CN103488074B - 一种变幅信号渡越时间测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变幅信号渡越时间测量装置，由于发射信号送入多路信号复用器后以串扰方式耦合到接收信号中，发射信号与接收信号就成为了一个整体信号，并进行相同的后续信号处理，这样可以更为准确地得到发射信号与接收信号之间的时间间隔。同时，本发明对接收信号采用RSSI包络检波，其边沿更为准确地反映了发射和接收信号的时间，也在一定程度上提高了时间间隔的测量精度。

Description

一种变幅信号渡越时间测量装置

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种变幅信号渡越时间测量装置。

背景技术

时间参数的测量在很多领域中都有着广泛的应用，而处理方面多半采用这样的工作过程：启动一定频率的方波发射信号，同时开启计时器，方波信号经处理后发射出去，收发电路接收到信号时，对接收的微弱信号进行放大和整形，输出方波，触发计时器停止计数。接收信号是微弱信号且幅值随着环境发射变化而变化，对接收信号简单地整形放大处理并采用固定的比较阈值也会引入一定的误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种变幅信号渡越时间测量装置，以实现发射信号与接收信号之间的时间间隔更为准确地获取。

为实现以上目的，本发明变幅信号渡越时间测量装置，包括：

多个发射信号产生电路，用于产生发射信号，其中，在一个时间段，只有一个发射信号产生电路工作，产生一个发射信号；

其特征在于，还包括：

多路信号接收电路前端，分别与多个发射信号产生电路连接，用于对发射信号、接收信号进行接收，并将接收的发射信号或接收信号送入多路信号复用器的一个输入端；

多路信号复用器，分别与多路信号接收电路前端连接，将其接收的接收信号选通并送入接收信号放大器中；所述多路信号复用器的输入端在输入信号超过一定阈值后，均可以以串扰的方式耦合到其他通道，这样，发射信号送入到信号选择输出器的输入端后，其幅度大于所述的阈值，发射信号耦合到选通的接收信号中；

接收信号放大器和RSSI（ReceivedSignalStrengthIndication，即接收的信号强度指示）包络检波器，对信号多路信号复用器选择的接收信号进行放大，然后进行RSSI包络检波，检波处理后的接收信号送入电压比较电路中；

电压比较电路，检波器处理后的接收信号与电压比较电路的阈值电压进行比较，得到方波信号，方波信号中第一个方波的上升沿时刻对应的是作为信号发射时刻，第二个方波的上升沿时刻对应接收信号的接收时刻；

时间测量单元，测量出第一个上升沿与第二个上升沿之间的时间差，得到发射信号与接收信号之间的时间间隔即渡越时间。

本发明的目的是这样实现的：

本发明变幅信号渡越时间测量装置，由于发射信号送入多路信号复用器后以串扰方式耦合到接收信号中，发射信号与接收信号就成为了一个整体信号，并进行相同的后续信号处理，这样可以更为准确地得到发射信号与接收信号之间的时间间隔。同时，本发明对接收信号采用RSSI包络检波，其边沿更为准确地反映了发射和接收信号的时间，也在一定程度上提高了时间间隔的测量精度。

附图说明

图1是本发明变幅信号渡越时间测量装置一种具体实施方式的***结构图；

图2是图1中送入传感器驱动信号产生电路的脉冲信号波形图；

图3是图1所示的信号选择输出器电路图；

图4是图1所示的传感器驱动信号产生电路的原理图；

图5是图1所示的驱动信号的波形图；

图6是图1所示的箝位后驱动信号的波形图；

图7是图1所示的多路信号复用器、接收信号放大器以及RSSI包络检波器电路图；

图8是图1所示RSSI包络检波器进行包络检波后的接收信号波形图；

图9是图1所示浮动阈值检电压比较电路的原理图；

图10是采用固定阈值比较电路电平反转得到接收方波信号示意图；

图11是采用浮动阈值比较电路电平反转得到接收方波信号示意图；

图12是图1所示的接收方波信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明变幅信号渡越时间测量装置一种具体实施方式的***结构图。

在本实施例中，如图1所示，本发明变幅信号渡越时间测量装置包括三个部分：作为主控处理器单元1、时间测量单元2、收发信号处理装置3。

在本实施例中，需要四个收发一体式的传感器303，分别对应东西南北四个方向，一个方向的传感器发射出发射信号并由其相对方向上的传感器接收。图1中，为了简洁起见，只画出了一个作为发射器的位于北的传感器NORTH以及作为接收器的位于南的传感器SOUTH，以及分别与它们联系的传感器驱动信号产生电路NORTH以及接收电路前端NORTH、SOUTH。

