数字脉冲技术（精选8篇）
数字脉冲技术 篇1
传统伽马能谱测量系统由探测器、前置放大器、主放电路、脉冲甄别电路、峰值保持电路、ADC采样和微处理器等组成。由于这类模拟多道能谱仪主要采用模拟电路实现,因此系统开发周期长,抗干扰能力弱,受温度影响大,系统灵活性较差,无法解决脉冲堆积、脉冲计数率较低、A/D转换存在死时间等问题[1]。而数字伽马能谱测量系统主要由探测器、前置放大器、主放电路、高速ADC采样电路、FPGA控制部分组成。由于采用高速ADC进行脉冲采样,因此电路不存在死时间,并且能保证在每个有效脉冲宽度内有上百个采样点[2,3]。同时由于采用FPGA作为主控芯片,可以在控制ADC进行高速采集的过程中同步实现数据缓存、脉冲滤波、脉冲成形、幅值分析、能谱计数等功能[4]。系统处理速度快,实时性强,灵活性强,稳定性强,抗干扰能力强,受环境影响较弱,并且系统升级非常方便。
1 数字成形电路设计
1.1 ADC电路设计
本设计选择ADI公司的AD9240,这是一款高精度高速低功耗ADC,采样率为10 MS/s,分辨率为14 bit,采用单电源+5 V供电,最高功耗为285 m W。
ADC驱动电路如图1所示,0~5 V的输入信号通过由运放U1组成的阻抗匹配电路输入到ADC的正向输入管脚,运放U1采用单电源供电。ADC的差分负向输入管脚通过电阻RS接入参考电压输出管脚。参考电压选择管脚接地,即选择芯片内部参考电压。
1.2 FPGA控制电路设计
本文的FPGA控制系统是通过利用FPGA控制ADC采样,并对采集数据进行缓存、脉冲成形、幅值分析以及能谱计数,最后通过串口通信发送到PC机。该系统的结果框图如图2所示。
本文中的FPGA采用Altera公司的EP3C25Q24芯片,此芯片逻辑块总数为24 624个,内部存储区空间为608 256 bit,I/O口为149个,内含132个9位乘法器和4个锁相环(PLL),内核采用1.2 V供电。
本系统采用Altera公司推出的Quartus II软件,利用Verilog HDL语言完成设计。通过逻辑框图的形式实现内部各子模块间的电气连接,
由于FPGA无法进行大规模数学运算,因此,在本文中采用算法相对简单、乘除法运算次数相对较少的递归法进行数字脉冲处理。
设计过程中,首先通过FPGA与高速ADC实现示波器的功能,即实现原始脉冲信号的在线采集,如图3所示,并保存到数据文件。然后对采集到的脉冲数据进行MATLAB仿真处理,得到图4所示的结果。
由图4可以看出,该梯形成形算法除了能进行脉冲成形外,还具有低通滤波和对脉冲信号判弃的功能。在本文中将PC机中的脉冲数据文件导入到FPGA创建的RAM里面,并通过梯形成形模块对原始脉冲进行成形滤波处理如图5。
图6所示为幅值分析模块,实现梯形成形算法后对脉冲峰值的提取和对非脉冲峰值的判弃。同时幅值分析模块还实现输出双口RAM调度时钟的功能。
2 电路测试
利用本电路分别配合Na I探测器,测137Cs+241Am源,获得了谱线图,并通过测试窗口显示出来,如图7所示。
本文针对γ射线测量领域中的高速数字化能谱测量系统,以FPGA作为主控芯片,采用高速ADC进行实时采样,实现核信号的高速采集与分析处理。选择数字梯形成形滤波算法,既能实现脉冲抗堆积,又能实现数字滤波等功能。本文设计过程中查阅大量中英文资料,进行过多次软件仿真与系统测试,最终得到了较理想的效果。
参考文献
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数字脉冲技术 篇2
关键词：高压脉冲电场技术 牛奶 加工
中图分类号：TS252.1 文献标识码：A 文章编号：1672-5336（2014）04-0012-02
牛奶营养丰富，不仅含有优质的蛋白质、丰富的钙，而且几乎含有人体营养所需的所有维生素以及多种免疫活性因子。然而，若对牛奶中微生物控制不当，不仅会使其营养成分受到破坏，甚至产生有毒物质。因此，为使人们能安全饮用，必须对牛奶中的微生物进行控制以确保安全。
1 对有害菌的杀菌作用
脉冲电场可以有效杀死多种乳中的微生物，杀菌效果与对象菌的种类与数量、电场强度、时间、温度、介质电导率、脉冲频率等相关。脉冲电场40kV/cm2下处理360L牛奶可以杀死婴儿配方牛奶中大肠杆菌；36.17kV/cm2和40个脉冲量处理接种了Salmonella Dublin的牛奶25min，牛奶在7～9℃下贮存8d内未能检测出细菌；使用电场强度为40kV/cm2，8个脉冲量处理2%牛乳，得到的产品可在4℃下保存2周；大肠杆菌在场强30kV/cm2、频率1500Hz、脉冲宽40Lm、流速20mL/min时，其量由6178个对数量降低至2151个对数量；在相同条件下，枯草芽孢杆菌由6175个对数量降低至5193个对数量。
2 对益生菌的保护作用
在食品的保藏过程中，益生菌的存活量是含益生菌的产品中所考虑的重要因素，在PP奶、UHT奶、PEF奶的预处理中，应优化加工参数和加工条件。并且，有研究表明，PEF技术可能有保护牛奶制品中益生菌的生长的能力，但其工艺的参数和条件亟待进一步的研究和优化，同时，对牛奶的感官、营养、物化性质与微生物特性等影响进行研究，以达到消费者喜爱的口味。
3 对牛奶风味物质的影响
王艳芳等[1]采用SPME-GC-MS联用的方法，对鲜牛乳、UHT灭菌牛奶和PEF处理（35kV/cm2，400μs，200Hz）牛乳的风味成分（主要挥发性风味化合物有酮类、醛类、含硫类、酯类、酸类、醇类、烃类、方环类等）进行分析，研究发现，在相同杀菌效果下，PEF处理乳较UHT灭菌乳而言风味化合物损失少，脂类氧化产物较UHT灭菌乳明显减少；产生蒸煮味的含硫化合物降低；其他种类的化合物变化不明显。因此，高压脉冲电场非热杀菌技术可以应用于牛乳杀菌上，保持牛奶的相对原味。
Zhang， S[2]研究得到牛奶中的所有风味物质，并在PEF处理乳中总共检出18种主要挥发性化合物，最主要的是酮类化合物，主要有2，3-丁二酮、2-丁酮、3-羟基-2-丁酮和1-羟基-2-丙酮；其次是醛类，主要的是己醛、庚醛、壬醛和糠醛，其中己醛的质量分数较高，占醛类总量的72.40%；然后是醇类，有戊醇、2-乙基-1-己醇、己醇和3-甲基丁醇，其中3-甲基丁醇的质量分数较高；酯类、含硫化合物、酸类和芳环化合物也有检出。
