摘 要:為了實(shí)現(xiàn)YIG頻率測量的自動化，設(shè)計了一種計算機(jī)控制YIG頻率測量電路，針對YIG頻率測量電路中非線性問題及磁性材料中磁滯現(xiàn)象對頻率測量精度的影響，給出了軟件補(bǔ)償方法。根據(jù)具體型號中YIG濾波器組成頻率測量電路的測量結(jié)果表明，該軟件補(bǔ)償方法可以提供滿足精度要求的測量。

關(guān)鍵詞:YIG; 頻率測量; 磁滯; 非線性; 補(bǔ)償

中圖分類號:TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0114-03

YIG Frequency-measuring Circuit and Its Compensation Technology

ZONG Hui， YUAN Jing

(Nanjing Institute of Technology， Nanjing， 210013， China)

Abstract: In order to realize the automation of YIG frequency measurement， a YIG frequency- measuring circuit controlled by computer is designed. Aiming at the effect of non-linear factor in YIG frequency- measuring circuit and hysteresis phenomenon of the magnetic materials on the accuracy of the frequency measurement， some software compensation methods， are presented. The measured results of a specific YIG frequency-measuring circuit indicate that the software compesation methods can meet the requirement of the measuring accuracy.

Keywords: YIG; frenqency measurement; hysteresis; non-linear; compensation

0 引 言

YIG諧振器[1]是一種借助改變直流偏置磁場而實(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)諧的高Q值鐵氧體諧振器，它的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)諧范圍寬，調(diào)諧速度快，無機(jī)械活動部件，結(jié)構(gòu)緊湊，其頻率范圍約為500 MHz~50 GHz，廣泛應(yīng)用于微波測量領(lǐng)域[2-3]。由于YIG諧振器的諧振頻率與偏置磁場的強(qiáng)度成正比，因此可以通過控制電路來改變磁場，從而實(shí)現(xiàn)線性調(diào)諧，達(dá)到頻率測量的目標(biāo)[4]。

1 計算機(jī)控制YIG頻率測量電路的基本組成

計算機(jī)技術(shù)[5]的發(fā)展為提高測量精度和自動化程度提供了條件。自動測量[6]的關(guān)鍵是信號的檢測與測量電路的控制。信號檢測電路包括檢波器、計算機(jī)中斷控制電路以及音響電路;測量控制電路包括YIG濾波器磁場控制電路和電調(diào)衰減器。工作中，計算機(jī)根據(jù)掃頻程序控制YIG線圈的電流，以改變YIG濾波器的中心頻率;信號檢測電路根據(jù)檢測出的信號向計算機(jī)提請中斷;中斷服務(wù)程序記錄對應(yīng)此時的YIG中心頻率。同時還可以通過電調(diào)衰減器和門限電路對信號電平和比較門限進(jìn)行調(diào)整，以提高測量精度[7]。YIG測頻控制電路的組成如圖1所示。

圖1 YIG測頻控制電路的組成

磁場控制電路包括補(bǔ)償數(shù)據(jù)存儲器、D/A轉(zhuǎn)換器、線性放大器及其調(diào)整電路以及壓控電流源等。其中，補(bǔ)償數(shù)據(jù)存儲器中存儲對YIG的非線性及溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由計算機(jī)提供;D/A轉(zhuǎn)換器可將數(shù)字控制量變換成模擬電壓;線性放大器則對該模擬電壓再進(jìn)行放大，用于驅(qū)動壓控電流源;而壓控電流源則將控制電壓變化為驅(qū)動YIG線圈所需的電流。理想的YIG濾波器其通帶的中心頻率與外加磁場強(qiáng)度(H)存在線性關(guān)系，而磁場強(qiáng)度(H)又與驅(qū)動電流(nI)成正比。也就是說，對于理想的壓控電流源，其輸出電流與輸入電壓成正比，因此可以進(jìn)一步推斷，YIG濾波器的中心頻率與D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓成正比。YIG濾波器的磁場控制電路如圖2所示。對于不同材料不同規(guī)格的YIG濾波器，其中心頻率與控制電壓的比例不同，電路中設(shè)有W1和W2兩個電位器，用于調(diào)試驅(qū)動電流的最大值和最小值，以滿足YIG線圈驅(qū)動電流的需要，從而適應(yīng)不同頻段的YIG調(diào)諧器件。

圖2 YIG濾波器磁場控制電路原理圖

中斷控制電路由門限電路、比較器、微分電路及電平轉(zhuǎn)換電路組成，用于在信號由小到大高過門限和由大到小低于門限時產(chǎn)生中斷信號，其原理圖如圖3所示。

圖3 中斷控制電路原理圖

2 YIG頻率測量原理

計算機(jī)控制YIG頻率測量的原理如下:

