脉冲信号稳幅方法研究(2)
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收稿日期:2004210223作者简介:许传忠(1978-),男,硕士研究生,主要从事无线电计量测试研究。
2005年2月宇航计测技术Feb.,2005第25卷 第1期Journal of Astronautic Metrology and MeasurementVol.25,No.1文章编号:1000-7202(2005)01-0009-05 中图分类号:TN931 文献标识码:A脉冲信号稳幅方法研究许传忠 杨春涛 杨绪军(中国航天科工集团203所,北京100854) 摘 要 主要介绍脉冲信号稳幅方法,并根据对反馈控制电路的分析和电路仿真方法,分别采用有效值检波技术和峰值检波技术进行了脉冲稳幅电路设计,最后给出了实验数据。
关键词 脉冲信号 稳幅方法 +有效值检波 +峰值检波R esearch on Method of Amplitude Stabilization for Pulse SignalXU Chuan -zhong YAN G Chun -tao YAN G Xu -jun(No.203Institute of Second Academy of China Aerospace Science and Industry Group 100854) Abstract Method on amplitude stabilization for pulse signal is mainly introduced in this paper.And according to analyzing the feedback control circuit and circuit emulate ways ,make the design of amplitude stabilization circuit for pulse signal by the RMS -detection technology and by the Peak -de 2tection technology ,at last give out experimental data. K ey w ords Pulse signal Amplitude stabilization way +RMS -detection +Peak -detection1 引 言随着无线电技术的迅速发展,脉冲调制的射频和微波系统,如雷达系统、敌我识别系统以及数字通信和数据信息传输系统等,在许多领域中得到了广泛应用。
为了确定这些系统收发设备中各种元器件和仪表所承受的脉冲功率是否超过其承受能力,就必须对射频和微波脉冲信号的峰值功率进行准确测量,可见开展脉冲功率建标方法研究具有非常重要的现实意义。
同时由于信号源匹配性能的好坏直接影响到功率传递系统的指标,所以如何减小信号源失配成为微波功率建标研究工作的关键技术之一,其中通过采用建立适当的信号源外稳幅系统以达到减小等效信号源反射系数,是最常用和最有效的方法之一[1,2]。
2 信号源稳幅方法目前国内外对连续波信号源稳幅方法研究较多,而对脉冲信号稳幅方法研究很少见到相关报道。
信号源稳幅主要有采用控制信号源的AM 或ALC控制模块实现稳幅,或者采用外接PIN 电调衰减器实现稳幅等方法,原理框图如图1所示。
图1 信号源稳幅原理框图连续波信号源和脉冲信号源相应的稳幅环路的建立,很重要的部分是研制一种高稳定性的、高准确度的稳幅器。
其中脉冲信号稳幅器与连续波信号稳幅器的电路原理是一样的,它们的主要区别在于输入信号的电平转换方式。
连续波信号稳幅器的输入信号电平是由连续波信号(一般为sine 信号)的平均值转换成的直流值,而脉冲信号稳幅器的输入信号电平是由脉冲信号(小占空比的)的幅度转换成的直流值。
稳幅器的原理框图如图2所示。
图2 稳幅器电路原理框图信号源稳幅的原理是:输入信号电平V 0与稳幅器的基准电压V s 比较,稳幅器的输出电压V 或电流I 将产生一改变量ΔV 或ΔI ,利用该改变量调节衰减器的衰减量,以保持输出功率不变。
2.1 脉冲稳幅电路设计脉冲稳幅器的主要作用是将脉冲信号源输出信号的变化转化为直流差量来控制脉冲信号源的PIN 电调衰减器,以实现其稳幅功能[3]。
2.1.1 电路分析根据信号源稳幅的原理,我们可以建立如下的稳幅控制电路见图3。
图3 脉冲信号稳幅控制电路原理框图 图3中V i ,V 0分别为信号源稳幅前、后的输出幅度,由反馈控制环路特性可知V 0=KV AM +V iV in =Q U 0ΔV =A (V ref -V in )V AM =PΔV (1)式中:K ———PIN 电调衰减器的调整系数;Q ———脉冲信号转换为直流信号的转换系数;A ———比较器的增益;P ———衰减系数。
将式(1)化简为V 0=KV AM +V i(1+PQA )V 0=KPA V ref +V i(1+PQ KA )V AM =PA V ref -PA QV i(2) 由式(2)可知,V i ,V o 和V A M 构成一个反馈关系:开始时如果V i 增大,V 0也增大;加上反馈环路后,V AM 减小,这样输出电压V 0将维持不变;V i 变小时,则反之,输出V 0将维持不变。
其中,幅度检测电路是将脉冲信号转换成直流信号;取该脉冲信号的幅度的方法一般可采取有效值检波技术和峰值检波技术,得到的直流值分别称为有效值和峰值。