4 对牛乳抗氧化能力的影响
张莎等[7]研究了高压脉冲电场（PEF）处理和热处理对牛乳总抗氧化能力和过氧化值的影响。采用牛乳对DPPH自由基的清除率来评价其抗氧化能力，用改进的IDF分光光度法测定了牛乳的过氧化值。结果表明：新鲜牛乳对DPPH自由基的清除率为49.65%，无论是低温长时（60℃、30min），高温短时（75℃、15s）巴氏杀菌，还是PEF（30kV/cm、400us）处理，牛乳清除DPPH自由基的能力都略有下降，而过氧化值都有所升高。PEF处理会引起乳脂肪氧化——PEF处理后，乳脂肪的过氧化值有所升高，抗氧化能力有所下降，且变化的程度与热处理引起的相近；随着PEF处理场强的增大和处理时间的延长，乳脂肪的过氧化值变大，抗氧化能力下降，但是PEF处理温度对抗氧化能力影响不显著。
相对于对照样（鲜牛乳），PEF与UHT处理会对牛乳中风味物质产生或多或少的影响。PEF对牛乳中2-丁酮、己醛和3-羟基-2-丁酮的影响最大，前两种物质分别由原来的0和1.14%升高到2.21%和2.78%，3-羟基-2-丁酮则由5.56%降低到1.66%，对2，3-丁二酮、乙酸丁酯这两类主要风味成分基本无影响。UHT对牛乳中的二甲基硫醚、二甲亚砜、2-戊酮、2-庚酮和己醛影响较大，分别由原来的0、0.33%、0、0、1.14%升高到0.56%、1.03%、4.81%、6.43%和3.25%，2，3-丁二酮由原来的 2.79%降低到0，对乙酸丁酯、甲酸戊酯则基本无影响。
5 常见PEF技术对牛奶加工工艺的影响
5.1 HIPEF对牛奶加工工艺的影响
在非热处理过程中，高强度脉冲电场（HIPEF）因在处理液体食品中与在连续流动加工过程中有潜在的优势而逐渐受到更广泛的关注，它在保证在安全微生物量的条件下，还能保持牛奶的感官特性，降低牛奶的风味物质的损失。虽然HIPEF有很多显著的优势，但需要对比和检验实验条件下所得到的数据，特别重视在工业生产规模上的应用与研究，包括牛奶货架期的加工参数、HIPEF加工过程中的微生物失活与能耗的优化、应用于牛奶加工和感官与营养评估的HIPEF设备的精确设计。同时，HIPEF在牛奶处理过程中有某些潜在的缺陷，因此，从实际的角度上，可以将HIPEF与传统热处理技术或其他的新技术相结合，以达到延长牛奶的货架期。
HIPEF奶的营养和感官特性，研究表明HIPEF能将牛奶风味物质丧失降至最低，同时保护牛奶中的功能成分。HIPEF（35kV/cm，188us）非热处理，对原料奶的密度、粘度、介质导电率、pH、蛋白与固体含量、维生素含量进行分析，发现原料奶的物化性质的改变量最小。Zulueta等得出结论，采用HIPEF（3545kV/cm2，40180us，温度65℃）处理果汁牛奶，其脂肪酸总浓度与pH值的变化不大。Bermudez-Aguirre等的研究表明，实际应用PEF对牛奶制品进行杀菌消毒效果良好的且低能耗，对脱脂乳（SM）和全乳（WM）条件并不一样，温度为20℃、30℃和40℃，对应电场为30.76kV/cm2到53.84kV/cm2，对SM而言需要的脉冲数为12、24和30，对WM而言需要的脉冲数为12、21和30，同样得到PEF对牛奶物化性质的影响微弱，但在SM中，随着PEF的加强，脱脂固体量、脂质、蛋白质也逐步降低，在PEF最强时，蛋白质下降0.18%，脂质下降0.17%；而在40℃的WM样品中，蛋白质含量下降0.11%，脂质含量下降得更多。并且，经过PEF处理的牛奶样品在4℃下pH值变化很小，33天后，pH依旧在6以上，而在21℃下保藏的牛奶更易腐败，pH在5d后降至4。经过PEF处理后，嗜温菌的生长被延迟，在4℃下25d后，SM乳中其数量保持在6个对数周期，WM乳中保持在7个对数周期；而嗜冷菌在这两种乳中增长得都很快。
5.2 IDPEF对牛奶加工工艺的影响
根据微生物的生长运动规律，采用间歇式脉冲电场技术（IDPEF），在食品保藏过程中定期处理，预防微生物污染，处理过程中不需要辅助，如化学防腐剂、食品添加剂和辐射或其他复杂的设备。相比紫外辐射技术，IDPEF能应用于浑浊的介质中。以鲜牛奶为介质，在室温下设置脉冲电场参数：30个脉冲，17.5kV/cm2，40mus长度，1Hz/12h，其效果相当于在冰箱中4℃保藏鲜牛奶。这门技术广泛应用于生物技术、食品工业，并对某些冰箱匮乏地区的食品保藏有重要的作用。
5.3 PEF技术的工艺优化
目前国内外对高压脉冲电场杀菌研究的较多，但以牛乳为作用对象，对具体电场参数进行旋转回归分析的研究尚少。电场参数中，电场强度和脉冲数对杀菌效果影响较大[3]。贾健辉等[4]研究了杀菌效果与电场条件的关系，并对各因子的灵敏度进行分析，以电场强度和脉冲数为因子，通过二因素二次旋转回归正交试验得出杀菌率的二次方程，所得实验表明，高压脉冲电场对牛乳有一定的杀菌效果，当场强在50～100kV/cm2，脉冲数在400～1200时，二次回归模型与实际情况拟合较好，适合于预测与分析。场强对杀菌率的影响要明显大于脉冲数的影响，场强灵敏度高于脉冲数的灵敏度。除场强与脉冲数外，还有对杀菌率有一定影响的因素（或因素组合）。丁宏伟等[5]通过单因素和正交实验分析，分别研究了电场强度、脉冲数、杀菌温度对高压脉冲电场杀菌效果的影响，得出能达到灭菌要求的最小的电场强度（70kV/cm2）、最少的脉冲数（6）及最低的处理温度（70℃），并测定在上述处理条件下乳营养的损失量，采用高压脉冲电场结合巴氏杀菌处理后的牛乳，其中的营养损失主要来自热处理，且这种方法比典型的巴氏处理具有更好的杀菌效果及更小的营养损失。杀菌时，高压脉冲电场起主要作用，温度起辅助作用；灭酶时，温度起主要作用，而高压脉冲电场起辅助作用。
6 与其他技术相结合
将脉冲电场杀菌和其他杀菌技术联合使用，利用其协同作用，可以取得显著效果。用脉冲电场处理高温短时杀菌奶可以把牛奶的保质期延长至60d，如果在高温短时杀菌8d以后再用脉冲电场处理，牛奶的保质期可以延长到78d，Sepulveda等研究了PEF与热处理的协同效应发现，欲延长牛奶的货架寿命，要么在较低温度下使用较强的PEF处理，要么在室温下采用温和的PEF技术，延长处理时间和增加处理次数，并且两种技术相结合能使全乳的货架期延长至24d，相比巴氏乳而言时间要长得多，并且PEF与热处理能有效地根除肠道菌并降低嗜温菌的数量。有研究发现，在55e下31kV/cm2的脉冲电场处理可以有效减少牛奶中主要的假单胞菌数量，4e下贮藏时的货架期延长了8d；脉冲电场在25～37kV/cm2可以部分杀灭牛奶中的碱性磷酸酶（23～67%），60e时杀灭率为15e时的2倍，并且在35kV/cm2、60e下，脉冲电场对牛奶中包括菌落总数，假单胞菌和大肠杆菌在内的天然菌落的杀灭效果和热杀菌相同。