在本实施例中，主控处理器单元1控制时间测量单元2产生脉冲信号，并用作四路传感器驱动信号产生电路302中开关管MOSFET的控制信号，脉冲信号送入收发信号处理装置3完成传感器驱动信号的产生及接收信号的接收、处理等工作。即收发信号处理装置3包括多个发射信号产生电路、多路信号接收电路前端、多路信号复用器、接收信号放大器、RSSI包络检波器以及电压比较电路。

本发明变幅信号渡越时间测量装置的具体工作流程如下：主控处理器单元1控制时间测量单元2产生每隔10ms发出5个330kHz的方波脉冲序列即脉冲信号，输入收发信号处理装置3中的发射信号产生电路，在本实例中，发射信号产生电路包括传感器驱动信号产生电路以及作为发射器的传感器。为了保证一个时间段，只有一个发射信号产生电路工作，本实施例采用，输出选择器301来实现。

在本实施例中，脉冲信号经过信号输出选择器301，送入与选定作为发射器的传感器相连的传感器驱动信号产生电路NORTH302中，产生升压后的360Vpp的脉冲信号，并作为驱动信号输出给作为发射器的传感器NORTH产生发射信号。对应方向上的传感器SOUTH303作为接收器接收到发射信号并转换为电信号，作为收发信号处理装置3中的接收信号输入并转换为0-5V的方波信号后，输入时间测量单元2获取发射信号与接收信号之间的时间间隔，选择其他方向的传感器，得到该方向的发射信号与接收信号之间的时间间隔。

在变幅信号渡越时间测量装置启动后首先由芯片TDC-GP21产生5个频率为330kHz的方波序列的脉冲信号，如图2所示，（由于该信号频率较高，受信号传输路径上寄生电感和寄生电容的影响，导致该标准方波变为图2所示的波形），将其送入双路四通道模拟信号多路复用器/信号输出选择器74HCT4052，通过与主控处理器I/O口相连的S0和S1两个数字输入引脚进行选通。如图3所示，在本实施例中，S0、S1为0、0，这样将信号输出选择器301即多路复用器/信号输出选择器74HCT4052的1Y0端选通即驱动信号DRIVE_NORTH加载到传感器驱动信号产生电路NORTH302中脉冲变压器前端的MOSFET的栅极作为驱动MOSFT通断的控制信号。

由于本实施例中需要四个传感器，因此就有四路传感器驱动信号产生电路，而且这四路电路是相同的，图4给出了其中一路的传感器驱动信号产生电路，当传感器作为接收器时其后端的一部分电路是信号接收电路前端304。

如图4所示，12VDC电压经过两个并联的100Ω电阻R10、R11限流之后，作为脉冲变压器T1升压的初始电压，其中电容C13、C14为电源VCC_+12V的滤波电容。330kHz的方波脉冲序列加载至作为脉冲变压器初级线圈通断开关的MOSFET，可将12V的直流电压在经初、次级变比为1:30的脉冲变压器T1处理后，升压为Vpp接近400V的高压脉冲即驱动信号，如图5所示，再将该高压脉冲加载到传感器303上，激励其发射信号。

如图4所示，当脉冲变压器T1的次级线圈导通时，在传感器的后端接入一个隔离直流的电容C2，由于加在传感器上的电压很大(Vpp约360V)，该隔直电容选用的耐压值为1000V，同时为了避免高压脉冲对后面的信号处理电路造成损坏，在隔直电容的后端对地接入两个反向并联的二极管对BAV99W，这样接地的两个反向并联的二极管对后面接收电路的多路复用器/信号输出选择器74HCT4052输入端进行钳位，钳位后信号的电压幅值约为0.4V，如图6所示。

隔离直流的电容C2以及两个反向并联的二极管对BAV99W构成信号接收电路前端，施加到传感器上的驱动信号或传感器接收的接收信号经过隔离直流的电容C2后，送入多路信号复用器305中。

同时，由于选用的传感器为收发一体式的，为了避免当传感器作为接收器时接收信号和脉冲变压器T1的次级线圈构成回路，在脉冲变压器T1和传感器之间加一个NXP公司的高速双向二极管芯片BAV99W。

传感器接收到的信号非常微弱，是mV级的电压信号。由于二极管的导通电压为0.7V，接收信号的幅值使其不能通过BAV99W与脉冲变压器的次级线圈构成回路，而只能进入多路复用器/输出选择器74HCT4052相应的选通通道。在本实施例中，S0、S1为0、0，选择2Y0输入端输出。

