3.5頻率部分電路設(shè)計(jì)

3.5.1常用測頻方法微波信號(hào)的頻率在微波通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等微波工程中是表征微波信號(hào)特性的主要參量之一。

頻率是表征周期現(xiàn)象的一種參數(shù)，定義為物體每秒振動(dòng)的周期數(shù)，單位是赫茲(Hz)。微波電磁振蕩也屬于這個(gè)現(xiàn)象。從物理學(xué)知道，電磁振蕩實(shí)質(zhì)上是最簡單的簡諧振動(dòng)。即使是非簡諧振動(dòng)，也可以看成是許多不同頻率、相位的簡諧振動(dòng)之和。因此微波信號(hào)的一般表達(dá)式常寫成

式中A為振幅，ω為角頻率，f為頻率，ψ為初相位。式(3-11)說明，表征微波信號(hào)的參數(shù)有振幅、頻率和相位，就其常用者是前兩個(gè)。關(guān)于振幅的測量即為功率測測量所以頻率測量是功率分析中的重要組成部分。

頻率測量方法目前普通采用電子計(jì)數(shù)器測量各種頻率。使用電子計(jì)數(shù)器測量頻率具有顯示直觀、操作方便以及精度較高的特點(diǎn)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中主要分為硬件測頻和軟件測頻兩大類。

3.5.1.1硬件測頻

常用的硬件頻率測量方法主要是直接測頻法和多周期同步測頻法。最簡單的測量頻率的方法——直接測頻法如圖3-20所示，就是在給定的閘門信號(hào)中填入脈沖，通過必要的記數(shù)線路，得到填充的脈沖個(gè)數(shù)，從而算出待測信號(hào)的頻率。

應(yīng)用直接測頻法，在測量過程中，根據(jù)信號(hào)的頻率大小的不同，測量方法分為兩種。當(dāng)被測信號(hào)頻率較高時(shí)，通常選用的頻率較低的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)作為閘門信號(hào)，而將被測信號(hào)作為填補(bǔ)脈沖，在固定閘門的時(shí)間內(nèi)對其記數(shù)，設(shè)閘門寬度為T，記數(shù)值為n，則這種測量方法的頻率測量值為：f x = n/T測量誤差主要是對被測信號(hào)記數(shù)產(chǎn)生的±1的誤差，在忽略閘門信號(hào)自身誤差的情況下，測量精度為：Δfx =±1/T當(dāng)被測信號(hào)頻率較低時(shí)，通常選用被測信號(hào)作為閘門信號(hào)，而將頻率較高的標(biāo)頻信號(hào)作為填充脈沖，進(jìn)行記數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)值為N，標(biāo)頻信號(hào)的頻率為f 0，周期為T 0。則這種測量方法的頻率測量值為：

fx= f0/N在直接測頻的基礎(chǔ)上發(fā)展的多周期同步測量方法，在目前的測頻系統(tǒng)中得到越來越多的應(yīng)用，多周期同步測頻記數(shù)的閘門時(shí)間不是一個(gè)固定的值，而是被測信號(hào)的整周期倍，即與被測信號(hào)同步，因此消除了對被測信號(hào)記數(shù)產(chǎn)生的±1個(gè)的誤差，測量精度大大提高，而且達(dá)到了在整個(gè)測量頻段的等精度測量，多周期同步測頻方法原理如圖3-21所示。

首先，給出閘門開啟信號(hào)，此時(shí)，計(jì)數(shù)器并不開始記數(shù)，而是等到被測信號(hào)的上升沿到來時(shí)，才真正開始記數(shù)，然后，兩組計(jì)數(shù)器分別對被測信號(hào)和時(shí)基脈沖記數(shù)，當(dāng)閘門關(guān)閉時(shí)，計(jì)數(shù)器并不立即停止記數(shù)，而是等到被測信號(hào)上升沿到來的時(shí)候才真正結(jié)束記數(shù)，完成一次測量過程，可以看出，實(shí)際閘門與被設(shè)定的閘門并不嚴(yán)格相等，但最大差值不會(huì)超過被測信號(hào)一個(gè)周期，設(shè)對被測信號(hào)的記數(shù)值為Nx，對時(shí)基信號(hào)的記數(shù)值為N0，時(shí)基信號(hào)的頻率為f0，閘門時(shí)間為τ，則被測信號(hào)的頻率為：

