便攜式功率分析儀設計-----頻率部分電路設計（一）

3.5頻率部分電路設計

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

頻率是表征周期現象的一種參數，定義為物體每秒振動(dòng)的周期數，單位是赫茲(Hz)。微波電磁振蕩也屬于這個(gè)現象。從物理學(xué)知道，電磁振蕩實(shí)質(zhì)上是最簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。即使是非簡(jiǎn)諧振動(dòng)，也可以看成是許多不同頻率、相位的簡(jiǎn)諧振動(dòng)之和。因此微波信號的一般表達式常寫(xiě)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(shuō)明，表征微波信號的參數有振幅、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數器測量各種頻率。使用電子計數器測量頻率具有顯示直觀(guān)、操作方便以及精度較高的特點(diǎn)。在實(shí)際設計中主要分為硬件測頻和軟件測頻兩大類(lèi)。

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(jiǎn)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(mén)信號中填入脈沖，通過(guò)必要的記數線(xiàn)路，得到填充的脈沖個(gè)數，從而算出待測信號的頻率。

應用直接測頻法，在測量過(guò)程中，根據信號的頻率大小的不同，測量方法分為兩種。當被測信號頻率較高時(shí)，通常選用的頻率較低的一個(gè)標準頻率信號作為閘門(mén)信號，而將被測信號作為填補脈沖，在固定閘門(mén)的時(shí)間內對其記數，設閘門(mén)寬度為T(mén)，記數值為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記數產(chǎn)生的±1的誤差，在忽略閘門(mén)信號自身誤差的情況下，測量精度為：Δfx =±1/T當被測信號頻率較低時(shí)，通常選用被測信號作為閘門(mén)信號，而將頻率較高的標頻信號作為填充脈沖，進(jìn)行記數，設計數值為N，標頻信號的頻率為f 0，周期為T(mén) 0。則這種測量方法的頻率測量值為：

fx= f0/N在直接測頻的基礎上發(fā)展的多周期同步測量方法，在目前的測頻系統中得到越來(lái)越多的應用，多周期同步測頻記數的閘門(mén)時(shí)間不是一個(gè)固定的值，而是被測信號的整周期倍，即與被測信號同步，因此消除了對被測信號記數產(chǎn)生的±1個(gè)的誤差，測量精度大大提高，而且達到了在整個(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(mén)開(kāi)啟信號，此時(shí)，計數器并不開(kāi)始記數，而是等到被測信號的上升沿到來(lái)時(shí)，才真正開(kāi)始記數，然后，兩組計數器分別對被測信號和時(shí)基脈沖記數，當閘門(mén)關(guān)閉時(shí)，計數器并不立即停止記數，而是等到被測信號上升沿到來(lái)的時(shí)候才真正結束記數，完成一次測量過(guò)程，可以看出，實(shí)際閘門(mén)與被設定的閘門(mén)并不嚴格相等，但最大差值不會(huì )超過(guò)被測信號一個(gè)周期，設對被測信號的記數值為Nx，對時(shí)基信號的記數值為N0，時(shí)基信號的頻率為f0，閘門(mén)時(shí)間為τ，則被測信號的頻率為：

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%，計算在某一段波形穿過(guò)觸發(fā)窗口的個(gè)數，然后計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，從數據區首地址開(kāi)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(lèi)推，每次找到大于vmidh的點(diǎn)，再找到小于vmidl的點(diǎn)per_num++，這樣在數據區找到的最后大于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，根據時(shí)基以及start和end的值，就可以計算出周期。

周期計算公式如下：

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(guò)起始點(diǎn)和結束點(diǎn)的位置(采樣點(diǎn)的序號)，確定數量的周期個(gè)數計算波形的周期。測出了被測信號的周期，然后將該時(shí)間的倒數作為頻率來(lái)進(jìn)行頻率測量，使用公式：f =1/T其準確度取決于周期的測量精度。用此種方法計算周期數對于超過(guò)選擇窗口的毛刺等尖峰會(huì )誤認為一個(gè)周期，也不準確;對于類(lèi)似

周期波形也無(wú)法準確判斷其周期個(gè)數。波形時(shí)間類(lèi)參數的計算，是和時(shí)基密切相關(guān)的。

所以根據以上分析，我們采用多周期同步測量方法。

3.5.2方案設計

頻率計數器主要測量射頻載波(CW)信號的頻率，為整機提供頻率測量數據。頻率測量信道的主要設計思路是：預分頻-整形-計數。射頻信號通過(guò)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，我們通過(guò)集成數控增益射頻微波放大器，以及限幅二極管調整信號滿(mǎn)足后級預分頻器輸入信號電平要求。預分頻部分的作用就是將高頻或射頻段的信號通過(guò)固定的分頻比例，將其轉換為中低頻信號，便于后端頻率計數器利用其計算信號頻率。