如图7所示，由于传感器SOUTH作为接收器时接收到的信号ECHO_NORTH需要经过选通多路复用器/输出选择器74HCT4052相应的通道2Y0后才能输出，此时四个通道只有一个被选通。图4所示的传感器NORTH作为发射器时后端即信号接收电路前端的ECHO_SOUTH与多路复用器/输出选择器74HCT4052的选择输入端2Y4连接，因此该信号在多路复用器/输出选择器74HCT4052并未被选通。本实施例中，选用的双路四通道模拟信号多路复用器/选择输出器74HCT4052，当经过它的某一通道的串扰信号的峰峰值如果超过110mV，该信号就会以串扰的方式耦合到被选通的通道，然后经过-60dB的衰减之后从被选通的通道输出。从图6我们可以看出该信号的峰峰值超过即阈值110mV，因此该信号是以通道间串扰的方式通过多路复用器/选择输出器74HCT4052的，而接收器接收到的接收信号的幅值为mV量级，不会在多路复用器/选择输出器74HCT4052的通道之间出现串扰。这样，如图7所示，多路复用器/选择输出器74HCT405274HCT4052的2Y4端接传感器NORTH作为发射器时后端即信号接收电路前端，驱动信号DRIVE_NORTH进过信号接收电路前端箝位后，从2Y4端进入多路复用器/选择输出器74HCT4052，然后串扰的方式到与耦合到接收信号ECHO_NORTH中。此时，图7中的ECHO_SOUTH的接收信号实际为箝位后的驱动信号DRIVE_NORTH。进行后这样的巧妙处理后，传感器驱动时刻的信号与接收器接收到的信号就成为了一个整体信号。

将高压脉冲经钳压电路后的脉冲信号作为发射的起始信号，即将该脉冲信号作为测量时间间隔起始时刻的原始信号。

在本发明中只用到一片74HCT4052芯片，当传感器做发射器时该芯片用作信号输出选择器301即图3给出部分，当传感器做接收器时该芯片用作多路信号复用器305即图7给出部分。为了使绘制后的电路便于理解，在本发明中将芯片74HCT4052按照多路复用器和信号选择输出器分成两部分来绘制，见图4和图7所示电路。

在本实施例中，如图1、7所示，收发信号处理装置还包括三个模块电路：接收信号放大器，RSSI包络检波器以及浮动阈值电压比较电路，经过这三个模块电路的处理后才能将接收信号转换为0-5V的方波信号。

由于接收信号非常微弱，幅值为mV级别，需要进行滤波放大处理后才能进行其他有效的处理。由于传感器具有固定的物理特性，因此接收器接收到的信号具有很好的一致性，也就是说从首波点到峰值点之间的周期数是相同的，不受幅值大小的影响。根据接收信号的这个特点，将滤波放大后的接收信号进行包络检波处理，这样可以非常准确的获取时间间隔。

在本实施例中，如图7所示，使用芯片SA614AD实现接收信号的滤波放大和包络检波处理。该芯片内部集成了两级限幅中频放大器、正交检波器、噪声抑制、对数接收信号强度指示（RSSI）。本发明中使用该芯片的第一级中频放大器实现对接收信号的放大，然后再利用RSSI模块对放大后的接收信号实现RSSI包络检波（利用对数方式来实现包络检波）。

传感器在做接收端时将接收到的接收信号经芯片74HCT4052选通输出后通过引脚16进入芯片SA614AD，在该芯片内接收信号先经过增益为39dB的中频放大器的放大，然后将放大后的接收信号经过RSSI进行包络检波处理后，从引脚5输出，输出波形如图8所示。在图7所示的电路中C17、C22、C25、C31皆为SA614A芯片资料中推荐的100nF去耦电容。R19、C23、R18、C18、C19是根据SA614A的引脚16的IF输入阻抗、引脚14的IF输出阻抗和引脚12的限幅器输入阻抗计算得出的。

在本实施例中，如图1所示，在接收信号经过滤波放大和RSSI包络检波处理后，需要经过浮动阈值电压比较电路307处理使其转换为0～5V的方波信号，本发明中采用超高速、高精度、轨到轨比较器LMV7239M5构成浮动阈值电压比较电路307。在本实施例中，电压比较电路的阈值电压不是一个固定值，它是由接收信号和5V电源共同决定的。具体电路如图9所示，包括比较器LMV7239M5，检波后的接收信号RSSI_OUT通过一电阻R14输入到比较器的正端；电源电压通过两个串联到地的电阻R12、R20进行分压，串联点与比较器的负端连接，同时串联点通过另一电阻R17与比较器的正端连接，两个串联到地的电阻R12、R20中与地连接的电阻R20两端并联有一电容C24，比较器的输出端输出接收方波信号。

