《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 可編程邏輯 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 云閃定位系統(tǒng)中校正信號(hào)源設(shè)計(jì)
云閃定位系統(tǒng)中校正信號(hào)源設(shè)計(jì)
來(lái)源:微型機(jī)與應(yīng)用2013年第22期
張廣元1,2, 孫秀斌1,2,肖坤峰1,2, 楊崧令3
(1. 成都信息工程學(xué)院 電子工程學(xué)院,四川 成都610225; 2. 中國(guó)氣象局大氣探
摘要: 簡(jiǎn)要介紹了云閃探測(cè)系統(tǒng)的工作原理。為滿足對(duì)系統(tǒng)中各通道幅相不一致性測(cè)試的需求,設(shè)計(jì)了一款精度高、穩(wěn)定性好的信號(hào)源。該信號(hào)源以Altera公司FPGA芯片EP1C3T100為控制核心,以ADI公司DDS芯片AD9954為信號(hào)合成器。詳細(xì)給出了信號(hào)源的硬件實(shí)現(xiàn)和高速邏輯控制電路設(shè)計(jì),測(cè)試結(jié)果表明,該信號(hào)源性能良好,具有很好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。
Abstract:
Key words :

摘  要: 簡(jiǎn)要介紹了云閃探測(cè)系統(tǒng)的工作原理。為滿足對(duì)系統(tǒng)中各通道幅相不一致性測(cè)試的需求,設(shè)計(jì)了一款精度高、穩(wěn)定性好的信號(hào)源。該信號(hào)源以Altera公司FPGA芯片EP1C3T100為控制核心,以ADI公司DDS芯片AD9954為信號(hào)合成器。詳細(xì)給出了信號(hào)源的硬件實(shí)現(xiàn)和高速邏輯控制電路設(shè)計(jì),測(cè)試結(jié)果表明,該信號(hào)源性能良好,具有很好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞: 云閃探測(cè); 校正信號(hào)源; FPGA; AD9954

    云閃是發(fā)生在云內(nèi)或云際間的閃電。云閃放電過(guò)程中輻射的甚高頻(VHF)電磁脈沖使航天航空飛行器和通信電子設(shè)備等面臨巨大威脅,因此對(duì)云閃監(jiān)測(cè)和預(yù)警技術(shù)的研究得到越來(lái)越普遍的重視[1-2]。
 云閃VHF輻射源定位技術(shù)可分為干涉法(ITF)或到達(dá)時(shí)間差法(TOA)。在基于干涉法的云閃探測(cè)系統(tǒng)中,需要使用信號(hào)源對(duì)各通道幅相不一致性進(jìn)行校正。本文以DDS芯片AD9954作為信號(hào)合成器,采用FPGA芯片EP1C3T100對(duì)其進(jìn)行邏輯控制,再通過(guò)對(duì)AD9954的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,實(shí)現(xiàn)頻率分辨率高、體積小、控制靈活的校正信號(hào)源,滿足了云閃探測(cè)系統(tǒng)的機(jī)內(nèi)自測(cè)試(BIT)需要。
1 云閃探測(cè)系統(tǒng)工作原理
    如圖1所示,探測(cè)系統(tǒng)中5陣元天線接收110 MHz~118 MHz頻率范圍內(nèi)的云閃VHF輻射信號(hào),經(jīng)由限幅器、低噪聲放大器(LNA)、帶通濾波(BP)、可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)和二級(jí)放大后,輸入ADC進(jìn)行帶通采樣,并在FPGA中作數(shù)字下變頻(DDC)處理得到5路I/Q信號(hào),最后在數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)中完成對(duì)輻射源方位角和仰角的估計(jì)。

    為避免因設(shè)備內(nèi)部I/Q通道的幅相不一致影響探測(cè)精度,系統(tǒng)需定期檢修。在測(cè)試模式下,將校正信號(hào)源產(chǎn)生的5路信號(hào)加載至各個(gè)接收通道,并在DSP中求得各I/Q通道的幅相不一致性誤差,即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)機(jī)內(nèi)自檢測(cè),大大減少故障診斷所耗費(fèi)的人力、物力[3]。
2 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
    校正信號(hào)源的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)由控制單元、信號(hào)產(chǎn)生單元、信號(hào)調(diào)理單元和供電單元組成。控制單元選用Cyclone系列FPGA芯片EP1C3T100作為控制器,通過(guò)在其內(nèi)部搭建邏輯電路模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作時(shí)序的控制; PC通過(guò)JTAG接口對(duì)控制邏輯進(jìn)行在線調(diào)試[4],將調(diào)試完成的可執(zhí)行文件通過(guò)AS配置方式下載至Flash串行存貯器EPCS1SI8N進(jìn)行固化存儲(chǔ),消除了FPGA芯片SRAM結(jié)構(gòu)需對(duì)可執(zhí)行文件重復(fù)下載的弊端。信號(hào)產(chǎn)生單元選用ADI公司的DDS芯片AD9954作為信號(hào)合成器,該芯片頻率控制字位寬為32 bit,頻率轉(zhuǎn)換精度高;內(nèi)置14位DAC,最大內(nèi)部工作時(shí)鐘為400 MSPS,可產(chǎn)生上限值約160 MHz、頻率分辨率為0.01 Hz并實(shí)現(xiàn)0.022°間隔相位調(diào)諧的高質(zhì)量信號(hào)[5],達(dá)到輸出110 MHz~118 MHz頻段測(cè)試信號(hào)的設(shè)計(jì)指標(biāo),其幅度、相位、頻率連續(xù)可調(diào)。