7 展望
尽管PEF技术的应用研究已广泛开展，但也存在一些问题。由于物料在处理室中直接与电极接触而发生电化学反应，导致电极腐蚀，可能会影响食品质量如食品风味等甚至产生有毒有害化合物，但目前为止对这方面的研究较少，应该引起重视，研究过程中要充分考虑电极腐蚀和选择恰当的电极材料。同时，PEF技术的工业应用尚存在一系列待解决的问题。首先，应加强大流量工业化装置的研制，这是PEF技术工业化的关键；其次，应进一步设计并完善处理装置的温度监测及控制系统，开展PEF处理过程中物料温度变化动力学分析；第三，应加强处理室的多样化设计，目前PEF处理室并非对所有的食品都适用，大部分只适用于液体食品，限制了该技术在食品工业中的应用。
加强PEF技术的开发，研究不同强度的PEF对各类食品的杀菌效果，同时与其他杀菌技术联合使用，包括非热处理新技术和传统热处理技术，研究其协同作用，以达到更佳的杀菌效果。比如，结合高温的PEF研究，延长PEF杀菌的保持时间，可能是一种延长牛奶制品货架寿命较为理想的的方法。
参考文献
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数字脉冲技术 篇3
差模跟踪是一种高精度的单脉冲自动跟踪体制,是利用差模电场方向图在天线轴向为零值而在偏轴角度上又有极性的特点来实现自动跟踪[1]。目前,单脉冲的差模自跟踪技术广泛应用在航空测控、航天测控等对跟踪精度要求高的测控系统中。
作为单脉冲自跟踪系统的重要技术指标,方位、俯仰之间的交叉耦合直接影响到天线的跟踪精度和灵敏度[2]。由于天线制造、安装工艺的局限,下行的宽带信号,和、差支路相差等系统误差的存在,都会引起交叉耦合。结合C波段单通道单脉冲跟踪接收机在无人机应用中出现的问题,原理上分析了系统误差的产生,从工程实现的角度提出了一种用数字的方法,在地面跟踪接收机处对系统误差进行补偿,以降低方位、俯仰的交叉耦合。
1系统组成与问题分析
差模单通道单脉冲自跟踪系统组成框图如图1所示[3],是利用TE11模为和模,TE21模为差模的双模跟踪系统;信号为无载波残留的QPSK调制;下行射频带宽600 MHz,间隔1 MHz,共600个频道。
对于单通道单脉冲自跟踪系统,和、差支路通过不同的传输路径,耦合到一起时,需要对和、差支路的相对相位延迟进行补偿。通常是采用信道射频低损耗电缆补偿的方法。这种补偿方法简单、可靠,广泛地应用在飞行器的一维自跟踪系统中。
同样,二维跟踪系统也采用射频低损耗电缆,对和、差支路的相差进行补偿。表1记录的为电缆补偿后,跟踪接收机在频道1测量的输出方位、俯仰误差电压。测试环境为天线的远场,信标推功放,标准喇叭天线输出。从表1可以看出,用电缆校相后,方位、俯仰的交叉耦合1/3左右,由经验可知,在这种情况下很难实现对目标的稳定跟踪,而跑车试验也验证了这一点。
对于二维跟踪系统,射频电缆补偿的方法仅是对和、差支路相位延迟的不一致进行补偿,并且是以下行中间频点为基准。对于宽带的下行信号,补偿方案本身也会带来不小的误差,而且随着射频频率的增大,线缆精度的工艺保证也是个难题。因此,在电缆补偿的基础上,提出了系统误差数字补偿的方法。
2原理分析
跟踪系统中有几个地方会带来交叉耦合,分别为:天线制造工艺的局限,使得天线馈源水平轴和垂直轴不完全正交;天线馈源安装工艺带来的交叉耦合,主要体现在天线的方位、俯仰轴和水平、垂直轴很难完全重合;单通道和、差支路合成之前,和、差支路的相对相位延迟,引入的交叉耦合;不同的下行频道,和、差支路相差的不一致带来的交叉耦合。
天线的方位、俯仰(A_E)轴和水平、垂直(H_V)轴的夹角,可以通过试验测量算出,具体测量过程参见实施方案部分。先不考虑2个坐标系的夹角。其他几处引入的交叉耦合,都可以归纳到系统误差里,系统误差的存在既影响信号的幅度,又影响信号的相位。对于TE11模、TE21模的差模二维跟踪天线,天线-目标空间关系示意图如图2所示[4]。
和信号、差信号分别表示为[5]:
undefined。 (1)
undefined。 (2)
式中,undefined为和路信号;undefined为误差信号;ωct为载波信号;U为和信号幅度;μ为差方向图归一化斜率;θ为目标偏离天线电轴的空间角度;φ为目标在天线平面投影与水平轴的夹角。
误差射频信号经0/π调制后与和信号耦合,再通过下变频,送给跟踪接收机。跟踪接收机完成误差解算,得到方位、俯仰误差信号表达式,分别记为:
EA=μθkAUcosφ, (3)
EE=μθkEUsinφ。 (4)
式中,kA、kE为方位、俯仰支路的传输系数。式(3)和式(4)的推导没有考虑到跟踪系统误差,而实际上跟踪系统误差是存在的。考虑跟踪系统误差的存在,则和、差信号表达式记为:
undefined
此时,跟踪接收机解算输出的方位、俯仰误差信号表达式为:
undefined
式中,ka、ke为系统误差对方位、俯仰误差信号幅度上的影响;φ1为和信道引入的相移;φ2为差信道引入的相移。式(7)和式(8)是考虑到了系统误差的影响,是对和、差支路相差采用电缆补偿后的推导结果;式(3)和式(4)是理想情况下的解算结果,是希望得到的。令Δφ=φ2-φ1,式(3)和式(4)、式(7)和式(8)之间的关系可以写为:
对式(9)取逆运算得:
式(10)中,ka、ke和Δφ的值是未知的,只需求出这些值,即可得到补偿算式:
3实施方案
设两轴之间的夹角为ε,假定逆时针为正。ε角的存在会影响到补偿算式,需要确定ε的值。ε值的大小与频道没有关系,可以通过观察天线和差网络输出的信号来进行测量,计算。ε角的测试步骤如下:
① 信标推功放,通过标准喇叭口天线输出,放置到天线的远场内,通过频谱仪测量地面天线和差网络的输出,找到天线的零深点,记下此时的方位角度、俯仰角度,即为发端相对地面天线的坐标点;
② 保持俯仰角度不变,在天线波束内将天线沿方位轴上移动一定的角度εA,记下此时的方位误差信号,因为存在夹角,此时俯仰轴上也有误差信号,记下该处俯仰误差值;
