【正文】 橋式二極管取樣積分電路的設(shè)計與分析 圖 橋式二極管取樣積分電路由四個二極管組成橋（如圖 所示），其中 A 和B 端輸入的是一對極性相反，幅度相同的取樣脈沖信號， C 端則輸入的是被取樣的輸入信號， D 端則為取樣結(jié)束后的輸出信號，后面一般接一個儲能電容 C1 及負截電阻 RL 構(gòu)成簡單的積分電路。各種取樣門電路各有其優(yōu)缺點，平衡取樣積分電路是由兩個采用共陰極集成的高速開關(guān)二極管接成對稱結(jié)構(gòu)，且兩個門電路共用一個取樣脈沖，后面的積分電路采用共模抑制比較高的差分放大器、電容和電阻構(gòu)成線性積分電路；雙管取樣門電路是由兩個快速二極管和電阻組成一個橋路，其中二極管一般都處于截止?fàn)顟B(tài)，由兩個極性相反的取樣脈沖對其二極管進行控制，后面的積分電路采用線性積分電路，其良好的對稱性幫助其電路更好的實現(xiàn)取樣積分；橋式取樣積分電路是由四個二極管構(gòu)成一個橋路，由幅度相取樣門 取樣脈沖 p(t) 輸入信號 f(t) 輸出信號 q(t) 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 等、極性相反的取樣脈沖 控制其橋式二極管的開關(guān)，后面積分電路采用最簡單電容和電阻構(gòu)成。而被測生命信號為低頻率微弱信號，所以在采樣過程中要采樣更多的點，即更多個周期，所以過長的測量時間會因電容漏電因素而導(dǎo)致對生命信號的測量不準(zhǔn) 確。 圖 取樣原理圖 圖 取樣積分電路的設(shè)計與分析 微功率沖擊雷達發(fā)射的電磁波信號 為超寬帶信號，對檢測接收回來的含有微弱信號的回波信號采用取樣積分方法進行提取。如圖 所示，可知流過電阻 R 的電流為 ]44[ ： ? ? ? ? ? ?Rtvdt tC dvti i??? 0 （ ） ? ? ? ?dttvRCtv t i??? 00 1 （ ） 積分器一般分為線性門積分器和指數(shù)式門積分器，本文采用線性門積分器，改善信噪比是受電路的動態(tài)范圍限制，而不是受積分時間常數(shù) ct 限制。取樣到的信號再經(jīng)過積分電路，若積分電路中的電容足夠大時，積分電路取樣加波信號進行積分平均，則周期性的微弱信號不會發(fā)生變化，而噪聲則隨著積分平均而變得很弱，如果積分的次數(shù)足夠多時，噪聲的平均值也就近似為零了，而穩(wěn)定的周期信號則不會受影響 ]42[ 。采 用相干疊加技術(shù)，通過延時控制后對取樣信號進行積分達到對隨機噪聲的抑制和提高信噪比的目的，最終實現(xiàn)微弱信號的提取。 UWB 生命探測雷達系統(tǒng)接收前端電路原理框圖如圖 所示 : 圖 可變延遲 取樣積分 帶通濾波 放大濾波 接收天線 脈沖震蕩器 微控制單元 A/D 轉(zhuǎn)換 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 主要由取樣積分電路、可變延遲單元、帶通濾波和放大濾波電路組成。與一般的檢測技術(shù)相比，微弱信號的檢測技術(shù)主要關(guān)注的是抑制噪聲和提高信噪比的方法，而不是傳感器物理模型和傳感器原理、相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換電路和儀表的實現(xiàn)方法 ]39[ ，故這就要求我們要靈活運用上述的理論知識提高信噪比，從而檢測出良好的微弱信號。脈沖是雷達發(fā)射端的重要產(chǎn)生因素，它直接決定了系統(tǒng)的探測性能，本文通過仿真調(diào)試產(chǎn)生幅值為 ，脈寬為 的雙極性脈沖，從理論上講可以達到穿墻探測的目的，且波形較為理想。微分電路由電容 Cl和電阻 R2構(gòu)成；肖特基二極管與單極性超寬帶脈 沖產(chǎn)生電路中的作用相同；加速電路由電容 C2和電阻 R3構(gòu)成；經(jīng)過 Ql、 C R6等產(chǎn)生負極性超寬帶脈沖，再通過一次三極管的雪崩效應(yīng)產(chǎn)生雙極性脈沖如圖 所示。 圖 單極性脈沖產(chǎn)生電路仿真圖 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 圖 單極性脈沖局部放大圖 因為單極性脈沖脈沖中含有微小的直流分量，若采用此單極性脈沖，在空間傳播電磁 波時將會使電磁波嚴(yán)重失真，達不到理想的探測效果。儲能電容 C3對輸入脈沖的影響極大，當(dāng)電容增大時，會導(dǎo)致脈沖寬度增 加、帶寬變窄。本文在設(shè)計過程中，在微分整形電路后加入了加速電路，其 目的是改善脈沖上升沿及下降沿，使其更陡峭，同時也為三極管西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 輸入脈沖信號與微分整形電路輸出信號的一致提供了保證。 