 AD9954為差分電流型輸出,因此需設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)負(fù)載電路轉(zhuǎn)換為電壓型輸出。在信號(hào)調(diào)理單元中,變壓模塊將差分電壓信號(hào)合成為單端信號(hào),經(jīng)由濾波、功分器后加載至定位系統(tǒng)各個(gè)接收通道。供電單元為系統(tǒng)芯片提供工作電壓。
3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
3.1 電源和時(shí)鐘設(shè)計(jì)

    供電單元前端接入220 V工頻電壓,用220 V轉(zhuǎn)12 V交流變壓器得到12 V交流電壓,然后通過(guò)橋式整流電路,得到8 V直流電壓作為轉(zhuǎn)壓源,經(jīng)芯片LT1764EQ降為5 V穩(wěn)壓源,DDS、FPGA、存儲(chǔ)器等芯片所需的1.5 V、1.8 V和3.3 V工作電壓再經(jīng)由LT1763EST系列芯片對(duì)5 V分別轉(zhuǎn)壓獲取;芯片工作電源電路通過(guò)放置去耦電容和旁路電容濾除雜波干擾。
    信號(hào)源與整個(gè)云閃探測(cè)系統(tǒng)在測(cè)試模式下工作時(shí)序是一體的,為保證信號(hào)源與整個(gè)系統(tǒng)同步工作,系統(tǒng)接入有源晶振為FPGA和DDS芯片提供時(shí)鐘信號(hào);以MC100LVEL16芯片為核心的時(shí)鐘電路將晶振輸出的單端信號(hào)轉(zhuǎn)為差分時(shí)鐘信號(hào)作為AD9954輸入時(shí)鐘;DDS Core內(nèi)部時(shí)鐘乘法器對(duì)其進(jìn)行倍頻后使AD9954系統(tǒng)時(shí)鐘達(dá)到400 MSPS,以滿足高頻信號(hào)合成需要。
3.2 信號(hào)負(fù)載電路設(shè)計(jì)
    AD9954內(nèi)嵌數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出兩路差分電流信號(hào),為實(shí)現(xiàn)I/U信號(hào)轉(zhuǎn)換,其輸出管腳必須通過(guò)一個(gè)串聯(lián)電阻與AVDD連接;其輸出電流乘以串接電阻的值不應(yīng)該超過(guò)0.5 V。輸出電流的大小根據(jù)等式IOUT=39.19/RSET求取,RSET為24引腳接入模擬地時(shí)的串聯(lián)電阻值,阻值約為3.92 k?贅;另有4個(gè)分壓電阻來(lái)抑制共模電壓。
3.3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
     調(diào)理電路主要分為變壓、濾波、功分三部分,實(shí)現(xiàn)步驟如圖3所示。要實(shí)現(xiàn)差分電壓轉(zhuǎn)單端電壓,首先要考慮怎樣對(duì)輸出共模電壓進(jìn)行偏置,其次還要盡可能避免新增噪聲干擾,因此選用Mini公司的一款變壓器ADT1-1WT。該變壓器為無(wú)源器件,引入噪聲可忽略,且具有電流隔離能力,工作頻段為1~400 MHz,插入損耗僅為1 dB;利用其匝數(shù)比為1:1、原副邊互換性能不變的特點(diǎn),將該變壓器的副邊接DDS輸出,實(shí)現(xiàn)電壓偏置的同時(shí)在原邊輸出合成的單端信號(hào)。