③ 保持方位角不变,微调俯仰,使得俯仰误差值最小,记下此时俯仰移动的角度εE。由三角关系,容易求得夹角ε。为了提高精度,多次测量取平均值。
由于天线安装工艺的局限,使得天线的H_V轴和A_E轴不可能完全重合,如图3所示。
通过上面的测量,求出了天线H_V轴和A_E轴的夹角ε。由坐标旋转,可以得出H_V坐标系和A_E坐标系之间的关系[6]:
式(12)已得出,下面需要确定式(11)中的未知数ka、ke和Δφ的值。
如同测量角ε一样,建立起相同的测试环境。仅在天线方位轴上移动一定的角度θ1,由于交叉耦合的存在,可以得到一组方位、俯仰的误差值,记为:
undefined
相同的操作步骤,仅在天线俯仰轴上移动相同的角度θ1,又可以得到另一组方位、俯仰的误差值,记为:
undefined
对2组数据联立方程组,便可求得ka、ke和Δφ的值,从而得到对应频道的补偿算式。为了提高精度,可以对同一频道多次测量计算,取平均值。
将式(11)和式(12)代入到地面数字跟踪接收机,对解算的误差电压做处理,就可以对消掉跟踪系统误差。
在外场,选取了几个频道做测试,通过测试得到相对应的补偿算式。通过对跟踪系统采用数字补偿后,方位、俯仰的交叉耦合大大降低,降到1/20以下。测试的结果也验证了该方法理论上的正确性。
跟踪系统误差数字补偿的方法是在传统电缆补偿和、差支路相差的基础上,对系统误差做进一步处理,从而降低方位、俯仰的交叉耦合,提高跟踪的精度。实际上也可以不经过电缆补偿,而直接对跟踪系统误差做数字补偿。方法上没有任何区别,在对系统做数字补偿的同时,也完成了对和差支路的数字校相。可以认为此时和、差支路引入的系统误差过大,但需要对天线和差网络到信道设备电缆的长度,提出一个射频相位上的技术指标,以保证线缆故障后的更换。
4结束语
系统误差数字补偿的方法是针对TE11模为和模、TE21模为差模的二维跟踪系统进行分析和测试的。但是该补偿方法并不只适合差模天线的跟踪系统,对于多喇叭天线的二维跟踪系统同样适用,只是补偿算式的表达式有所区别。补偿算式是针对单频点来分析和测试的,对于宽带的下行信号,可以间隔地选取频点做测试,能够在满足系统指标的前提下降低工作量。采用数字补偿技术的两维单通道单脉冲跟踪系统已经应用到工程中。
参考文献
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数字脉冲技术 篇4
一、明确脉冲与数字电路在电子工程中的重要性
脉冲与数字电路是理工类专业的一门基础学科,它是通向理工类各专业的桥梁,对于数字化信息飞速发展的今天,是理工类任一专业不可缺少的一门课程,它的内容主要包括脉冲的产生、整形、变换、传输、控制、记忆、计数、显示等,而这些电路内部的基本状态是晶体管的导通与截止,电容的充电和放电。尤其从本世纪末开始,人类将逐步进入信息化社会,作为支持信息化社会基础的微电子技术、计算机技术、通信技术和多媒体技术等,以其前所未有的速度向前发展,特别是以计算机技术和通信技术结合而发展起来的计算机网络技术、计算机技术与电视技术结合并发展起来的多媒体技术正改变着人们的工作、学习和生活方式,为适应信息化社会的发展,必须掌握脉冲与数字电路。
二、学习脉冲与数字电路要善于和模拟电路相比较,以利于记忆
电子技术研究的对象包括电子元器件及其用这些元器件所组成的基本功能电路,以及用某些基本功能电路组合成的具有专门用途的装置或系统,电子技术又分为模拟电子技术和数字电子技术两大部分,其中模拟电子技术是研究平滑的,连续变化的电压或电流--模拟信号下工作的电子电路及其技术;而数字电子技术则是研究离散的、断续变化的电压或电流一数字信号下工作的电子电路及其技术,可通过两者的概念和波形进行比较,便于加深理解。电子技术基础知识包括半导体二极管、半导体三极管、场效应管、部分典型集成电路等元器件,其中三极管有饱和、截止和放大三种工作状态,在模拟电子技术中,主要利用其放大状态去研究信号的放大及信号的处理,输入输出是线性关系,而在数字电子技术中主要利用元器件的导通与截止或饱和与截止,表示电路的开与关,这是两种很清晰的状态,再没有模棱两可的其它状态,其输入和输出是非线性关系。在脉冲电路中,二极管和三极管是组成开关电路的最基本元件,一般上学习脉冲与数字电路都具备了元器件及模拟电路的知识。因此在学习中要善于将两种电路的分析方法加以区别,加以比较,才能加深理解,便于记忆。
三、学会分析各种逻辑门电路
数字电子技术仅研究开或关状态,为了简便地描述逻辑关系,通常用熟知的符号“0”和“1”来表示某一事物的对立状态,例如电位的“高”与“低”、脉冲的“有”和“无”、开关的“合”与“断”、事物的“真”与“假”等。这里的“0”和“1”的概念,并不是通常在数学中表示数量的大小,而是作为一种表示符号,常称之为逻辑“0”和逻辑“1”。逻辑门电路指的是具有多个输入端和一个输出端的开关电路,它按照一定的规律而动作,逻辑门中逻辑的内涵是指一定的因果关系,即“条件和结果的关系”,因此在逻辑电路中,若用“1”表示有信号或满足条件,则用“0”表示无信号或不满足条件,通常用电位的高、低控制门电路,最基本的门电路包括与门、或门和非门,逻辑门电路是构成数字电路的基本单元,由基本逻辑门可以组成复合逻辑门。
如与非门、或非门、与或非门和异或门等,在分析逻辑门电路时,必须首先根据逻辑关系图或电路图进行分析,然后写出逻辑关系式或用真值表来表示,最后概括出电路的逻辑功能。
例如分析与门电路,其过程如下:
(一)、与逻辑关系
与逻辑关系可用串联开关控制一盏灯来说明(如图),图中A和B作为条件的要素,L作为结果,由图可见只有开关A和B都闭合时,灯泡L才亮,只要有任一开关(A或B)断开,灯泡都不亮,因此,灯泡L(结果)与开关A和开关B(条件)的关系为与逻辑关系。
(二)、用二极管开关组成的与门电路(如图)
设电路其具有两个输入端,分别为A、B、假设它们的低电平为0V,高电平为3V,Y为信号输出端。分析如下:
1当A、B都为低电平OV时,二极管V1、V2都导通,Y=OV,输出低电平。(V1、V2看成理想二极管,下同)。
2当A=3V,B=OV,V2优先导通,输出Y端被箝位在OV,V1截止。
3当A=OV,B=3V,V1?优先导通,输出Y端被箝位在OV,V2载止。
