基于某雷达数据记录器的信号源设计【精品毕业论文】 .pdf

图书分类号 i j d c t n 4 3 i 2密级芷娟3 硕士学位论文 基于某雷达数据记录器的信号源设计 高荣惠 指导教师( 姓名、职称) 割僮! 麴攫甄国通j 副麴援 申谓学位级别 王主甄 专业名称撞蜜堡器壁担撼 论文提交日期 2 q 塑 年 !月垫日 论文答辩日期 2 0 0 6 年 3月2 5 日 学位授予日期年月日 论文评阅人 答辩委员会主席 2 0 0 6 年3 月2 4 日 中北大学学位论文 基于某雷达数据记录器的信号源设计 摘要 数据采集记录设备是某所委托本实验室研制的用于采集记录雷达信号的装 置。为了检测数据采集记录设备的正确性，配合该设备的设计、生产及研制过程， 本实验室设计了该装置的检测设备。由检测设备提供数据采集记录设备所需的所 有输入输出信号，包括电源、信号源、读数及信号判读等功能。由于雷达数据采 集记录设备对信号要求的特殊性，本论文重点介绍该采集记录设备的信号源的设 计。 本文在调研信号源设计方法的基础上，对信号源进行了系统方案设计、系统 硬件设计、系统软件设计、抗干扰设计等工作。研制完成的信号源系统能够完成 控制信号、模拟信号、时钟信号的生成以及系统电源模块等功能。 在信号源设计中，为了提高信号源设备的灵活性，采用了模块化设计方法， 利用大规模逻辑器件f p g a 和c p l d 作为中心控制器，研制了一个特定的信号 源。本文详细介绍了各个功能模块的硬件设计途径及其实现的关键技术。其主要 功能模块包括：中心控制逻辑模块、低速信号源d a 转换电路模块、低速信号源 采样保持放大电路模块、高速信号源时钟信号差分输出电路模块、高速俯冲信号 源差动滤波放大电路模块及供电电源模块。 另外，文章根据系统可靠性要求较高的特点，考虑了系统中可能出现的干扰 设计了相应的抗干扰措施，包括电源抗干扰设计、p c b 板布局抗干扰设计、中心 控制逻辑的抗干扰设计和系统软件的抗干扰设计等等。 关键词：数据采集记录，信号源，f p g a ，c p l d ，抗干扰 中北大学学位论文 t h ed e s i g no fs i g n a l ss o u r c e b a s e do nac e r t a i nr a d a rd a t ar e c o r d e r a b s t r a c t d a t ag a t h e rr e c o r d e ri sa ne q u i p m e n tu s e dt og a t h e ra n dr e c o r dr a d a r s i g n a l t h i si sad e s i g nd e p a r t m e n tc o n s i g nt h i sl a b o r a t o r yt od e v e l o p i no r d e rt om e a s u r ed a t ag a t h e rr e c o r d e re q u i p m e n t s c o r r e c t n e s s ，t h e l a b o r a t o r yd e s i g nam e a s u r ed e v i c et os a t i s f yt h ed e s i g n ，p r o d u c ea n d m a n u f a c t u r e t h ee q u i p m e n tp r o v i d e da l lo fi n o u ts i g n a lt od a t ag a t h e r r e c o r d e re q u i p m e n t i tc a np r o v i d ep o w e r ，s i g n a ls o u r c e ，r e a d i n gf u n c t i o n a n ds i g n a ld a t a sj u d g ef u n c t i o n ，e t c d u et or a d a rs i g n a lg a t h e rr e c o r d e r e q u i p m e n t sp a r t i c u l a r i t y ，t h ep a p e rm o s t l yi n t r o d u c e dg a t h e rr e c o r d e r e q u i p m e n ts i g n a ls o u r c e sd e s i g n b a s e do nt h ed e s i g nm e t h o do fi n v e s t i g a t e ds i g n a ls o u r c e ，t h ep a p e r i n t r o d u c e ds i g n a l ss o u r c ef r o ms y s t e ms c h e m ed e s i g n ，s y s t e mh a r d w a r e d e s i g n ，s y s t e ms o f t w a r ed e s i g na n da n t i j a m m i n