在图10所示电路中，当经芯片SA614A处理后的接收信号还未送入比较器正相端时，可计算出比较器的阈值电压约等于1V。当处理后的接收信号进入比较器的正相端时，接收信号会通过电阻R17进入比较器的反相端。由图8可知输送至比较器的接收信号并非等幅的规则信号，接收信号幅值会发生变化，但是其相位基本不会发生变化，故接收信号是非等幅信号，如果用固定值作为比较器的阈值电压，会因为接收信号幅值的变化引入随机误差。采取变化的阈值，让比较器的阈值根据输入信号的幅值来调整大小，就可以一定程度的消除接收信号幅值变化引入的误差。图9设计中，设RSSI_OUT输入信号为Vin，C24两端电压为Vo，则初始时刻有：

$\frac{V_o}{R_{20}}=\frac{V_{\mathrm{cc}}-V_o}{R_{12}}+\frac{V_{\mathrm{in}}-V_o}{R_{14}+R_{17}}---\left(1\right)$

式中R12=1.5M，R20=1.5M，R14=1.5K，R17=499K，Vcc=5V，

代入上式得：

V_o=V_cc-V_o+3(V_in-V_o)（2）

$V_o=\frac{1}{5}(V_{\mathrm{cc}}+3V_{\mathrm{in}})=1+\frac{3}{5}{V}_{\mathrm{in}}---\left(3\right)$

由上式（3）知，RSSI_OUT输入信号随着幅值增大，Vo即电容C24两端的电压升高，电容开始充电，RSSI_OUT输入信号幅值大，上升沿斜率大，C24两端的电压也增加快，电容C24充电速度快，从而抬高比较器的阈值电压，这样可以减少固定的阈值电平在电平翻转时造成的时间间隔测量误差。

如下图10所示，图中曲线S1，S2分别代表幅值不同的两个接收信号进入比较器，比较器参考端电压为L，采用固定阈值，此时，S1输入曲线比较器在A’点触发，对应时间为TA’；S2输入曲线比较器在B’点触发，对应时间为TB’,因此，S1、S2幅值不同的两个信号对应相同的比较阈值相位会有TB’-TA’的误差。而如图11所示，采用变化的阈值，比较器输入为S1时候，对应的参考端信号为曲线L1，比较器在A点触发，而比较器输入为S2时候，对应的参考端信号为曲线L2，比较器在B点触发，此时可以看到A和B点在时间上要小于比图10中A’和B’的时间差距，变化的阈值比固定阈值可以减小相位的误差，从而减少固定的阈值电平在电平翻转时造成的时间间隔测量误差。

比较器输出信号的波形如图12所示。从图12中可以看出发射信号产生那一刻对应的是第一个方波的上升沿时刻，传感器作为接收器时接收到的信号的那一刻对应的是第二个方波的上升沿时刻。因此时间间隔的测量就是测得第一个上升沿与第二个上升沿之间的时间差。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种变幅信号渡越时间测量装置，包括：

多个发射信号产生电路，用于产生发射信号，其中，在一个时间段，只有一个发射信号产生电路工作，产生一个发射信号；

其特征在于，还包括：

多路信号接收电路前端，分别与多个发射信号产生电路连接，用于对发射信号、接收信号进行接收，信号接收电路前端将接收的发射信号或接收信号送入多路信号复用器的同一个输入端；

多路信号复用器，分别与多路信号接收电路前端连接，将其接收的接收信号选通并送入接收信号放大器中；所述多路信号复用器的输入端在输入信号超过一定阈值后，均可以以串扰的方式耦合到其他通道，这样，发射信号送入到多路信号复用器的输入端后，其幅度大于所述的阈值，发射信号耦合到选通的接收信号中；

接收信号放大器和RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication，即接收的信号强度指示)包络检波器，对多路信号复用器选择的接收信号进行放大，然后进行RSSI包络检波，检波处理后的接收信号送入电压比较电路中；

电压比较电路，检波器处理后的接收信号与电压比较电路的阈值电压进行比较，得到方波信号，方波信号中第一个方波的上升沿时刻对应的是作为信号发射时刻，第二个方波的上升沿时刻对应接收信号的接收时刻；

时间测量单元，测量出第一个上升沿与第二个上升沿之间的时间差，即得到发射信号与接收信号之间的时间间隔即渡越时间。

2.根据权利要求1所述的时间测量装置，其特征在于，所述的电压比较电路为浮动阈值电压比较电路，包括一个比较器、四个电阻以及一个电容；

检波后的接收信号通过一电阻R14输入到比较器的正端；电源电压通过另两个串联到地的电阻R12、R20进行分压，串联点与比较器的负端连接，同时串联点通过第四个电阻R17与比较器的正端连接，另两个串联到地的电阻R12、R20中与地连接的电阻R20两端并联有一电容C24，比较器的输出端输出接收方波信号。