4当A、B都处在高电平3V时,V1与V2均导通,Y端输出高电平(即3 V)。
列表表示如下:与逻辑关系
若低电平用“0”表示,高电平用“1”表示,还可列出如下真值表:与逻辑关系
由上述分析可知,输入端全为高电平“1”时输出也为高电平“1”;输入端有一个或一个以上为低电平“0”时,输出为低电平“0”,故与门电路的逻辑功能是“有0出0,全1出1”,其逻辑关系可用如下逻辑函数表达式:Y=A·B来表示。只要掌握了基本的分析方法,分析其它门电路就可迎刃而解。
四、掌握组合逻辑电路的分析及其设计方法。
在实际应用时,大多数是将一些基本的逻辑门进行组合,构成组合逻辑电路,例如在数字计算系统的编码器、译码器等,这类电路的特点是:任意时刻的输出状态直接由当时的输入状态决定。
(一)组合逻辑电路的分析:
步骤:首先根据给出的逻辑电路由输入到输出逐级推出输出表达式,然后化简表达式,再将化简后的表达式写出真值表,分析逻辑功能。
例如分析下面的组合电路:
1、从输入端向输出端逐级写出输出表达式
2、化简
根据化简后的表达式:
得真值表如下表:真值表
由真值表可见,此电路的逻辑功能是“相同出0,相异出1”。
(二)组合逻辑电路的设计方法
问题:设计一个监测信号灯工作状态的逻辑电路,每一组信号灯由红、绿、黄三种灯组成,正常情况下,任一时刻的状态只能是红、绿或黄加上绿当中的一种,而当出现其它情况时,表示电路发生故障,要求逻辑电路发出故障信号,以提醒维护人员去修理。
答:1、首先进行逻辑抽象,以信号灯的组合状态为输入信号,分别用R、A、G表示红、黄、绿三种信号灯,并确是三种灯亮时为“1”,灭时为“0”,以故障信号为输出信号,并以Y表示,并确定“Y”为“1”时有故障,Y为“0”时无故障。
2、写逻辑真值表
根据逻辑和给出的问题,得真值表如下图:
真值表
3、写逻辑函数表达式:
4、用卡诺图化简
可得最简与或表达式Y=R·G+R·G+A·G
5、画逻辑图
根据化简后的表达式,画得实现要求逻辑图如下:
五、掌握存储信息的基本单元——触发器及其组成的时序逻辑电路
(一)触发器是一种具有记忆功能的基本时序逻辑电路。
触发器具有存放和记忆信息的功能,是一种数字记忆器件,它具有两种稳定的状态,这两种稳定态可以分别用二进制数码0和I表示。如果外加合适的触发信号,触发器的状态可以发生转换,从而使触发器存储的数码在O和I之间变化,触发信号消失后,电路的状态将保持不变,一个触发器只能寄存一位二进制数,根据逻辑功能的不同,触发器可分为RS、JK、D、T等类型,其中JK触发器功能最齐全,通用性强,应用最为广泛,JK触发器的真值表是:
从真值表可见:当J=K=O时,触发器保持原来状态,这就是记忆功能;当J=O,K=I时,触发器置O;当J=I,K=O时触发器置I,置0、置I是触发器的置数功能;当J=K=I时,触发器状态翻转,这就是触发器的计数功能。
(二)时序逻辑电路
在时序逻辑电路中,任一时刻的输出,不仅取决于该时刻的输入,而且还与电路原来的状态有关,计算机中的常用部件(寄存器、计数器等)是由触发器的组合构成的,如四位数码寄存器可由四个D触发器组成,如图:
当CR=O,寄存器清除原来数码,Q0～Q3均为O态。寄存数码时,CR=I,若要存放的数码为IIOO,则寄存器的输入D3D2D1D0为IIOO,当接收指令脉冲的上升沿到来时,寄存器的状态D3D2D1D0为IIOO,只要CR=I,CP=O,寄存器处于保持状态,这就完成了接收并暂存数码的功能。
计数就是统计输入脉冲的个数,能实现计数操作的电路叫计数器。如用三个JK触发器组合而成的三位异步二进数加法计数器,如图:
计数器工作前先清O,使CR=O,则Q2Q1Q0=O,每输入一个CP脉冲FF0翻转一次,每输入二个脉冲FF1翻转一次,每输入四个CP脉冲FF2翻转一次,三位二进制异步加法计数器状态表如下:
触发器各输出端波形如图
从波形图可以看出,各触发器都是在触发脉冲的下降沿翻转,且Q0的频率是CP的二分之一,Q1的频率是Q0的二分之一,Q2的频率是Q1的二分之一。可见计数器在数字电路中有广泛的应用,它除了用计数外,还用于分频、定时、测量等方面。
六、做好脉冲与数字电路的实验
脉冲数字电路的电磁兼容性设计 篇5
1.1 地噪声干扰
噪声大多数以共模信号的形式通过信号线、电源、地线串入电路系统, 影响电路正常工作。而通过地线产生的低噪声干扰最常见、最难消除。低噪声干扰分为共地阻抗干扰和地环路干扰。
1.2 瞬态干扰
瞬态干扰主要是开关电路产生的干扰, 开关波形可以表示成矩形波, 用频谱分析仪观察开关波形的频谱可知:其谐波幅度从基频开始以每十倍程20d B速率下降直至。超过该点后, 以每十倍程40d B的速率下降, 可见开关波形的高频偶次谐波占主导地位。
1.3 静电干扰
设备的任何暴露部分都会发生静电放电 (ESD) , 如键盘控制键、外接电缆和直接接触的金属现象附近导体放电产生大的局部瞬态电流。该电流通过堤岸耦合或共阻抗耦合在设备中感应电流。
1.4 电力线干扰
该干扰主要来自电源的横向模噪声和共模噪声。
2 脉冲数字电路被干扰得一般情况
2.1 数字波的一般特征
对于数字电路, 理想的脉冲波形应具有以下几个特征。
(1) 幅度一定; (2) 重复周期或脉冲宽度一定; (3) 波形无畸变, 不寄生其它非工作信号波形; (4) 没有相位偏移; (5) 零电平保持基准不变。实际电路中, 由于各种各样的电路条件以及传输过程中各种因素的干扰, 上述理想条件并不是都满足。例如当脉冲信号通过电容时就失去了支流分量, 零电平可能要偏离基准线而发生变化;电力的时间常数不合适将使脉冲波形发生畸变;信号如通过电感将产生相移。且随频率而变化。在包含频率极宽的脉冲波形中, 其每个频率的相移大小各不相同, 故要产生波形畸变。这种畸变也许并不完全是由噪声引起的, 但也将导致脉冲数字电路工作的不可靠。因此, 信号的畸变是引起数字电路工作异常的重要因素之一。
2.2 数字波被干扰的现象
接口电路所传输的脉冲信号, 经常受到的几种干扰波形如图1所示。图2所示的几种波形是理想脉冲通过不同参数电路时的输出波形。显然图2 (b) ~ (e) 中的波形都发生了畸变 (见图1, 2) 。
3 脉冲数字电路干扰的抑制
3.1 尖峰脉冲干扰