gd e s i g n t h ed e v e l o p e d s i g n a ls o u r c es y s t e mc a na c h i e v et h es i g n a l so u t p u ts u c ha sc o n t r o l s i g n a l s ，a n a l o gs i g n a l s ，c l o c ks i g n a l sa n ds oo n ，a n da c h i e v et h ef u n c t i o n o fp o w e rs u p p l ym o d u l e i nt h ed e s i g no fs i g n a ls o u r c e ，t h ep a p e rm a d eu s eo ft h em o d u l a r i z e d d e s i g n ss c h e m ei no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e m a t i cf l e x i b i l i t y i tm a d e u s eo ff p g aa n dc p l da st h ep a r t so f s y s t e m sc e n t e rc o n t r o ll o g i c a p p a r a t u sa n dd e v e l o p e das p e c i f i c a l l ys i g n a ls o u r c e i ti n t r o d u c e dt h e d e s i g no fh a r d w a r ei ne v e r yf u n c t i o nm o d u l ea sw e l la sk e yt e c h n o l o g y r e a l i z e di nd e t a i l 。i t sm a i nf u n c t i o nm o d u l e si n c l u d e ：c e n t e rc o n t r o l l o g i cm o d u l e ，l o ws p e e ds i g n a ls o u r c ed ac o n v e r s i o nc i r c u i tm o d u l e ，l o w s p e e ds i g n a l s o u r c es a m p l i n gk e e pm a g n i f yc i r c u i tm o d u l e ，h i g hs p e e d s i g n a ls o u r c ec l o c ks i g n a ld i f f e r e n c eo u t p u tc i r c u i tm o d u l e ，h i g hs p e e d d i v e rs i g n a ls o u r c ed i f f e r e n t i a ls t r a i nw a v em a g n i f yc i r c u i tm o d u l ea n d 中北大学学位论文 p o w e rs u p p l ym o d u l e i na d d i t i o n ，t h ep a p e rc o n s i d e r e dt h ej a m m i n go fp o s s i b l ya r i s e na n d d e s i g n e da n t i - j a m m i n gm e a s u r e m e n t sc o r r e s p o n d i n ga c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co fh i g hr e l i a b i l i t yr e q u i r e i ti n c l u d e se l e c t r i c a ls o u r c e d e s i g n ，p c bb o a r da r r a n g e m e n t ，c e n t e rc o n t r o ll o g i cd e s i g na n dt h e a n t ij a m m i n gd e s i g no fs o f t w a r e ，e t c k e yw o r d s ：d a t ag a t h e rr e c o r d ，s i g n a ls o u r c e ，f p g a ，c p l d ， a n t i - j a m m i n g 中北大学学位论文 1 1 课题的来源及性质 第1 章绪论 雷达数据采集记录设备是某所委托本实验室研制的用于采集记录雷达图像信号的 装置。为了检测数据采集记录设备的正确性，配合该设备的设计、生产及研制过程，本 实验室设计了该设备的检测设备。由检测设备提供数据采集记录设备所需的所有输入输 出信号，包括电源、信号源、读数及信号判读等功能。