3.5.1.2軟件測頻

軟件測頻，所選擇的觸發(fā)窗口的寬度和波形幅度相關(guān)，在此我們定為波形幅度的10%，計(jì)算在某一段波形穿過觸發(fā)窗口的個(gè)數(shù)，然后計(jì)算出波形的周期和頻率，在圖3-22中，令vmidh=VPP/2+5%*VPP， vmidl=VPP/2-5%*VPP，從數(shù)據(jù)區(qū)首地址開始找大于vmidh的點(diǎn)，找到點(diǎn)后，再找小于vmidl的點(diǎn)，把這一點(diǎn)的位置賦給start，找大于vmidh的點(diǎn)，再找小于vmidl的點(diǎn)，令per_num=1.依次類推，每次找到大于vmidh的點(diǎn)，再找到小于vmidl的點(diǎn)per_num++，這樣在數(shù)據(jù)區(qū)找到的最后大于vmidh的點(diǎn)，再找到小于vmidl的點(diǎn)位置賦給end，那么per_num就是找到的周期個(gè)數(shù)，根據(jù)時(shí)基以及start和end的值，就可以計(jì)算出周期。

周期計(jì)算公式如下：

其中base代表時(shí)基，由于時(shí)基是固定的，所以點(diǎn)與點(diǎn)之間的時(shí)間是固定，所以可以通過起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的位置(采樣點(diǎn)的序號(hào))，確定數(shù)量的周期個(gè)數(shù)計(jì)算波形的周期。測出了被測信號(hào)的周期，然后將該時(shí)間的倒數(shù)作為頻率來進(jìn)行頻率測量，使用公式：f =1/T其準(zhǔn)確度取決于周期的測量精度。用此種方法計(jì)算周期數(shù)對于超過選擇窗口的毛刺等尖峰會(huì)誤認(rèn)為一個(gè)周期，也不準(zhǔn)確;對于類似

周期波形也無法準(zhǔn)確判斷其周期個(gè)數(shù)。波形時(shí)間類參數(shù)的計(jì)算，是和時(shí)基密切相關(guān)的。

所以根據(jù)以上分析，我們采用多周期同步測量方法。

3.5.2方案設(shè)計(jì)

頻率計(jì)數(shù)器主要測量射頻載波(CW)信號(hào)的頻率，為整機(jī)提供頻率測量數(shù)據(jù)。頻率測量信道的主要設(shè)計(jì)思路是：預(yù)分頻-整形-計(jì)數(shù)。射頻信號(hào)通過前端功分器進(jìn)入頻率測量模塊，由于功分器輸出在-60～+20dBm范圍內(nèi)，我們通過集成數(shù)控增益射頻微波放大器，以及限幅二極管調(diào)整信號(hào)滿足后級預(yù)分頻器輸入信號(hào)電平要求。預(yù)分頻部分的作用就是將高頻或射頻段的信號(hào)通過固定的分頻比例，將其轉(zhuǎn)換為中低頻信號(hào)，便于后端頻率計(jì)數(shù)器利用其計(jì)算信號(hào)頻率。[!--empirenews.page--]

3.5.3預(yù)分頻模塊設(shè)計(jì)

在頻率測量模塊中，由于計(jì)數(shù)部分是由FPGA實(shí)現(xiàn)，而整形電路現(xiàn)在的分頻器往往都將其集成在其中，所以分頻器的選擇直接影響頻率測量模塊的性能。由于根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)輸入頻率范圍要求10MHz～6GHz，常用高分頻比的微波分頻器不能滿足如此高頻率輸入信號(hào)的要求;同時(shí)在保證分頻精度的前提下，工作頻率在3GHz以上的微波分頻器一般都采用1：2、1：4或1：8的較低的分頻系數(shù)。所以設(shè)計(jì)采用2級分頻方法，將分頻器級聯(lián)以滿足對輸入信號(hào)在3GHz以上信號(hào)頻率的測量。