下面分别对采用此两种技术设计检波电路进行分析。
2.1.2 有效值检波电路分析根据稳幅器电路原理,采用有效值检波技术设计的电路原理框图如图4所示。
图4 有效值检波技术稳幅器电路原理框图・01・ 宇航计测技术 2005年 该稳幅器电路采用AD 公司推出的高精度高稳定性的有效值直流变换器AD 637。
该有效值直流变换器的特点是:可以直接测得各种波形的真实有效值;测量精度高;响应时间和信号幅度无关;还与波峰因数有关。
采用仿真软件PSpice 对有效值检波电路进行仿真,当检波前的脉冲信号周期为200μs ,脉冲宽度为20μs ,幅度为800mV 时,其结果如图5所示。
下面的仿真结果为信号经过集成电路AD637前、后的变化情况。
图5 有效值检波结果图 图中,输入信号为脉冲信号,输出信号为直流信号。
但是检测出的输出幅度很小,其值只有200mV ,这是由于当AD 637处理的信号的最大波峰因数(占空比的倒数)为10时,检测出的有效值误差就比较大了[4]。
2.1.3 峰值检波电路分析采用峰值检波技术设计的稳幅器电路原理框图与图4一样,只需将有效值检波电路换成峰值检波电路。
国内外对峰值检波电路的研究比较多,但选用的电路必须满足一定的条件,能够检测一定重复频率和脉冲宽度的脉冲信号。
在这里,选取某个检波器里的电路[5]并结合自己的设计思想,设计如图6所示的峰值检波电路图。
采用仿真软件PSpice 对该峰值检波电路进行仿真,当检波前的脉冲信号周期为200μs ,脉冲宽度为20μs ,幅度为500mV 时,其结果如图7所示。
下面的仿真结果是U 2输出端信号随交流输入信号的变化情况。
图6 峰值检波电路图 图7中脉冲信号为输入信号,剩下的曲线为输出信号。
可见该电路能够比较好的检测出输入信号的幅度,输出幅度的最大值为494mV 。
2.2 实验数据及分析根据如上的仿真和分析,研制了采用峰值检波技术设计的稳幅器,通过示波器可以比较直观地观测检波电路输入、输出端的情况,如图8所示。
通过电路仿真和硬件电路测试,将仿真结果以及对实际电路测试的数据归一成表,如表1所示。
・11・第1期 脉冲信号稳幅方法研究 图7 峰值检波结果图图8 用示波器观测检波电路的波形图表1 该检波电路输出幅度随各种参数变化的情况 信号次数输入信号参数重复频率(μs )脉冲宽度(μs )幅度(mV )仿真结果(mV )实际电路测试(mV )120020500494452240020500494438320025004914424200150048644052000.450048544262000.25004834447200201000986960分析表1,可以得出如下结论:所设计的电路能够与仿真结果比较好的吻合,符合设计的原则;该检波电路受到输入信号的重复频率和脉冲宽度影响比较小,尤其是在输入信号幅度比较大的情况下,输出幅度受到的影响更小;输出幅度随输入信号幅度保持线性变化。
根据图1和图3的原理,采用此稳幅器进一步建立脉冲信号稳幅环路。
脉冲信号源的射频参数如下:f =1GHz ,P out =4.8dBm 。
调整参考电压,当环路出现稳幅输出后,改变调制脉冲信号参数,用峰值功率计监控稳幅输出端,其测试数据如表2所示。
・21・ 宇航计测技术 2005年表2 脉冲稳幅环路的测试数据 信号次数调制脉冲信号参数重复频率(μs )脉冲宽度(μs )时延(μs )峰值功率计读数(μW )1200200149.32200100147.5320050151.74400200145.454005165.4从表2可以知道,改变调制脉冲信号参数,峰值功率计的读数变化比较小,可见该脉冲稳幅环路在脉冲宽度比较宽时能较好的实现稳幅。
对上面测试数据来说,通过调整信号源的射频功率,可以使输出功率为2.6～6.0dBm 范围内实现稳幅输出。
可见该稳幅电路能够较好的实现稳幅输出。
3 结束语分析了脉冲稳幅环路及其原理,并进行了仿真实验。
首先,采用了有效值检波技术进行脉冲信号稳幅器的设计。
从仿真结果来看,有效值检波的输出幅度相对于脉冲信号峰值来说比较小,并且改变输入信号的重复频率,输出幅度变化比较大。
因此,采用此方法建立脉冲稳幅环路,其输出幅度误差比较大,实现脉冲稳幅很困难。
接着采用峰值检波技术设计脉冲稳幅器电路,通过电路仿真和硬件测试,该设计电路能够比较好实现峰值检测。
并采用此稳幅器建立环路,从实验数据来看,基本上能够实现环路稳幅输出。
对脉冲信号稳幅的研究具有深远的意义,不但建立了具有稳幅输出的低反射系数等效信号源,还为脉冲功率计量或其它需要脉冲稳幅的相关电路研究和应用奠定了很好的基础。
参考文献[1] Agilent Technologies.Fundamentals of RF and Mi 2crowave Power Measurements.Application Note 64-1C.2001:5～17,48～571[2] 冯新善等编著.高频、微波功率的计量测试.中国计量出版社,1987:203～2151[3] 秦继荣等编著.现代直流伺服控制技术及其系统设计.机械工业出版社.1993.[4] 赵保经主编.集成稳压器与非线性模拟集成电路.国防工业出版社.1999.[5] 黄裕年.采用光导半导体开关的脉冲功率系统.半导体光电.2000,21(5):321～3241欢迎订阅2005年《宇航计测技术》《宇航计测技术》是国家科委批准的计量测试专业性技术刊物,国内外公开发行。