由于雷达信号采集记录设备要求 信号的特殊性，本文针对这样一个雷达图像数据采集记录设备，对其信号源进行了设计。 本论文重点介绍该信号源的设计。 1 2 信号源的研究现状与发展趋势 信号源一般指产生特定信号的设备。信号源设计可以提供特定信号的仿真，便于人 们对信号进行采集分析处理。在信号处理领域占有重要的位置。 近年来，随着电子技术的发展，各式各样的信号源在生产、教学、科研实践中得到 了广泛的应用，从一般通用的信号源到某种特殊功能的信号源，不外乎两种方法来实现： 模拟方法和数字方法。在实际应用中，我们除了需要产生一些规则的信号如正弦波、方 波、三角波、脉冲波之外，。有时还需要一种能产生各种不规则信号的仪器一任意波形发 生器( a w g ) ，来模拟系统中各种瞬变波形，如电子设备中出现的各种干扰杂波；生物电 子工程中常见的各种生物电波；人体中的各种信号波，如心脏跳动过程：通信领域中的 各种模拟和数字调制信号如调幅波、调频波、调相波等。 目前，信号源多采用数字方式来实现。一般利用数字技术及计算机技术产生各种所 需信号，通过使用计算机编程的方法设置所要产生的信号的参数，从而实现各种信号的 生成。由于信号源的软件和硬件的设计采用模块化设计方法，使得模拟信号源具有一定 程度的灵活性，在一定程度上满足了对信号源可能发生变化的需求【lj 。具体的设计上常 采用微处理器和d s p 技术提高系统性能；采用工业标准的总线结构以及模块化设计使信 号源具有良好的通用性、兼容性以及可扩充性。 中北大学学位论文 信号源的用途广泛，设计方式灵活，下面主要介绍两种较有代表性的信号源设计方 法： ( 1 ) d d s ( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 技术【2 】 随着电子技术的发展，各类电子系统对信号源的要求越来越高，需要同时满足快捷 变频、高频率分辨率、宽带、小体积、低功耗、低相位噪声等指标。 l a w r e n c ej k u s h n e r 在1 9 9 3 年提出了一种新型复合式d d s 结构。它由一个低频高分 辨率的d d s $ 口一个高频、低分辨率的相位累加器构成，其中低频部分提供了d d s 的细调， 高频部分提供粗调。它具有高频、低功耗的特点。n a t h a l i c ，c a g l i o 等人在1 9 9 3 年介绍 了一种时钟频率为i 2 5g h z 的连续波调频( f m c w ) g a a s d d s ，它由一个双相位累加器和 一个单片数模正弦转换器构成。1 9 9 4 年，l o k e ，k u n ，t a n 等人介绍了利用正弦和余弦的 对称性改进存储技术，使之在不增加r o m 的容量下，做成2 0 0 m h z 正交输出d d s 的方法( 3 j 。 d d s 由于具有极高的频率分辨率，极快的变频速度，变频相位连续，相位噪声较低， 易于功能扩展和全数字化便于集成等优点，随着理论的不断完善和集成工艺技术的发 展，d d s 已走向实用，走向商品化。 由于任意波形发生器具有能方便产生任意波形的能力，因此成为现代测试领域内 最常用的测试仪器。目前，任意波形发生器的设计分为基于传统的设计方法和基于直接 数字频率合成的设计方法两种。传统的任意波形发生器采用可变时钟和计数器寻址波形 存储器表，其取样时频率较高，对硬件的要求也较高，而且常需多级分频或高性能的锁 相疆，其中分频式的任意波形发生器频率分辨率低，锁相式的任意波形发生器频率切换 速度慢。而基于d d s 技术的任意波形发生器不仅能实现高稳定度、高精度、高分辨率的 要求，还具有体积小、价格便宜的特点，是一种很有发展前途的信号源。 ( 2 ) 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 技术1 4 】 数字信号处理器以其独特的结构和快速实现各种数字信号处理算法的突出优点，发展 十分迅速，在通信、雷达、声纳、语音合成和识别、图像处理、影视、高频拄制、仪器 仪表、医疗设备、家用电器等众多领域获得了广泛的应用。随着计算机技术和超大规模 集成电路工艺的不断发展，d s p 芯片的性能价格比不断提高，开发环境更加完善。可以 预计，d s p 将渗透到更多的领域，应用将更加广泛。而d s p 处理器以其n s 级指令系统和哈 佛结构显著的计算能力和实时性，正逐渐应用到电力系统中来，必将成为未来电力行业 中北大学学位论文 的热点。 无论是模拟系统还是数字系统，在测量系统性能时，通常需要产生发射或传输信 号的信号源。根据测量对象，目的的不同，要求信号源的特性也有所不同。随着科学的 发展，建立良好的开放性、通用性和可扩展性的信号源一直是现代信号源追求的目标。 d s p 矛l j 计算机结合使这种信号模拟源成为可能，美国原惠普公司研制的h pf a s s 系统，该 系统利用高频直接数字合成器和上变频器为通讯测试系统提供了各种类型的信号，其产 生的信号的开放性、灵活性和复杂性是传统信号源难以实现的，为通讯系统性能测试提 供了便利的手段【5 j 。 无论是通用的信号源还是专用的信号源，在实现的技术手段和设计方法上是一致 的。