基于ADC和FPGA脈沖信號測量的設(shè)計方案

　　0引言

　　測頻和測脈寬現(xiàn)在有多種方法。通常基于MCU的信號參數(shù)測量，由于其MCU工作頻率很低，所以能夠達(dá)到的精度也比較低，而基于AD10200和 FPGA的時域測量精度往往可達(dá)10 ns，頻率測量精度在100 kHz以內(nèi)。適應(yīng)信號的脈寬范圍在100 ns～1 ms之間；重復(fù)周期在0.05～100ms：頻率在0.1 Hz～50 MHz。

　　AD10200是高速采樣芯片，其中內(nèi)嵌變壓器，因此采樣電路外部不再需要變壓器，使得電路設(shè)計更為簡單；最低采樣速率為105 MSPS，具有3.3 V或者5 V CMOS兼容輸出電平，雙通道12位采樣，補(bǔ)碼形式輸出，每個通道功耗為0.850W。通?？蓱?yīng)用于雷達(dá)中頻信號接收機(jī)、相位組接收機(jī)、通信接收機(jī)、 GPS抗干擾接收機(jī)等。

　　StratixⅡ是Altera公司的中高端主流產(chǎn)品，該產(chǎn)品采用1.2 V、90 nm、9層信號走線，全銅SRAM工藝制造。StratixⅡ內(nèi)嵌RAM塊、DSP塊、鎖相環(huán)(PLL)和外部存儲器接口，同時，StratixⅡ也增加了全新的邏輯結(jié)構(gòu)一自適應(yīng)邏輯模塊(ALM)，因而增加了動態(tài)相位對準(zhǔn)(DPA)電路和對新的外部存儲器接口的支持。AD芯片可以穩(wěn)定工作在100 MHz，FPGA速度可高達(dá)幾百M(fèi)Hz，故可保證系統(tǒng)的測量精度。

　　1測量原理

　　1.1時域測量原理

　　時域測量包括脈寬(PW)測量和脈沖重復(fù)周期(Pri)測量，時域測量在FPGA中可利用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)。AD的兩路輸入為兩路正交中頻信號。經(jīng)過Cordic算法，即幅相解算之后獲得幅度和相位信息，其中利用幅度信息測得時域參數(shù)，其原理圖如圖1所示。

　　當(dāng)脈沖信號進(jìn)入FPGA后，將首先進(jìn)行門限判定，以將不規(guī)則的脈沖信號進(jìn)行整形并變?yōu)橐?guī)則的脈沖信號。整形后，在脈沖信號上升沿啟動脈寬計數(shù)器和重復(fù)周期計數(shù)器，而在該脈沖信號的下降沿鎖存脈寬計數(shù)器并且在下個脈沖信號上升沿鎖存重復(fù)周期計數(shù)器；由此即可得到脈寬和重復(fù)周期的量化值N和M，然后再通過工作時鐘的計算，就可得出脈寬和重復(fù)周期。

　　1.2頻域參數(shù)測量

　　頻域參數(shù)測量可由兩路正交信號所攜帶的相位信息得到。對于輸入正交采樣I、Q兩路序列，則可通過求反正切得到角度序列 θ(n)=arctg(I(n／Q(n)，但此時得到的角度序列是周期性分布在(0，2π)之間的，因此需對此角度進(jìn)行解模糊，可將角度序列解為遞增直線，然后按照如下公式進(jìn)行解模糊，并得到新的角度序列φ(n)：

　　通過以上公式可以準(zhǔn)確計算出脈內(nèi)信號頻率，從而達(dá)到測頻的目的。