(1) 引入选通脉冲;为消除电路输出端出现的尖峰干扰脉冲, 常在可能产生竞争冒险脉冲门的输入端增加一个选通脉冲输入端, 只有在输入信号转换完成、电路状态达到稳定后才因入选通脉冲, 这是输出才发生变化。因此, 在因入选通脉冲作用下电路输出不会产生干扰脉冲, 从而消除了尖峰脉冲干扰。 (2) 输出端与地之间并接小电容;在脉冲数字电路中, 尖峰干扰脉冲的宽度是很窄的, 在电路输出端对地接了一个很小的电容后, 由于电容充放电需要一定的时间, 因此, 它可有效地抑制干扰脉冲的幅度, 使其对电路不产生干扰。小电容通常为数十到数百微法拉。 (3) 用时钟脉冲封锁尖峰干扰脉冲;在脉冲数字电路中, 由于各触发器都使用下降沿 (上升沿) 触发的, 且尖峰脉冲都出现在时钟CP下降沿 (上升沿) 后的一段时间内, 因此, 可以用CP作为各译码器门的输入将其封锁掉, 这样译码器输出的顺序脉冲就没有尖峰干扰脉冲了。
3.2 接口电路干扰
提高接口电路抗干扰性能的途径是设法保证传输通道和信号处理电路的正常工作, 以避免信号在传输过程中的畸变和受到干扰。方法是对干扰源进行隔离;对串入的干扰信号进行衰减、消波与限幅;对工作信号进行隔离、整形与提取, 以及采取必要的硬件措施和软件技术, 来保证传输通道中信号的“清洁度”。
4 结语
目前大多数数字设备都是采用各种集成
(g) 尖峰干扰; (h) 高频寄生振荡。微电路器件组成, 审慎地选择适宜的逻辑功能器件、设计接口电路和印刷板电路等功能性设计及抑制各种电磁噪声的电磁兼容性设计同等重要, 而且在功能设计的同时就要进行电磁兼容性设计。本文论及的数字电路内部噪声源及其抑制技术, 仅仅是数字设备电磁兼容性设计要考虑的一个方面。它还涉及到数字电路输入回路及输出回路噪声抑制、系统内传输线串扰和反射的抑制、数字电路开关电源的噪声抑制、以及外部环境电磁辐射的抑制等。因而就数字实用设备工作的可靠性而言, 电磁兼容性设计任务具有更大的艰巨性, 更应该受到设计师们的关注。
摘要：在分析数字电路内部电磁噪声的形成机理及噪声的抑制技术的基础上, 详细地介绍数字电路尖峰脉冲干扰和接口电路干扰的抑制。
关键词：数字电路,脉冲噪声,电磁兼容性,竞争冒险
参考文献
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数字单脉冲电源在电镀中的应用 篇6
随着社会生产力的发展和市场经济的日益繁荣, 特别是我国加入世界贸易组织后, 我国的电镀行业遇到更多的机遇与挑战。
电镀, 即采用电化学的方法使金属离子还原为金属, 并在金属或非金属制品表面形成符合要求的平滑、致密的金属覆盖层。电镀后的镀层性能在很大程度上取代了原先基体的性质, 起到了装饰与防护的作用。随着科学技术与生产力的提高, 电镀工艺已经在各个领域发挥着不可替代的作用。电流通过镀槽是电镀的必要条件, 镀件上的金属镀层就是在电流流过电镀槽时所产生电化学反应而形成的。
根据电镀的基本原理, 改进电镀质量有两个方法:调整电镀溶液;改进电镀电源[1]。现实中人们广泛采用改进电镀电源的方法来提高电镀的性能。在电镀电源的发展过程中, 由全控型电力电子开关构成的脉冲电源是电镀电源的一次革命。这种电源体积小、性能优越、纹波系数小、不易受输出电流的影响。
1脉冲电源电镀的基本原理
脉冲电源电镀是一项新的电镀技术。它的特点是由脉冲电流对电极过程动力学的特效影响所决定的, 其中最重要的是对传质过程中的影响。在直流电镀时, 镀液中被镀出的金属离子在阴极表面附近溶液中逐渐被消耗, 造成了该处被镀金属离子与溶液中该离子的浓度出现差别。这种差别随着使用的电流密度的增高而加大。当阴极附近液层中的该离子的浓度降到0时, 就达到了极限电流密度, 传质过程完全受到扩散控制。但在脉冲电镀时, 由于有关断时间的存在, 被消耗的金属离子利用这段时间扩散、补充到阴极附近, 当下一导通时间到来时, 阴极附近的金属离子浓度得到恢复, 故可以使用较高的电流密度;因此脉冲电镀时的传质过程与直流电镀时的传质过程的差异, 造成了峰值电流可以大大高于平均电流, 促使晶体形成的速度远远高于晶体长大的速度, 使镀层结晶细化, 排列紧密, 孔隙减小, 电阻率低。并且直流电镀时的连续阴极极化电位下的各种物质在阴极表面上的吸脱附过程与脉冲条件下的间断高阴极极化电位下的吸脱附过程的机理有了很大的差异, 造成了同样的溶液配方及添加剂在电源波形不同时, 表现的作用差异也很大。
脉冲电源其电流呈脉冲方式流动, 并可在瞬时产生高密度电流;因此, 在电镀时能将底层均匀地涂覆到镀件上, 并使之加速, 提高了效率;镀件表面均匀、细致, 使金银等贵重金属得到很大的节约。由此可以看出, 可以调节占空比及频率的脉冲电镀电源, 尤其是开关电源, 将随之得到广泛的应用。
2数字单脉冲电源硬件系统框架
所谓数字脉冲电源, 就是采用微处理器等数字电路对脉冲电源中的直流斩波进行控制, 并实现数字显示与数字调节的一种脉冲电源。它是现在最先进的电镀电源, 也是电镀电源的发展方向。
数字脉冲电源一般分为双脉冲电源与单脉冲电源两种。数字单脉冲电源的原理框图如图1。
目前, 大多数斩波系统利用全控型电力电子器件MOSFET和IGBT对直流电源进行斩波[2], 达到脉冲输出的目的。改变开关管的方波驱动信号, 便可以实现脉宽及频率的调节。
系统中核心的问题是定时:电镀时间的定时以及驱动开关管的脉冲定时, 而且后者的定时精度直接影响输出脉冲波形的频率精度。同时考虑系统的显示以及按键处理的因素, 本系统采用了双CPU的系统设计结构[3]。
双CPU系统的关键是主从CPU的协调与通信。实现的条件是:
(1) 能满足系统的实时性要求, 响应及时, 并能完成系统的所有设计功能;
(2) 软硬件实现不能过于复杂。
在单片机的应用系统中, 双CPU或者多CPU系统的构建通常有以下几种形式:
(1) 采用双口RAM方式;
(2) 采用并口通信方式;
(3) 采用串行通信方式;
本系统采用串行通信的方式来连接。双CPU系统原理框图见图2。
按照设计要求与方案, 本系统的功能模块有显示、按键电路、复位与看门狗电路、主CPU系统、从CPU系统、斩波控制电路等。
(1) 主CPU系统
主CPU系统主要管理显示电路、按键电路、运行状态控制以及向从CPU系统发送脉冲参数等。本CPU选用89C52, 暂停时通过P11控制暂停指示灯发光指示, 喂狗信号由P10输出。主从CPU的握手信号为R/P。考虑到主CPU系统对定时的要求不高, 采用6 MHz主频信号。