随着芯片设计技术的不断突破，芯片设计的自动化程度将不断提高，用d d s 与p l d 等 芯片集成的专用a s i c 信号源芯片、微型程控式任意波形信号源专用芯片也即将面世，它 具有高稳定度、高精度、高分辨率、高频建立信号等优点，是信号源发展的方向，因此 必将带来信号源技术的一大革命。 本文在调研信号源设计方法的基础上，针对课题中某雷达采集记录器的信号源信号 输出形式的特殊性，采用模块化设计方法，利用大规模逻辑器件作为中心控制器，研制 了一个特定的信号源，为该雷达采集记录器任务的顺利完成提供了保障。 1 3 论文的内容及特色 本论文研究的信号源是基于雷达图像记录器设备的信号源。论文主要对该信号源系 统进行了系统研究，从系统方案论证、系统硬件设计、系统软件设计、抗干扰设计等几 方面，全面论述了该系统的特点与功能。本论文主要研究两个信号源，基于高频数据采 集器和多通道记录仪而设计制作的高频信号源和低频信号源，研制完成的信号源系统利 用大规模逻辑器件作为中心控制器，实现了雷达图像信号中视频模拟信号和多路缓变信 号的模拟。论文的基本研究内容如下： 1 高频信号源的功能： ( 1 ) 提供6 路视频模拟信号； ( 2 ) 提供+ 2 8 v 电源； ( 3 ) 提供距离门信号d g 、调制器加电信号s 2 、脉冲选择信号p w s 三路t t l 信号： 中北大学学位论文 ( 4 ) 提供6 0 m h z 时钟信号。 2 低频信号源功能： ( 1 ) 提供1 6 路模拟信号； ( 2 ) 提供2 8 v 电源，输出电流可达1 5 a ： ( 3 ) 提供s 1 、s 2 、d g 、t r e f 、p w s 等1 6 路t t l 信号： ( 4 ) 提供备用2 8 v 电源，其目的是在飞机无法供电情况下通过此备用2 8 v 电源来 供电读数。 雷达数据采集记录设备信号源在实际的生产与试验中发挥了重要的作用，综合本 文，其主要有如下特点： 1 、给出了雷达数据采集记录设备信号源系统的系统构成，论述了信号源系统中的 各环节的关键技术、难点问题和解决方案： 2 、介绍了利用f p g a c p l d 来实现对产生信号的控制，并联系实际调试过程中所遇 到的问题提出了问题产生的根源及其解决方案； 3 、重点介绍了d a 转换电路的设计、保持放大电路( 信号调理电路) 的设计以及 高频差动滤波放大电路设计并成功地应用于雷达图像记录器的单元测试。 4 、从系统原理、p c b 板、机械结构等方面对系统的抗干扰性设计进行了研究。 中北大学学位论文 第2 章信号源系统总体设计 21 信号源系统一般设计过程 设计开发一个信号源系统的一般设计流程如图2 1 所示，设讨开发过程通常包括以 下几个阶段鸭 ( 1 ) 需求分析 需求分析阶段研究的对象是该信号源系统的用户要求，只有经过确切描述的需求才 能成为信号源系统设计的基础。 ( 2 ) 确定设计任务 首先根据信号源系统最终要实现的设计目标，编写设计任务书，明确信号源系统应 典备的功能和应达到的目标。设计任务鹌是技术人员进行设计的基础，应力求准确简洁。 ( 3 ) 拟定总体设计方案 把信号源系统划分为若干个便于实现的功能模块，并分别绘制出相应的硬件和软件 工作框图。设计时应该根据信号源系统性能价格比、研制周期等因素对硬件、软件的 选择做出合理安排。 ( 4 ) 硬件电路和软件的设计与调试 硬件设计的一般过程是：先根据信号源系统硬件框图按模块分别对各单元电路进行 屯路世计；然后再进行硬件合成，即将各单元电路按硬件框图组合在一起，构成个完 整的整机硬件电路图。在完成电路设计之质，即可进行绘制电路板，然后进行装配与 调试。 软件设计一般按下列步骤进行：即先分析信号源系统对软件的要求；然后在此基础 上进行软件总体设计，包括程序总体结构设计和对程序进行模块亿设计，模块化设计 即将程序划分为若干个相对独立的模块；接着画出每一个专用模块的详细流程图，并 选择合适的语言编写程序；最后按照软件总体设计时给出的结构框图，将各个模块连 接成一个完整的程序。在主程序中要台理地调用备模块程序，特别注意各模块入口、 出f 1 及对硬件资源占用情况。软件调试也是按模块分别调试，然后再连接起来进行总 调。 中北大学学位论文 图2 1 设计开发信号源系统的一般过程 ( 5 ) 整机联调 当硬件、软件分别装配调试合格后，就要对硬件、软件进行联合调试。调试中可能 会遇到各种问题，若属于硬件故障，应修改硬件电路的设计：若属于软件问题，应修 改程序；若属于系统问题，则应对软件、硬件同时进行修改，如此往复，直至合格为 上e 。 6 中北大学学位论文 22 信号源系统的组成及工作方式 221 信号源的组成 一高频信号源 高频信号源可以按导引头与记录器接口的关系，模拟产生导引头控制信号，6 路i 、 q 信号、6 0 m h z 时钟信号。高频信号源用于对记录器及阻抗变换装置的检测。高频信号 源原理框图如图2 2 所示。 g r , 厍l 模拟控制接口 6 0i |导引头视频信号 2 8 v | | 2 8 v 电源d os 2p w s lm h z i 1 1 q 1 1 2 q 2 1 3 q 3 直 流 电 源 中心控制逻辑 雏涨 2 2 0 v 5 0 h z 电源插座 面板 6 0 m h z 晶体震荡 图2 2 高频信号源原理框图 二低频信号源 低频信号源可以按导引头与记录器接口的关系，模拟产生导引头1 6 路模拟信号、 提供2 8 v 电源，1 5 a 、提供s 1 、s 2 、d g 、t r e f 、p w s 等1 6 路t t l 信号。