超寬帶雷達脈沖產(chǎn)生電路 元器件的選擇 衡量超寬帶脈沖性能的主要參數(shù)是：脈沖的峰值幅度 V0、脈沖的寬度 tW（包括上升時間或下降時間）和脈沖的重復(fù)頻率 f0；一般而言，在選擇雪崩三極管時，要注意幾點：三極管應(yīng)具有較高 BVCEO 和較寬的雪崩區(qū)；較高的放大倍數(shù)和特征頻率；較低的飽和壓降。 由圖 電路可以得出，三極管集 射電壓增大到臨界狀態(tài)時，負載電阻 LR上的電流可表示為： LSUSCCR R VVIL??ma x （ ） 其中 SUSV 為集 射擊穿電壓。 雪崩三極管脈沖電路的產(chǎn)生 雪崩三極管的基本脈沖產(chǎn)生電路如圖 所示，電路中直流電壓 CCV （接近于 CBOBV ，但小于 CBOBV ）給集電極供電。 將 ()式代入 ()式計算，得到臨界擊穿基極電流 ? ?OOB T bi BI V r I?? () 其中 bir 是晶體管的小信號基極電阻 ? ?B i B Bib i B i BBBd r I drr r Id I d I? ? ? () 將 ()的結(jié)果代入到 ()，得到發(fā)射極電流 e x pO BE TES TVVII V???? ???? () 將此結(jié)果代入 ()，結(jié)合 Miller 關(guān)于雪崩倍增因子與 CBV 關(guān)系的經(jīng)驗公式 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 ? ?11 nCB CB OM V BV? ? () (其中 n 是一個與材料相關(guān)的系數(shù)，一般在 2~6 之間 )便可以得到與之相對應(yīng)的擊穿電壓 maxCBV ，即確定圖 中的臨界點 Q。exp BEES TVII V??? ???? () 其中 ? ?39。 考慮 BEV 為常數(shù)的情況。此后即使 CEV 減小， CI 仍然急劇增大，此 時，晶體管呈現(xiàn)西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 負阻抗特性。 在晶體 管輸出特性圖 ，繪制了一組基極電流 BI 為常數(shù)的集電極電流 CI與集電極到發(fā)射極電壓 CEV 的關(guān)系曲線。當(dāng)基極注入電流為正值，即 BI 0 時，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電極電流 CI 隨基極電流 BI 的變化而變化了。 雪崩三極管的工作原理 如果在晶體管的集電結(jié)空間電荷區(qū)加上比正常情況大許多倍的電場，集電結(jié)的載流子被電場加速，從而獲得很大的能量，這些被加速的載流子與晶格發(fā)生碰撞，產(chǎn)生新的電子 空穴對，這些新的電子 空穴對又被電場加速，并和晶格發(fā)生碰撞，再次產(chǎn)生新的電子 空穴對，如此重復(fù)上述過程，于是，流過集電結(jié)的電流便迅速增長，形成晶體管的雪崩效應(yīng)。 本章小結(jié) 本章闡述超寬帶生命探測雷達基本原理；分析回波模型及其檢測方式，研究了回波位置偏移規(guī)律；討論了超寬帶生命探測雷達工作頻率和發(fā)射信號形式，確定了高斯脈沖的一階導(dǎo)數(shù)作為超寬帶脈沖的最佳信號形式以及超寬帶脈沖天線的重要功能。 c 天線要具有足夠的帶寬，以滿足對地下介質(zhì)的分辨要求。因而探地雷達系統(tǒng)與探空雷達相比，天線的設(shè)計和應(yīng)用，有其特殊性。要注意的是，接收時，天線不作為對輸入信號的微分器，而應(yīng)該呈現(xiàn)一種平坦的頻率響應(yīng)，這與上 述對發(fā)射信號做理論分析得到的最佳信號形式是一致的。高斯函數(shù)的各階導(dǎo)函數(shù)表示的波形都是滿足上述條件的， 圖 是通過 matlab 仿真得到的高斯脈沖和它的前 3 階導(dǎo)函數(shù)西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 的時域波形 。 單極脈沖信號的一個典型數(shù)學(xué)模型是單指數(shù)衰減函數(shù)，模型為 220( ) ( )tTts t I eT ?? （ ） 其中 oI 表示幅度， T 表示上升時間， 信號的功率譜為 2 2 2 2 3 3 3 22 2 6( 2 4 8 ) ( 2 4 8 )() ( 4 4 )T f Tf T fSf f? ? ??? ? ?? ? （ ） 這類信號的主要頻譜分量都在低頻，天線的高通效應(yīng)不僅使得相當(dāng)一部分能量不能從天線輻射出去，從而會降低了系統(tǒng)的發(fā)射效率，同時，在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生反射振蕩，這種信號失真降低了系統(tǒng)的動態(tài)范圍，為此，設(shè)計和選擇中心頻率可控的雙極性脈沖信號是沖激體制穿墻雷達所期望的。 