程序按規(guī)定的時序向D/A轉(zhuǎn)換器輸出設(shè)定好的掃描電壓數(shù)據(jù)，YIG濾波器的中心頻率隨掃描電壓的增加對波段內(nèi)的信號進(jìn)行掃描，由于YIG濾波器有一定的帶寬，當(dāng)信號進(jìn)入濾波器通帶，檢波器輸出信號高于門限電平時，產(chǎn)生中斷1，中斷服務(wù)程序記錄當(dāng)前YIG的中心頻率f1;當(dāng)YIG中心頻率隨掃描電壓繼續(xù)增加，檢波器輸出信號低于門限電平，產(chǎn)生中斷2，中斷服務(wù)程序記錄此時的YIG中心頻率f2，同時對兩次測量的頻率進(jìn)行平均，即可得到信號頻率f0=(f1+f2)/2。測量原理如圖4所示。

圖4 YIG測頻控制電路的測量原理

為了保證測量靈敏度，信號電平應(yīng)保持在一定的水平，信號電平的調(diào)整通過電調(diào)衰減器實(shí)現(xiàn)。此外，還可以通過調(diào)整比較器的門限電平來提高測量靈敏度。

3 YIG頻率測量的軟件補(bǔ)償

3.1 非線性補(bǔ)償

如前所示，理想的YIG器件調(diào)諧曲線是一條直線，YIG的中心頻率的變化與線包電流的變化成正比，但是，由于受磁性材料磁特性的影響，實(shí)際的調(diào)諧曲線是非線性的[8]。此外，由于磁場控制電路的半導(dǎo)體器件也有非線性，從而使YIG濾波器的調(diào)諧特性呈現(xiàn)非線性[9]。

在工程上，通常采用多段直線逼近的方法對上述曲線進(jìn)行線性化處理，就是將各控制量曲線進(jìn)行分段，在段內(nèi)認(rèn)為控制量曲線是一條直線。只要各線段分段點(diǎn)位置選取合適，可以保證YIG濾波器在整個頻段隨頻率測量的線性度。

通過計算各段控制量的起始值、步進(jìn)值與終止值就可以表征本段的補(bǔ)償量。計算機(jī)根據(jù)理想狀態(tài)下的D/A數(shù)據(jù)及補(bǔ)償分段的起始值，將理想狀態(tài)的控制數(shù)據(jù)加上補(bǔ)償量作為D/A轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出數(shù)據(jù)，從而消除非線性誤差。劃分的線段越多，逼近效果越好，測量精度也就越高。

3.2 磁滯補(bǔ)償

由于磁滯現(xiàn)象的存在，線包電流從低端調(diào)到高端和由高端調(diào)回低端，YIG濾波器的中心頻率是不重合的，也就是說電流從最小到最大和從最大到最小的掃描過程中會出現(xiàn)諧振頻率差。磁滯被定義為線包電流從兩個方向調(diào)至同一電流處時的最大頻率偏差。YIG頻率測量電路在實(shí)際工作時是采用鋸齒控制電壓對YIG線圈電流進(jìn)行控制，可以利用程序控制回掃電壓對磁滯偏差進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到提高測量精度的目的。某型號的YIG濾波器特性[10]如表1所示，磁滯補(bǔ)償后的掃描電壓如圖5所示。

表1 典型YIG濾波器參數(shù)表

工作頻率 /GHz調(diào)諧線性度 /MHz磁滯 /MHz調(diào)諧靈敏度 /(MHz/mA)頻漂 /(MHz/℃)

4~8±1.577.313.10.16

圖5 磁場補(bǔ)償掃描電壓示意圖

經(jīng)過補(bǔ)償后的頻率測量數(shù)據(jù)如表2所示。

經(jīng)過補(bǔ)償?shù)念l率測量標(biāo)準(zhǔn)差為2.061 MHz。

對于溫度特性的補(bǔ)償通常采用的方法包括:恒溫槽處理，溫度補(bǔ)償電路和軟件補(bǔ)償方式。本測量方案中采用了恒溫槽處理技術(shù)，較好地解決了測量精度隨溫度的變化問題。

4 結(jié) 語

計算機(jī)測量控制技術(shù)和誤差的軟件補(bǔ)償技術(shù)已經(jīng)在各種測量工程中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的模擬補(bǔ)償電路[9]只能對于某種特性規(guī)律的非線性進(jìn)行補(bǔ)償，而軟件補(bǔ)償技術(shù)則可根據(jù)各種不同的非線性特性進(jìn)行分段補(bǔ)償，大大提高了測量精度，同時軟件補(bǔ)償技術(shù)大大降低了測量補(bǔ)償電路設(shè)計的復(fù)雜性。測量結(jié)果表明，對于多路信號，所設(shè)計的測量電路可以自動顯示測量結(jié)果，其測量精度達(dá)到設(shè)計要求。通過定期對測量電路進(jìn)行標(biāo)校，修訂補(bǔ)償數(shù)據(jù)，可以保證測量電路的有效性。

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