低频信号源 原理框图如图2 3 所示。 2 8 v | | d b 2 5 座针 8 d b 2 5 座孔 备用| | 1 2 路 i 另8 路 厂_ j l2 8 v 开关量s is 2 d g t 旺f8a g c v k zv y c d c m l d c m 2 d c m 3f yf z 模拟量 醛 中心控制逻辑 m h z 晶体 震荡器 内部电源 洲眺驯雌咎 r o m 波形存储器 图2 3 低频信号源原理框图 中北大学学位论文 2 2 2 信号源的工作方式 一高频信号源 高频信号源用于对高频数据采集设备的自检。该信号源的是利用硬件描述语言 ( v h d l ) 对中心控制逻辑进行编程，将程序下载到外部存储器e p c 2 中，系统上电后，e p c 2 采用主动串行配置方式对f p g a 进行配置，从f p g a 输出的数据经差动滤波放大电路获得所 需要的6 路视频模拟信号。导引头控制信号以及6 0 m 时钟信号由中一i l , 控制逻辑f p g a 输出。 自检状态下，信号源与高频数据采集器及计算机的连接图如图2 4 所示。信号源工 作按表1 所示的关系进行。 阻抗 计算机u s b 营蓑 信驽w t ) 变换 1 读数电缆 7 盒 w s 高速w 6 ，w 7 ，w 8 数据 号 鸯 w 4 j 采集 源 设备 外接后备2 8 v 电源 6 0 m h z 导引头信号及电源 r w 2 图2 4 自检状态硬件连接图 表1 信号源控制信号和所产生信号的关系表 、控制信号r s ts 2m o d e lm o d e 2 是否产生嘉沁o x x x1 0 x x1 1 0 01 1 1 01 1 0 11 l l i 、 p w s 否否否 是是否 d g 否否否是是否 产生频产生频 率为率为 视频模拟信号 否 是 否 否 1 0 m 的1 m 的 信号信号 从表l 可知，信号源控制信号和所产生信号的关系为：1 r s t 信号：当产生此信号 中北大学学位论文 的开关拨至“复位”位置时，实现对f p g a 的复位，此时所有计数器清零，当拨至“启 动”位置时，f p g a 处于工作状态。 2 调制器加电信号s 2 ：当产生此信号的开关拨至“停止”位置时，产生d g ，p w s 信号的计数器清零，不输出d g 及p w s 信号，但此时。当拨至“启动”位置时，正常 产生d g 门信号和脉宽选择信号p w s 。 3 模式选择信号m o d e l 和m o d e 2 ：当m o d e l 为高且m o d e 2 为低时，导引头 视频信号为频率是1 0 m h z 的信号，当m o d e l 为低且m o d e 2 为高时，导引头视频信 号为l m h z 的信号。当二信号同时为高，或者同时为低时，f p g a 的所有计数器清零。 4 所用的信号指示灯都是此信号为高时亮。 二低频信号源 低频信号源完成多路模拟信号的生成和输出。信号源设计是利用硬件描述语言 ( v h d l ) 编程，将各路波形的数据存于存储器中，当需要波形仿真时，通过逻辑控制 电路选通存储器，自动发出波形数据，经d a 变换成模拟信号，经电压保持后输出所 ：， 需波形。这种设计方法的核心是软件算法的处理，应用十分灵活，它的电路基本固定， 只要改变软件数据，就可以输出信号的参数，如形状、频率幅度、相位等，它不仅对许 多规则信号是有效的，而且还可用于许多非规则的或组合的信号。信号源发生电路主要 由d a 转换器、运算放大器和通道切换模块。 信号源设备上电后，受s l 信号的控制，在s 1 信号未来临之前( s 1 = 0 ) ，整个系 统处于复位状态；当中心控制逻辑部分检测到s 1 信号来临之后就开始工作。在1 m 的 时钟作用下，按照要求向d b 2 5 座针接口输出1 6 路数字量；同时，中心控制逻辑部分 读取r o m 波形存储器中的数据，通过d a c 模块转换成模拟量，在和电子开关( a d g 5 0 6 ) 控制信号的时序配合下，按照设计的要求向d b 2 5 座孔接口输出1 6 路模拟量。 23 信号源系统的技术指标 一高频信号源 1 6 路视频模拟信号( i ，q 信号) 分析 如图2 5 所示，输出接口：6 路视频模拟信号，d b 2 5 z k 插座，六路，输出阻抗1 k q 。 信号幅度：i ：2 v ，带宽1 0 m h z 及1 m h z 可调。波形：1 1 = 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 ，1 2 = 0 0 t 1 0 1 1 0 0 1 ， 1 3 = 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 ，q 1 = 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 ，q 2 = 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 ，q 3 = o l o o o l o l l l 中北大学学位论文 厂 厂 广 厂 厂 r r 厂 r 厂 厂 门厂 厂 r 厂 皿厂 门 门厂 n t 2 0 几厂 n n 厂 n n 厂 厂 n 厂 厂 - ：t 1 ：- nn 厂 nn 厂 一_ - 一t 2 j j 一 一图2 5 ，6 路视频模拟信号波形 其中，当t 2 为1 0 1 a s 时，t 1 为l g s ；1 “ 2 为1 1 t s 时，t l 为l o o n s 。 