一級分頻器采用HJ-DYF104，分頻比為1：4的微波分頻器，工作頻率范圍10MHz～8GHz，輸入電平范圍-12～+12dBm，輸出電平范圍-3±1dBm，其設(shè)計(jì)還具有以下特點(diǎn)：

1)單片芯片混合微組裝工藝集成;

2)系列化設(shè)計(jì)，內(nèi)置耦合及電流退耦電容，在設(shè)計(jì)中可以直接接入微波信號(hào)，不需要再進(jìn)行信號(hào)耦合;

3)其輸入輸出端均50電阻匹配，這一特點(diǎn)也為分頻器的級聯(lián)提供便利;

4)標(biāo)準(zhǔn)全密封金屬外殼封裝，封閉式封裝很大程度減小了微波信號(hào)對后級信號(hào)傳輸?shù)母蓴_;

5)滿足軍用環(huán)境工作條件：工作溫度范圍：-55℃～+85℃，存儲(chǔ)溫度范圍：-65℃～+125℃。符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體要求。

由于實(shí)行分頻器級聯(lián)，所以兩級分頻器之間阻抗匹配以及輸入輸出電平轉(zhuǎn)換，將直接影響分頻器的工作質(zhì)量。

所以設(shè)計(jì)中二級分頻器選用了MB506.芯片輸入信號(hào)幅值-4～5.5dbm，一級分頻器HJ-DYF104輸出電平范圍滿足MB506的輸入要求;并且MB506輸入阻抗為50，這使得兩級分頻器間的連接變得十分簡單。這個(gè)芯片最大輸入頻率支持2.4GHz.功耗較低90mW，工作環(huán)境溫度要求不高-40℃～85℃，價(jià)格低廉，并且芯片內(nèi)部集成放大，整形電路。其應(yīng)用電路極為簡單，在設(shè)計(jì)中就可以直接省去整形電路。其輸出為1.6V峰峰值的ECL電平，只需要經(jīng)過簡單的電平轉(zhuǎn)換就可以直接送入FPGA實(shí)現(xiàn)頻率測量功能。芯片設(shè)計(jì)有64、128、256三種分頻比，通過改變其SW1、SW2腳的接法，可得到不同分頻比。

該芯片被現(xiàn)在市場上許多民用頻率計(jì)所采用，通用性好。并且MB506自帶整形功能且為ECL標(biāo)準(zhǔn)輸出電平，所以只需要在后端加入簡單的電平轉(zhuǎn)換電路，獲得滿足TTL電平的方波信號(hào)即可直接送入FPGA進(jìn)行計(jì)數(shù)，也簡化了電路。

如圖3-23所示，按圖中連接方式，實(shí)現(xiàn)可變分頻比的，射頻級的載波信號(hào)(10MHz～6GHz)分頻功能。而我們頻率測量的方法既是通過多周期同步測量方法測量得到分頻后中低頻信號(hào)頻率f s，則實(shí)際輸入信號(hào)頻率fo為：

其中N為分頻比例。那么由于多周期同步測量方法頻率計(jì)數(shù)誤差是一個(gè)分頻后的信號(hào)時(shí)鐘周期，因此當(dāng)送入分頻器的信號(hào)頻率較低時(shí)，如果采用固定128或者256等更高的分頻比例，就會(huì)造成頻率測量誤差的增大。所以采用FPGA控制分頻比例，當(dāng)信號(hào)頻率在10MHz～100MHz范圍時(shí)，如上圖所示，通過控制單刀雙擲開關(guān)，讓信號(hào)經(jīng)4分頻后就直接送入后段，這樣通過控制動(dòng)態(tài)改變分頻比例，實(shí)現(xiàn)更高精度的頻率測量。