(2) 从CPU系统
从CPU系统选用89C2051单片机, 唯一的任务是产生斩波所需要的脉冲信号。ATMEL公司生产的这种型号单片机是一种低功耗、高性能的8位CMOS微处理器芯片。片内带有2 kB的闪烁可编程及可擦除只读存储器, 与工业标准的80C51指令集相兼容。
(3) 复位与看门狗电路
按照系统的设计要求及长期连续运行等实际情况, 本系统的复位必须考虑三种情况:上电复位、手动复位及看门狗定时器溢出复位。采用MAX813L电源监视电路。主从CPU系统共用复位信号, 当系统中任何一个子系统运行失效时, 必须共同复位。
(4) 主系统显示与按键电路
考虑到电镀的实际生产, 显示采用数码管, 同时为了减轻主CPU的负担, 简化硬件设计, 显示与按键电路通过8279专用接口芯片与单片机相连。
3软件系统设计
采用双CPU系统, 2个CPU各司其职, 使软件的设计难度降低了。
3.1主系统软件
主系统主要有4大功能模块组成:主程序模块、串行通信模块、T2定时中断服务程序、参数编辑模块。4个模块的功能分别是:
主程序模块:系统初始化及其他模块的协调与调用。
串行通信模块:主要向从系统发送编辑好的ton, toff及T等参数。
T2定时中断系统服务模块:计算电镀时间, 即对T参数倒计时处理。
参数编辑模块:编辑输入脉冲所需的ton, toff及T等参数。
主系统主程序框图见图3。
3.2从系统软件
从系统软件主要有3大模块:主程序模块、串行通信模块、T1定时中断服务程序。从系统主程序框图见图4。
4结论
随着科技进步, 电子、通信、信息等技术的不断发展, 电镀数字脉冲电源的应用将会越来越广, 合理使用脉冲电源必将对我国电镀行业的发展起到很大的作用。
参考文献
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[2]韩苗兴, 何永夫.电镀用脉冲电源的应用推广[J].电镀与精饰, 2002, 24 (3) :27-29.
数字脉冲技术 篇7
1 脉冲压缩
为了获得高的距离分辨率,线性调频回波信号经过混频和零中频处理后,必须送入匹配滤波器进行脉冲压缩。匹配滤波处理就是对目标回波信号完成相关运算的处理,实现这一过程通常可以通过时域卷积处理和频域FFT处理两种方法[3],但它们实现方法的本质是一致的,都是一种以输出最大信噪比为准则的最佳线性滤波器。对于时域匹配滤波的方法,等效于求离散接收信号与发射波形离散样本之间的复相关运算。这种方法电路简单且实现方便,电路复杂度只与压缩比有关,与重复周期长度无关。具体算式如式(1)所示[4]
式(1)中,x(n)为信号采样;w(n)为滤波器系数。XI(n),XQ(n)分别为采样复信号X(n)的实部和虚部,WI(n),WQ(n)分别为滤波器复系数的实部和虚部,则式(1)可表示为
对于线性调频雷达信号而言,其匹配滤波器系数可设计成对称形式[5]。对称系数的FIR滤波器,可使得复数乘法运算次数下降50%,可大大提高器件的运算效率。
式(3)中,m=Int(N/2),Int(·)为取整运算,rem为求余运算。
2 IQ时序故障对脉压影响分析
由上式(2)可知,实际进行时序电路设计或者数据采集分析时候,由于IQ的时序错误(IQ颠倒、IQ错位)等给脉压结果造成错误或致命影响。以IQ颠倒情况为例,此时有
由式(4)可以看出,当权系数虚wQ不为0时,则无法正确压出脉压波形。同理当IQ错位时,脉压结果相比于式(2)都发生变化,脉压波形出现畸变。对于上述多种情况,用公式推导无法给出最具体的脉压结果,下面将以仿真结果图形形式给出直观的分析和视觉对比。
对于由IQ时序错误造成非常明显非正常脉压的情况,可以断定故障并进一步查明原因;但是对于那些造成错误不明显,在调试过程中不容易察觉,甚至会对电路设计和数据分析造成误导的情况就要格外注意,否则会对系统造成很难解决的问题。通过对电路设计和实际数据分析过程中的经验,以及测试数据和实际采集数据的仿真分析,总结了一些IQ时序错误相对应的脉压结果,希望通过这些总结给电子工程师在设计和调试过程中提供借鉴。文中的仿真结果与实际电路调试过程中对应情况的示波器输出波形一致,验证了文中的正确性。
2.1 测试信号仿真分析
现产生一500点的LFM测试脉冲信号并叠加高斯白噪声,对其进行Hammming加窗脉冲压缩处理,其仿真结果,如图1所示。其中图1(a)是其正确脉压图(Hamming加窗),图1(b)是I,Q信号错位脉压图,即x(n)=XI(n)+XQ(n-1)j。图1(c)是I,Q信号颠倒后的脉压图,即X(n)=XI(n)j+XQ(n)。图1(d)是I,Q信号颠倒且I,Q信号错位脉压图,即X(n)=XI(n)j+XQ(n-1)。对于I,Q信号2次、3次错位等情况,同一次错位相比有很大相关性,文中不再赘述。由图1可以看出:I,Q信号错位会造成脉压的副瓣整体抬起;I,Q信号颠倒则导致脉压完全失效,压不出窄脉冲;若I,Q信号既颠倒又错位,却反而可以压出窄脉冲,只是脉压结果严重变形,主副比和脉压信噪比得益都大大降低。
2.2 实采数据仿真分析
测试数据理论仿真给出了上述的脉压对比图,下面通过实际采集数据的分析,进一步总结规律并验证上述结果的正确性。某雷达实际采集的数据,用Matlab仿真工具读取I,Q数据并进行格式转换处理,对其进行全程脉冲压缩,仿真结果如图2和图3所示。图2显示的是实采数据的一个脉冲重复间隔PRF内正确全程脉压图,横坐标为对应的距离单元,近区叠加在“鼓包”上的窄脉冲为泄漏主波的脉压结果。距离单元3 000 s附近的窄脉冲为远区一强运动目标的脉压结果。图3所示的3个子图是数据I,Q时序有问题时对应的脉压图,子图3(a)是I,Q信号错位脉压图,子图3(b)是I,Q信号颠倒后的脉压图,子图3(c)是I,Q信号颠倒且I,Q信号错位脉压图。由3个子图可以看出,I,Q信号时序错误对脉压的影响与理想测试信号的对应情况脉压结果一致,泄漏主波和目标信号的脉压结果都发生畸变,脉压的噪声基底上叠加类似sinc函数的大“鼓包”,且占据很多距离单元,脉压的主副比严重下降,信噪比得益显著变小。在电路调试过程中,设置几种I,Q出错情况,输出脉压信号经D/A转换器后送示波器显示,结果与仿真分析一致。
3 结束语