2 时钟信号分析 输出接口：s m a 插座，一路。 输出信号参数：信号频率6 0 m h z ，功率7 d b m w 。 3 距离选通门i ) g 分析 该信号可以作为数据采集设备采集信号时的触发信号。如图2 6 。 输出接口：导引头模拟控制接口，d b 2 5 z j 插座，一路。 输出信号参数：频率l k h z ，t 3 = l m s ，t t l 电平( 负脉冲) ，可以驱动光隔，驱动 电流6 一1 0 m a 。 o 中北大学学位论文 距离门宽度： 搜索波门：t 2 = 1 7 2 p s ，搜索时间为1 0 s 。 跟踪波门：t 2 = 3 0 t s ，跟踪时间为5 7 6 s ；窄脉冲工作模式时的跟踪波门为t 2 = 8 1 a s ， 窄脉冲跟踪时间为1 4 s 。 式。 s 2 波门 p w s f = 二= 二二二i = = 生； 厂 里r 广 厂7 厂 一一一一一一t 3 一一一一 广一 图2 6控制信号波形 4 调制器加电信号s 2 分析 该信号高电平时表示雷达发射机调制器加电，即导引头开始正式工作。 输出接口：导引头模拟控制接口，d b 2 5 z j 插座，一路。 输出信号参数：t t l 电平，可以驱动光隔，驱动电流6 - 1 0 m a 。 t 1 姜6 0 0 s 。 5 脉宽选择信号p w s 分析 低电平时表示导引头系统处于宽脉冲工作模式，高电平时表示处于窄脉冲工作模 输出接口：导引头模拟控制接口，d b 2 5 z j 插座，一路。 输出信号参数：t t l 电平，可以驱动光隔，驱动电流6 - 1 0 m a 。 s 2 上升沿后，第5 8 6 秒变高 二低频信号源 1 1 6 路t t l 信号分析 输出接口：d b 2 5 插座，1 6 路t t l ，单芯屏蔽。 其中d g 、t r e f 见图2 7 ；s l 、s 2 、p w s 的波形见图2 8 。 其它信号为以1 h z 递增的二进制数据，都可以驱动光隔，驱动能力6 - 2 0 m a 。 中北大学学位论文 厂 厂 厂一 t 2i - 一一 ；一一t 2 一一 h ”业门几 图2 7 d g 、t r e f 波形 图2 7 中：t i = 1 7 2 3 0 8 9 s 、t 2 = l m s ，t 3 = l t x s 。 输出信号参数：频率l k h z ，t 2 = l m s ，d g 为负脉冲，t r e f 为正脉冲，均是t t l 电 平，可以驱动光隔，驱动电流6 1 0 m a 。 波门宽度：t l = 1 7 2 1 t s ，持续时间为1 0 s ；之后t l = 3 0 1 t s ，持续时间为5 7 6 s ；最后进 入窄脉冲工作模式，此时t l = 8 1 t s ，持续时问为1 4 s 。 厂_ _ s l| + t 4 - s 2卜一- - t 5 - r w s 二：! !： 图2 8 s 1 、s 2 信号波形 其中t 4 6 0 0 s ，t 5 = 6 0 0 s ，t 6 = 5 8 6 s 。s 2 上升沿后，d g 波门开始计时，并对t 1 宽度 进行按时间调整。都可以驱动光隔。 2 1 6 路模拟信号分析 1 6 路模拟信号均是直流连续，经运算放大器得到符合参数值变化范围要求的信号。 3 2 8 v 备用电源分析 采用备用电源2 8 v 的目的是：防止设备无法供电情况时使用。 中北大学学位论文 第3 章信号源系统硬件模块设计 31 供电电源模块设计 在硬件电路设计中，电源是电路能否正常工作的关键环节，电源模块用来完成交流 电源到直流电源的转换，为整个信号源系统逻辑器件提供工作电源，为数字电平信号提 供参考电压。 信号源系统中使用的是直流电源，其组成如图3 1 所示。 电全滤 稳负 源 桥波压 变 整 电电 压 流路路载 器 图3 1 直流电源组成 具体体现在各个电源模块的原理图中。由单相桥式整流加电容滤波组成的直流电 源，其输出电压随电网电压和负载电流变化，并具有1 0 0 h z 的纹波。然后经过稳压电 路，就可以获得所需的直流电源。其中，滤波电路的作用是消除全桥整流产生的脉动电 压中的交流成分，保直流。采用电容器滤波，其作用一方面，电容器的x c ( = l c o c ) 与 信号频率成反比，对输出电压的直流分量，电容相当于开路。对输出电压的交流成分的 基波及频率更高的谐波，只要c 的电容量选的足够大，其x 。可以很小，相当于短路。 这样，在负载电阻上就保留了输出电压的直流成分，滤掉了交流成分。另一方面，可以 归结为电容的储能和放能作用1 7 】。 设计电源时，必须注意电源的负载能力、电压的稳定度及波纹系数等。基于以上考 虑各因素，选择电源至关重要。线性电源和开关电源是最常用的两种供电电源。