   信號(hào)源輸出固定頻段的信號(hào),應(yīng)對(duì)合成的單端信號(hào)進(jìn)行以輸出頻段為通頻帶的帶通濾波;系統(tǒng)選用Mini公司的帶通濾波器BPF-A113+作為濾波實(shí)現(xiàn)的核心器件,該濾波器通頻帶寬108 MHz~118 MHz,插入損耗約為2 dB,VSWR介于1.14~1.44之間,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。
    為保證5路測(cè)試信號(hào)具有較好的幅相一致性,采用功分器將單端信號(hào)分為5路, Mini公司型號(hào)為SCP-5-1的功分器可工作在2 MHz~200 MHz的寬頻帶,插入損耗低,通道之間隔離度好,適合在信號(hào)源系統(tǒng)中作為功分器件使用。
4 FPGA內(nèi)部邏輯電路設(shè)計(jì)
    FPGA作為信號(hào)源的控制核心,主要功能是上電后自動(dòng)讀取EPCS存儲(chǔ)器中配置數(shù)據(jù),以SPI串行通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)AD9954內(nèi)部寄存器控制字的寫(xiě)入[5-6],使信號(hào)源為云閃探測(cè)系統(tǒng)提供測(cè)試信號(hào)。為保證控制字寫(xiě)入次序的準(zhǔn)確性,基于Quartus II 9.0軟件平臺(tái),采用Verilog HDL編譯實(shí)現(xiàn)的FPGA邏輯電路設(shè)計(jì)的頂層結(jié)構(gòu)如圖4示。頂層模塊主要由時(shí)鐘分頻、ROM地址位產(chǎn)生、控制字存儲(chǔ)ROM和控制字發(fā)送這幾個(gè)子模塊組成。控制字寫(xiě)入的具體流程為:        
    (1)通過(guò)Quartus II 9.0軟件將要寫(xiě)入的控制字存放于借助Matlab生成的*.mif文件內(nèi),然后編譯固化在控制字存儲(chǔ)模塊ROM0內(nèi);
    (2)根據(jù)控制字個(gè)數(shù)num修改ROM0地址位產(chǎn)生模塊address計(jì)數(shù)位數(shù)n,滿足等式2n≥num;
    (3)系統(tǒng)初始化完成后,發(fā)送模塊send從控制字存儲(chǔ)模塊ROM0讀取一個(gè)8 bit控制字節(jié)開(kāi)始對(duì)AD9954進(jìn)行SPI寫(xiě)操作,每完成一個(gè)控制字的寫(xiě)入都會(huì)輸出給address模塊一個(gè)高電平,address模塊產(chǎn)生地址位加1,開(kāi)始進(jìn)入下一個(gè)控制字的讀寫(xiě)周期。

    信號(hào)源選擇輸出114 MHz的正弦波進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證,因此只需對(duì)AD9954控制功能寄存器CFR1、CFR2和頻率控制字寄存器FTW0寫(xiě)入控制字即可。圖5是FPGA控制AD9954產(chǎn)生114 MHz正弦波的時(shí)序仿真結(jié)果,其中clk是系統(tǒng)時(shí)鐘,SCLK為AD9954串行通信時(shí)鐘,outdata為依次寫(xiě)入的控制字節(jié),SDIO為輸出數(shù)據(jù),sel為單個(gè)控制字寫(xiě)操作完成標(biāo)志,ad9954_updata是給管腳IO_UPDATA的高電平[5-7]。
5 系統(tǒng)測(cè)試
    使用示波器進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試,圖6所示為校正信號(hào)源1~4路信號(hào)在力科公司HDO4034型高精度四通道示波器上的顯示結(jié)果;圖7所示為校正信號(hào)源第5路信號(hào)在普源公司DS5102MA型示波器上的顯示結(jié)果。信號(hào)源實(shí)際輸出頻率值與預(yù)設(shè)值誤差很小,且波形平滑,穩(wěn)定度高,效果理想。

 

 

    校正信號(hào)源產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)的質(zhì)量,在一定程度上影響著云閃探測(cè)系統(tǒng)性能的好壞。本文采用FPGA控制DDS器件作為信號(hào)合成的主體部分,實(shí)現(xiàn)調(diào)制靈活的信號(hào)輸出,通過(guò)調(diào)理電路進(jìn)一步處理,信號(hào)源可為云閃探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)內(nèi)自檢測(cè)時(shí)提供符合指標(biāo)要求的測(cè)試信號(hào),以滿足實(shí)際需要。在Quartus II 9.0軟件中對(duì)頂層文件進(jìn)行參數(shù)重置,  使AD9954工作在其他模式下,或通過(guò)增加外圍調(diào)理電路輸出其他類型信號(hào),便可滿足部分設(shè)備系統(tǒng)對(duì)幾十kHz到上百M(fèi)Hz范圍內(nèi)不同特性BIT測(cè)試信號(hào)的要求,具有較強(qiáng)的普適性。
參考文獻(xiàn)
[1] 李云敏,孫秀斌,楊崧令,等.云閃定位算法及誤差分析[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2012,26(10):917-922.
[2] 余會(huì)蓮,陳德生,謝君.VHF閃電定位技術(shù)評(píng)述[J].氣象與環(huán)境科學(xué),2008,31(2):55-58.
[3] 王偉,孫起,許軍.魚(yú)類自導(dǎo)系統(tǒng)BIT設(shè)計(jì)與分析[J].魚(yú)雷技術(shù),2010,18(1):31-34.
[4] 杜占龍,譚業(yè)雙,姚振亞.基于AD9954的信號(hào)源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].應(yīng)用天地,2011,30(2):53-56.
[5] ADI公司. AD9954 英文產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)(Rev B)[EB/OL]. (2009-xx-xx)[2013-09-25].http://www.analog.com.
[6] 劉春梅,鄒傳云,曹文,等.基于DDS 芯片的相位相關(guān)雙通道信號(hào)源設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(1):43-45.
[7] 袁輝.基于FPGA的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2011,37(9):67-69.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。