UWB 信號定義為信號在所有傳輸時間上其帶寬 BW 必須大于 500MHz 或者相對帶寬 fB 必須大于 20%。因此，控制其占空比，UWB 設(shè)備就只需較低的發(fā)射功率，這直接轉(zhuǎn)化為手持設(shè)備較長的電池壽命。 在第一章我們已經(jīng)知道本文研究的是 UWB 系統(tǒng)?？梢?，當(dāng)發(fā)射信號的頻譜 ??iS?與信號傳輸函數(shù)之間滿足互為共軛關(guān)系時，接收信號的瞬時功率與噪聲的平均功率比最大，即接收端信噪比最大。本文選取 10MHz 作為發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率，而其工作頻率由所產(chǎn)生的超寬帶脈沖的頻譜決定。在用式（ ）計算方位分辨率時， min? 可取為接收信號有效頻率分量對應(yīng)的最小波長。轉(zhuǎn)換為深度，表示為 22efftvvh B?? ? ? （ ） 式中， v 為波速。探地雷達的方程如下： ? ? ? ?2200 1 1 03 4 e x p 44TR SP G SP L L RR L? ???? （ ） 式中， RP 為雷達接收功率； TP 為雷達發(fā)射功率； G 為天線增益； S 為目標(biāo)反射截面； R 為目標(biāo)深度， ? 為媒介的吸收導(dǎo)致的電磁波衰減，01L、10L分別為收發(fā)天線與地面的耦合損耗，SL為傳播媒介的傳播損耗， 0? 為波長。電磁波在非空氣介質(zhì)中傳播時，將會有一定程度的衰減，衰減的大小與電磁波的頻率和介質(zhì)的阻抗有關(guān)。 超寬帶雷達參數(shù)選擇 超寬帶生命探測雷達系統(tǒng)中，系統(tǒng)構(gòu)成及主要技術(shù)參數(shù)決定了系統(tǒng)性能，系統(tǒng)性能同時又取決于應(yīng)用環(huán)境。 反射脈沖的重復(fù)頻率變?yōu)? 0s in1aa aaV tTcf T d T ??? ? （ ） 也就是說經(jīng)過人體反射回來的脈沖信號的位置發(fā)生了變化，接收端接收到的是攜帶有被測人體生理信息相關(guān)的脈位調(diào)制信號 (PPM)，如果對接收到的脈沖序列進行解調(diào)，即檢測出回波脈沖的位置偏移、積分、放大、濾波，送入微控制單元進行信息處理和數(shù)據(jù)分析，就可以得到與被測人體生理特征信息相關(guān)的參數(shù)信號 (呼吸、心跳 )。則脈沖的重復(fù)頻率為： f=1/T=c/d。其中， 122112rr? ?? ???? ?????????????? （ ） 122112rr? ?? ???? ?????????????? （ ） 式中， ? — 墻壁導(dǎo)電系數(shù) ?— 角頻率 r? — 墻壁介電常數(shù) ? — 墻壁導(dǎo)磁率 電磁波在墻壁中的相速為 122112rPrV ? ?? ??? ????????????????????????? （ ） 在高頻率范圍內(nèi)，有 r?? 4～ 40， ? ＜ ，故 2 1r?????????，因此對于非導(dǎo)磁介質(zhì)，式（ ）和式（ ）可用下式表示為 60 r? ?? ?? （ ） /2g? ? ?? （ ） 式中， g? 是電磁波在墻壁中的波長，假設(shè)大氣中波長為 0? ，則 0 /gr???? （ ） 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 這時，墻壁的電磁波群速gV和 PV 大致相等，可得下式 39。 UWB 生命探測雷達的原理框圖如圖 所示，脈沖振蕩器產(chǎn)生 10MHz 的占空比為 50%的方波信號，該信號經(jīng)過脈沖整形、 UWB 脈沖成形電路產(chǎn)生 ps 級的 UWB脈沖，并通過發(fā)射天線輻射出去，被人體胸壁運動反射的回波信號送到接收取 樣電路，脈沖振蕩器產(chǎn)生的信號經(jīng)過延時電路產(chǎn)生和發(fā)射端相同的 UWB脈沖作為同步脈沖，通過取樣門對接收信號進行選擇，接收取樣輸出的信號經(jīng)過積分電路對接收信號進行積累，經(jīng)過成千上萬個脈沖積累后將微弱的生命體征信息檢測出來，再經(jīng)過帶通濾波電路和放大濾波電路檢測出呼吸和心跳信號，最后經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換后通過微控制單元進行處理。2 微功率超寬帶雷達的工作原理及天線 6 2 微功率超寬帶雷達的工作原理及天線 超寬帶雷達工作基本原理 基本原理 雷達之所以能夠探測到生命特征信息是基于其對生命體活動的檢測。 第五章分析了硬件電路的調(diào)試部分和 PCB 制作。 第三章分析了硬件電路的發(fā)射部分，即超寬帶脈沖電路的產(chǎn)生。微功率沖擊雷達硬件電路包括：窄脈沖信號產(chǎn)生電路 ；取樣積分電路；帶通濾波電路及放大濾波電路。此外 ，國內(nèi)其他高校對生命探測