线性电 源的调整管工作在放大状态，因而发热量大，效率低( 3 5 左右) ，尤其是在输入电压 较高时，需要加体积庞大的散热片，而且还需要同样也是大体积的工频变压器，当要制 作多组电压输出时变压器会更庞大。开关电源的调整管工作在饱和状态和截止状态，因 而发热量小，效率高( 7 5 以上) 而且省掉了大体积的变压器。但开关电源输出的直流 中北大学学位论文 上面会叠加较大的纹波( 5 0 m va t5 vo u t p u tt y p i c a l ) ，并且开关管工作会产生很大的尖 峰脉冲干扰。当纹波电压达到1 0 0 m v 时，测得的数据就会有串扰现象。开关电源有旗 杆状的脉冲纹波，普通开关电源的这种纹波达几毫伏到几十毫伏，最高可达几百毫伏。 相对而言线性电源的纹波可以做得很小( 1 0 m v 以下) 。总的来说：对于电源效率和安 装体积有要求的地方用开关电源为佳，对于电磁干扰和电源纯净性有要求的地方多选用 线性电源。故本设计采用线性电源三端集成稳压器。 三端集成稳压器可分为输出固定和输出可调两大类。固定式三端稳压器的通用产品 有c w 7 8 x x ( 输出正电压) 和c w 7 9 x x ( 输出负电压) 系列，型号的后两位数字x x 表示该稳压器的输出电压值。三端集成稳压器具有体积小、可靠性高以及温度特性好等 优点，芯片仅有三个端子，分别为输入端、输出端和公共端，其内部含有启动电路和限 流保护、短路保护、过热保护、调整管的安全工作区保护等电路，使用起来安全方便， 倍受工程技术人员的青睐。三端可调稳压电源有w 1 1 7 2 1 7 3 1 7 系列。该系列稳压电源 能在输出电压为1 2 5 v 3 7 v 的范围内连续可调，外接元件只需一个固定电阻和一只电 位器。其芯片内也有过流、过热和安全工作区保护【8 】。在本系统中，应用的是c w 7 8 0 5 和c w 7 9 0 5 三端稳压器，将外部送来的直流电源变为a ：5 v 供电。采用的可调式三端稳 压器有l m l l 7 。 根据用户的要求，系统设计了+ 2 8 v ，+ 5 v ，及a ：1 5 v 的直流电源，各直流电源原理 图如图3 2 ，图3 4 ，图3 5 所示。 1 + 2 8 v 直流电源设计 1 1 3h 2 + 2 8 v l m l l 7 2 4 0 一r 1 n 4 0 0 “ 泌夕 =：c - n 6 。l 当耵 - j 0 0 巧0 1 0 0 b ”5 u5 1 k 1 0 4 鱼 h 一 9 镒r = 巴砬 2 2 0 0 5 0 i d 0 巧0 + 2 8 v n 图3 2 产生+ 2 8 v 直流电源 中北大学学位论文 交流电源先经过变压、整流、滤波，然后用三端可调稳压电源l m l l 7 进行稳压， 最后再经过滤波，从而形成幅值较大纹波很小的线性电源。 三端可调稳压电源l m l l 7 具有如下特点：( 1 ) 可调整输出电压到1 2 v 。( 2 ) 保证 1 5 a 的输出电流。( 3 ) 典型线性调整率0 叭。( 4 ) 典型负载调整率0 1 。( 5 ) 8 0 d b 纹波抑制比。( 6 ) 输出短路保护。( 7 ) 调整安全工作区保护。( 8 ) 标准三端晶体管封装。 ( 9 ) 输出电压范围：1 2 5 v 至3 7 v 连续可调。( 1 0 ) 极限参数：输入输出压差：+ 4 0 v ， o 3 v ：工作温度范围：- 5 5 至+ 1 5 0 。 l m l l 7 的典型应用电路如图3 3 所示： ? 图3 3l m l l 7 的典型应用电路 由于l m l l 7 调整端( g n d ) 与输出端的电压差为1 2 5 v ，v o u t 的表达式如下： v o u t = 1 2 5 1 + ( r 2 r i ) 】+ l a d j r 2 。可以通过可变电阻来调整输出电压，而且调整端的输 出电流i 。电流少于1 0 0 u a 约等于零，可忽略不计。本设计中电容采用l g f ， r 2 = 5 1 k f 2 + 1 0 0 f 2 ，r l = 2 4 0 q ，所以v o u t = 1 2 5 * ( 1 + 2 1 7 ) = 2 8 3 7 5 v 。通过计算可知设计 基本符合要求。 图3 2 中二极管d 5 是为了保护输入短路时e 6 放电通过l m l l 7 ，二极管d 6 是为 了保护输出端短路时e 8 放电通过l m l l 7 。 2 5 v 直流电源设计 采用三端稳压源l m 7 8 0 5 ，可提供+ 5 v 电压。输出偏差大约为2 。内部有热过载保 护。最大输入电压为3 0 v ，功耗为1 5 w 。最大输出电流是1 5 a 。采用三端稳压源l m 7 9 0 5 ， 中北大学学位论文 可提供一5 v 电压。输出仅需要一个补偿电容，并可提供1 5 a 电流。输入输出差最大为2 5 v 。 输出电流峰值为2 2 a 。功耗p o d b ，即a f ) 1 。在这种情况下，反馈放大器一定产生自 激，即处于不稳定的工作状态。此时f o f c 。 ( a ) 号 图3 1 8 通过降低环路增益进行频率补偿 2 ) 由负反馈原理可知理想情况下：4 m ，= 1 i m a = 去，由图3 1 8 ( a ) ， 一 4 = 古= 1 + 硒需o = l + 鲁+ 惫，通过选择适当小的r e 就可以降低p ，从而i l p i 曲线上 移直至使1 p = l a ( j f 2 ) i ，此时= 4 5 。