基于PXI总线的信号调理卡的设计

孙　吉，张丕状

(中北大学 信息探测与处理技术研究所，山西 太原 030051)



基于PXI总线的信号调理卡的设计

孙吉，张丕状

(中北大学 信息探测与处理技术研究所，山西 太原 030051)

摘要：在微波雷达测速当中信号会受到各种噪声的干扰以及信号的幅度不良会影响后续信号的分析，为了提高测速中前端信号处理的便捷性和优化前端信号的质量，提出了一种基于PXI总线、带有自动增益控制功能的信号调理单元的设计方案，对信号进行滤波处理并且对信号的幅度进行增益的控制，提高后续信号处理的准确性和可靠性。该调理卡分为两路通道，分别对毫米波和厘米波进行处理，通过PXI总线控制板卡上的模拟开关来实现两路通道中带宽的高速切换。实际的测试效果表明，设计的PXI信号调理卡达到的主要技术指标能够用于多普勒信号调理，满足内弹道多普勒信号采集的要求。

关键词：峰值检波电路；PXI总线；滤波器；自动增益控制

雷达测速系统实现的技术难点是多普勒频率信号的提取[1]，本文研究的具体内容是对多普勒信号前端的滤波和信号幅度的自动增益控制，通过对信号的处理来获得更有效的信号。该调理卡的创新之处在于利用北京航天测控技术有限公司生产的基于Windows 8系统的PXI智能平板(产品代号为AMC58222)作为开发平台，该试验平台紧跟国际测量系统的先进步伐，对于户外试验是一个很好的工具，携带方便，该板卡的作用是对信号进行滤波处理，分离出有用信号，并且让信号稳定在一个理想的处理范围内，便于对信号后续的分析及处理。

PXI总线[2，3]已被广泛应用于试验、测量与数据采集等各种系统中，PXI总线是NI公司继PCI总线之后开发的面向仪器的PCI系统的扩展，它既有PCI(Peripheral Component Interconnection-外围组件互连)的电器特性又具有Compact PCI(紧凑PCI)的坚固性、与模块化，以及Eurocard的机械封装特性。由此可知，在恶劣环境下的数据采集中，PXI更具有优势，对于PXI总线的研究有利于更深入的应用及开发各种功能的数据采集卡，以及用于数据的存储及处理的微机系统的开发。

在PXI总线的环境下，设计带有自动增益控制功能的信号调理单元，在自动增益模块中最关键的是检波环节。检波的好坏直接决定了自动增益控制单元能否正常工作，所以本论文核心部分在于滤波器自动增益控制的功能的实现。

1总体设计方案

众所周知，在微波雷达测速的过程中，会受到测试环境中各种噪声的干扰并且在测量过程中信号的幅度有可能会不稳定，故在处理信号之前需要对信号进行处理，滤掉噪声，对有用信号幅度进行适当的处理，在了解有用信号的频带之后开始设计带通滤波器。通过对未处理时的理想信号频率的分析，设计时分别设计了两路带宽不一样的带通滤波器，分别对应的是毫米波(CH1)频段和厘米波(Cp)频段。

如图1所示为该调理卡的总体设计方案，该板卡由数字电路和模拟电路组成，其中模拟电路芯片选用的是±5 V的电源供电系统，数字电路和模拟电路的供电是由PXI总线插槽提供的。

数字电路部分的作用是通过桥接芯片PCI9052将PXI总线转换为本地总线，再通过本地总线控制CPLD来控制板卡上模拟开关的通段。

模拟电路部分是本板卡设计的核心内容，包括两个通道的调理单元，并且带有自动增益控制功能。

图1　总体设计方案

2系统实现

2.1滤波器的设计

设计有源滤波器时，有三种主要的滤波器优化结构(巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔)。本文中采用的是巴特沃斯结构的滤波器。该带通滤波器中的低通滤波器的上限截止频率为fp1=640 K，高通滤波器的下限截止频率为fp2=6.4 K。滤波器采用的是Sallen-Key结构。

高通部分：

图2　截止频率为6.4 kHz的高通滤波器

由图2可知，前一级放大器为电压跟随器，起到了阻抗变换的作用，R51为阻抗匹配电阻，C50和R50与U1B构成了有源高通滤波器，截止频率为6.4 kHz。

低通电路部分：

图3　截止频率为640 kHz时的低通滤波器

如图3所示为四阶低通滤波器其截止频率为640 kHz。

在此使用四阶滤波器是为了获得更陡峭的过渡带特性。

2.2自动增益控制功能的设计

本环节论述了自动增益控制[4，5]的详细实现方案，在此使用的是具有ACG功能的芯片AD603，该电路的实现方法如下：

给定信号的范围为10 mV~2 V，当信号幅度很小时，放大倍数很大，随着信号幅度的变大，放大倍数变小，由下图可知，当信号低于1.57 V时，信号被放大，当信号大于1.57 V时，信号开始缩小，由此可见，电路实现了自动增益控制的功能。通过峰值检波器检波[6]后，再反馈给AD603的2引脚，通过和1引脚做差值，从而达到自动增益控制的目的。在电路的设计中，可以改变1引脚的基准电压(基准电压的大小可以通过滑动变阻器来调节)，以此达到将信号的幅度放大到实际所需的范围，从实验中可以发现，信号基本稳定在1~2 V左右。