文中对脉冲压缩的原理和工程实现作了阐述,并针对工程设计和数据分析过程中容易出现的I,Q时序错误,通过测试信号和实采数据进行了仿真分析,总结了多种时序错误对应的脉压波形,给出了直观的结果。对工程设计人员在实际调试阶段查找故障具有指导意义,同时可以迅速察觉诸如I,Q错位且颠倒等能压出窄脉冲的隐蔽问题,通过文中给出的副瓣波形可以快速定位错误并解决。
摘要：雷达系统中,数字脉冲压缩可以获得较高的距离分辨率。传统的数字脉冲压缩采用正交双通道处理,即复信号的I路和Q路分别送往硬件处理器,进行合成脉压。由于IQ颠倒和错位等时序问题,给脉压带来多种消极影响,对调试和研究造成一定的误导。文中分别以测试信号和实际采集数据对上述情况进行仿真,仿真结果证明多种时序错误对应的脉压波形,对工程设计和调试有一定的借鉴意义。
关键词：线性调频,脉冲压缩,正交双通道
参考文献
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数字脉冲技术 篇8
通常测控系统从外界获取数据时无论是模拟信号还是数字信号都会有干扰信号的存在,并且干扰信号经常是无规律的变化,会使系统产生随机误差。为克服这种现象,消除随机误差,使采样得到的数据尽可能的靠近真实值,可采用数字滤波技术,其优点:高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等;可以对很高或很低的频率信号进行滤波,这是模拟滤波器所不及的;扩展性好,在实际使用中,只要适当改变软件滤波器的参数,就可改变滤波特性[1]。
从系统集成的角度出发,利用FPGA速度快、精度高、灵活性好、集成度高、可靠性强等优点[2],设计脉冲信号数字滤波系统的各个主要模块,用两种方法分别实现对干扰信号的有效滤除。
1 数字滤波实现方法一
该脉冲信号数字滤波器组成包括:门控电路、计数器和数字比较器。实现原理:利用输入信号fin上升沿使能计数器开始计数,下降沿使能数字比较器,将计数器的计数值与来自微处理器的预设值进行比较,从而决定脉冲产生电路是否有脉冲输出。单路脉冲信号滤波原理如图1所示。
微处理器将预设的要滤除干扰信号对应的最小脉宽转换成8位的数字量并送入FPGA中的锁存器锁存,然后再将锁存后的数字量送入数字比较器中[3]。门控电路对输入信号fin高电平持续期间的高频时基信号f0(由25MHz的外接晶振提供)进行选通。当输入信号fin上升沿到来时控制计数器对选通的时基信号f0进行计数,输入信号fin下降沿控制计数器停止计数,并将计数值送入数字比较器,数字比较器对计数值与预设数字量进行比较,若计数值小于预设值,则判断该脉冲为干扰信号,将其忽略;若计数值大于设定值,则判断该脉冲为有效信号,并由数字比较器输出一个有效脉冲fout。通过此方法,实现对输入脉冲信号的滤波。
1.1 计数器
计数器的作用是对选通的时基信号进行计数,计数电路如图2所示。
1.2 数字比较器
数字比较器如图3所示。
1.3 实验结果及分析
实验仿真是在QUARTUS II 9.0软件环境下进行的,仿真图如图4所示。其中f0为高频时基信号,选取的频率大小为25MHz,由外部晶振提供;fin为输入信号,其波形上叠加有干扰信号;f1为比较器输出信号;fout为脉冲产生电路的输出信号。
输入信号fin上升沿出现后,计数器开始计数。当输入信号fin下降沿时使能数字比较器。如果输入信号fin是有效信号,则比较器输出信号f1输出低电平,随后变高并送入脉冲产生电路,最终输出信号fout为低电平,直到输入信号fin下一个上升沿到来时输出信号fout变为高电平。当输入信号fin中的干扰信号上升沿出现时,计数器同样开始计数,干扰信号下降沿时比较器输出信号f1输出高电平,并送入脉冲产生电路并输出高电平,直到输入信号fin为有效信号时,再次按照之前的方式输出脉冲信号。
该滤波方法能有效地将干扰信号滤除,且有效脉冲个数不会丢失,如果在脉冲产生电路后面连接计数器,则计数结果也不会受影响。但是滤波后信号fout相比输入信号fin而言,脉宽发生变化,出现周期不均匀情况,所以对于要求输入与输出信号波形不发生变化的情况,该滤波方法存在弊端,有必要对其进行改进。
2 数字滤波实现方法二
2.1 工作原理
改进后的单路脉冲信号滤波原理如图5所示。
2.2 实际电路
实际电路连接如图6所示,高频时基信号f0同样由25MHz外接晶振提供,可预置计数器1和2分别对应图5中的延迟电路1和2。该计数器在微处理器发送的预设值基础上进行计数,并且通过预设值和高频时基信号f0共同决定该延迟电路的延迟时间长短,预设值和高频时基信号f0越小,则延迟时间越长,反之延迟时间越短。D触发器、与门和非门组成脉冲产生电路[4],输出滤波后信号fout。
输出信号fout分为两路,一路经反相后送入可预置计数器1,目的是清零可预置数计数器1,当下次上升沿时计数器重新预置数;另一路和高频时基信号f0相与后作为时钟信号送给可预置计数器2的时钟端。
2.3 实验结果及分析
改进后的滤波方法仿真如图7所示。
从仿真图中可看出滤波后的信号fout相比输入信号fin而言有一定的延迟,延迟时间的长短主要取决于微处理器发送的预设初值的大小。滤波后的信号fout有效地滤除了干扰信号,并且波形占空比相比输入信号并未发生改变。
3 结语
(1)两种方法均可实现对干扰脉冲的滤除。由于脉冲电路数字滤波器的后面往往连接计数器,这两种方法均不影响计数器的正常工作。
(2)方法一虽然滤除了干扰,滤波后的输出波形中有效脉冲也没有丢失,但波形的形状发生了变化;而方法二除可对干扰脉冲进行滤除外,还可保证原来信号脉冲的波形不发生变化。
(3)被滤除的干扰脉冲频率范围取决于高频时基信号f0,若f0选取频率为25MHz,理论上可以对频率范围为50k～12.5MHz的干扰信号进行滤除。如果高频时基信号f0的取值选取50MHz或100MHz时,理论上可以分别对97k～25MHz和195k～50MHz频率范围内的信号进行滤波,即f0取值越高则滤波范围越宽。
仿真结果表明,在FPGA芯片中实现对脉冲信号数字滤波相比于一般实现方法的电路规模更小,并且有更高的执行效率。FPGA器件的可编程特性,使得电路功能扩展及改进变得更加方便[5]。
参考文献
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