，反馈放大器是稳定的。如图3 1 8 ( b ) 所示。 这就是通过降低环路增益，提高电路稳定性。 r c 的存在并不影响a i d e _ 的大小，只是增大了支流噪声增益产生直流输出误差。在调 试过程中，发现输出电压偏高就是这个原因。 中北大学学位论文 【： ” f ( a ) _ 程 。一 - ：”f 。 一 ， ( c ) 图3 1 9反馈放大器的三种工作情况波特图 2 使用1 0 p f 的电容 在差动放大电路中，与反馈电阻并联接一个1 0 p f 的电容，该电容的作用是维持运 算放大器良好的稳定性。 36 3 i 、0 六路信号输出接口 在i 、q 六路雷达视频信号的输出接口上，本系统选用了s m a 连接器。s m a 连接 器是螺纹锁紧式精密同轴电缆连接器。由于它具有体积小、频带宽、电压驻波比低、抗 震性能佳和装接使用方便等特点，所以广泛应用于航空、航天、国防装备、微波通讯等 领域的各种精密电子仪器设备中。s m a 连接器外导体内径为4 1 3 m m ，内导体外径为 1 2 7 m m ，连接螺纹套的螺纹尺寸为统一标准特殊螺纹，其可以配接s f t 一5 0 3 型和 中北大学学位论文 s f t 一5 0 2 型( 相当于美国的r g 4 0 2 和r g 4 0 5 电缆) 半硬电缆。s m a 连接器的适用频率 范围为o 1 8 g h z ，特性阻抗为5 0 q 。 37 信号源系统硬件电路的实现 硬件设计的一般过程是：先根据信号源系统硬件框图按模块分别对各单元电路进行 电路设计；然后再进行硬件合成，即将各单元电路按硬件框图组合在一起，构成个完 整的整机硬件电路图。在完成电路设计之后，即可进行绘制电路板，然后进行装配与 调试。本设计使用p r o t e l9 9s e 进行电路板的设计。 随着计算机系统的发展，依赖于计算机系统的应用软件也不断改进，p r o t e l9 9s e 是p r o t e l 公司于1 9 9 9 年推出的具有p d m 功能的强大e d a 综合设计环境。p r o t e l 以其雄厚的 技术实力、快捷实用的操作界面和良好的开放性，应用于电路原理图设计、电路板设计 等 1 6 1 。包括p r o t e l s c h e m t i c 和p r o t e l a u t o t r a x 两大软件。分别用以产生各种 用途的高质量电路原理图，实现自动布局、自动连线及利用笔式绘图机、光学绘图机、 点阵打印机及激光打印机等产生高质量的制板用墨图等功能。此外，p r o t e l 软件可以实 现原理图的灵活输出【l 7 1 o 3 7 1 电路原理图设计 关于电路原理图的设计一般有如下步骤 18 】：( 1 ) 设置原理图设计环境；( 2 ) 放置元 件；( 3 ) 原理图布线i 一( 4 ) 编辑租调整：( 5 ) 检查原理图；( 6 ) 生成网络表。 在雷达信号源设计中有几个0 欧姆的电阻，这主要是考虑到在对外的输入输出接口 中，比如串口连接器，网口r j 4 5 连接器等等，它们的接地设计得不好也会影n l ；j n 正常工 作。一般来说会单独分割出一块独立的接口地，与信号地的连接采用细的走线连接，可 以串上0 欧姆或者小阻值的电阻。细的走线可以用来阻隔信号地上噪音过到接口地上来 。 芯片的管脚加上拉电阻来提高输出电平，从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗 干扰能力。提高总线的抗电磁干扰能力。管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。长 线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加上下拉电阻是电阻匹配，有效的抑制反射 中北大学学位论文 波干扰b o 。能用低频芯片就不用高频的，高频芯片用在关键地方： 37 2 印刷电路板的布局布线设计 印刷电路板p c b ( p r i n t e dc i r c u tb o a r d ) 的设计的具体步骤【2 l 】：( 1 ) 规划电路 板；( 2 ) 设置参数；( 3 ) 装入网络表；( 4 ) 元器件布局；( 5 ) 自动布线；( 6 ) 手 工调整。 随着c a d 技术的发展，通过自动布局布线的新型软件能够大大提高布局布线的水平 和设计效率。但是在设计中许多要点、细节是设计者应当明确和掌握的，结合p c b 的设 计步骤以及本系统设计的具体电路，设计p c b 中得出布局布线时的注意事项如下： 在设计初期首先要确定电路板尺寸，印制电路板的大小要适中，过大时印制线长， 阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成本也高：过小，则散热不好，同时易受临近线条的 干扰。 由于本系统中混合了模拟信号和数字信号，如何降低数字信号和模拟信号间的相互 干扰是设计中必须考虑的问题。于是在p c b 板的设计中，采用了将p c b 分区为独立的模 拟部分