入端；C1连结运算放大器(3)的反相输入端和输出端，C2连接地电位和运算放大器(3)的同相输入端。
9.根据权利要求1所述宽带超高精度数字脉冲相移产生器，其特征在于，所述伺服系统中R1和R2的阻值相等。
全文摘要
本发明涉及一种高集成度、超高精度的宽带数字脉冲相移产生器，它能够稳定的以高精度的步长精细调整参考脉冲和可变脉冲之间的相移，并能适应较大的供电电源变化和温度变化的影响。它由高集成度的可编程逻辑器件、乘法型D/A、高线性度的滤波分压电路、可精细调整相移的延迟电路、高线性度和高开环增益的运算放大器组成的伺服电路组成，可用于测量、监控和雷达系统。
文档编号H03K5/14GK101056098SQ200710090239
公开日2007年10月17日 申请日期2007年4月16日 优先权日2007年4月16日
发明者时启猛 申请人:北京华欣北仪科技发展有限责任公司