在此过程中，检波电路是个最关键的环节，该检波电路使用的是峰值检波电路，该峰值检波电路的原理是(电路如图4)。

图4　检波电路部分

当信号大于零时，D4截止，D3导通，电容C114很快被充电，使V1=Vi，Vo=Vi，即输出电压Vo随着输入电压的的增大而增大，但不会超过Vi。

当Vi增大到峰值后开始下降时，U1A的同相端电压小于反相端电压，从而使D4导通D3截止。电容C114处于记忆状态，其电压Vc保持不变，则输出电压Vo保持为输入信号的第一个峰值Vimax。当Vi大于Vo时，重复上述过程。

数字电路部分：

桥接芯片PCI9052模块：

PCI9052的作用是将PXI总线转换为本地总线的桥接芯片，由于PXI总线的协议比较复杂，利用起来较为繁琐，故将其转换为易于操作本地总线。

CPLD模块：CPLD的作用为产生高低电平来控制板卡上的模拟开关。

模拟开关部分：

利用模拟开关对通道中的滤波器通带带宽进行选择，实现多普勒信号带宽的高速切换。

电平控制是由平板电脑通过PXI总线控制的。

2.3PXI接口驱动设计

该板卡软件的设计分为以下部分：

1) 应用程序部分；

2) 驱动程序部分；

3) CPLD程序部分。

应用程序是一个简单的上位机，通过DLL(动态链接库)与驱动程序进行通信。

驱动程序的编写是通过WinDrive来实现的，本系统的特点是在PXI总线的环境下实现了模拟开关的切换，使模拟开关可以通过带有PXI总线[7]智能平板电脑控制，而不需要接其他外围电路，使得信号的预处理更加的方便，快捷，易于携带，尤其在室外郊区实验时。

3实验测试

如图5所示，是在实测中给定的信号，上面的信号为输入信号，下面为输出信号，由图6可知随着信号的增大，信号也被放大，信号较小时，放大倍数变大，随着输入信号的逐渐变大，输出信号放大倍数变小，当信号大于2 V时(如图7所示)，信号开始缩小，基本稳定在1 V~2 V左右。

图5　输入频率100 kHz，输入电压为100 mV时的输出电压

图7　输入频率100 kHz，输入电压为2.04 V时的输出电压

4结论

针对目前微波雷达测速调理单元的体积庞大，不易携带的缺点，提出了一种可以集成到PXI总线板卡上的新型设计方案，通过平板电脑内的PXI总线来控制板卡上的模拟开关来控制板卡上的带宽，对两个不同带宽的多普勒信号进行处理，(输入输出信号通过BNC头给定，对噪声起到了很好的抑制作用，提高了信噪比，满足了实际应用时的需求。

参考文献

[1]杨蓉.多普勒雷达测速系统设计及信号处理方法研究[J].检测技术与自动化装置,2012(1)：1-3.

[2]王丽英.不断融合新技术,PXI应对未来测试挑战[J].今日电子，2015(7)：1-3.

[3]夏彦超.基于PXI总线的检测系统研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[4]刘崎.一种自动增益控制放大器的设计[J].电子制作，2015(14)：20-23.

[5]程望斌，杨陈明，江武，等.自动增益控制放大器的设计与实现[J].湖南理工学院学报(自然科学版),2015(2)：3-6.

[6]黄向东，刘立丰，谭久彬，等.调幅式电容位移传感器的峰值检波电路设计[J].光学精密工程，2012(11)：5-8.

[7]栾宝宽，田华明，王传刚.基于PXI的模块电路检测诊断系统软件设计[J].微机与应用2015(10)：8-10.

The Design of Data Acquisition Card Based on PXI Bus

Sun Ji, Zhang Pizhuang

(InstituteofSignalCapturing&ProcessingTechnology,TheNorthUniversityofChina,ShanxiTaiyuan030051,China)

Abstract:In the microwave radar speed measurement, the signal is disturbed by various noise and the bad signal amplitude affects the subsequent signal analysis. In order to improve the convenience of front-end signal processing in speed measurement and optimize the quality of front-eng signal, a design of signal conditioning unit based on PXI bus with AGC function is put forward which can filter the signal, make a gain control for the signal amplitude and improve the accuracy and reliability of the subsequent signal processing. The signal conditioning card is divided into two channels, respectively, the millimeter wave and centimeter wave is processed by the analog switch on the PXI control bus board for the high-speed switching with two channels in the bandwidth. The actual test results show that the design of the PXI signal conditioning card which can meet the main technical indicators can be used in Doppler signal conditioning and meet the requirements of Doppler signal acquisition interior ballistics.

Key words:peak-value detector; PXI bus; filter; auto gain control

中图分类号：TN957.51

文献标识码：A

文章编号：1674- 4578(2016)01- 0043- 03

作者简介：孙吉(1988- )，男，山西太原人，研究生，主要从事通信与信息系统的研究。

收稿日期：2015-12-18