周 敬，石 雄

(1.烏魯木齊市供電公司安全質量監(jiān)察部，新疆烏魯木齊 830011;2.武漢輕工大學 電氣與電子工程學院，湖北武漢 430023)

倒計數法測頻是頻率測量的方法之一，和計數法相比，它的相對誤差和被測信號的周期無關;和游標內插法相比，它的電路結構要簡單得多、成本也低很多，因此倒計數法測頻在很多場合得到了廣泛應用［1］。

某型警戒雷達的自動頻率控制系統(tǒng)中［2］，在發(fā)射脈沖持續(xù)期間，將頻率未知的發(fā)射脈沖與頻率已知的當前本振信號混頻后取下中頻，進行必要的濾波、放大后通過比較器整理成方波。取該方波序列中的Nx個周期形成計數區(qū)間，控制由74F161組成的高速TTL計數器在該計數區(qū)間內對100 MHz的標準方波進行計數，將計數結果通過373鎖存器鎖存后由單片機讀入［3］，經計算后即可得到當前這個發(fā)射脈沖的實際頻率。單片機再根據測量結果控制由DDS芯片組成的本振信號合成器，使本振信號頻率跟蹤發(fā)射信號頻率的變化，從而保證中頻信號的穩(wěn)定，為雷達接收機進行后續(xù)的信號處理奠定基礎。

1 倒計數法頻率測量原理

計數器用于測量時，通常是在給定的一段時間T內對信號(周期為Tx，頻率為fx)計數，如圖1所示。當T未知、Tx(或fx)已知時測量的是時間T，稱為測時模式，而T已知、Tx(或fx)未知時測量的是頻率(或周期)，即為測頻模式。

測頻模式時，當計數器計數結果為N時，則頻率測量結果為:

測量者在選定T時通常選秒或其它十進制時間單位，如10 s、10 ms，這樣便于后續(xù)的計算。這樣的測量存在一定的量化誤差，被測信號周期Tx與T之間的數學關系可以用式(2)和式(3)描述:

相對誤差對于測頻模式來講具有更重要的意義，計數法測頻的最大相對誤差為±Tx/T，它與Tx成正比，當Tx與T相近時，誤差就很大［1］。

計數法測量的誤差源|τ1－τ2|取決于計數脈沖To(或Tx)。測時模式中對一個已知的f0計數，T0可以設計得很小，從而使|τ1－τ2|也很小;而測頻模式中對Tx進行計數時，Tx是被測的，無法控制這個量，于是測頻過程中引入了一個不確定的誤差源。

倒計數法測頻就是在吸收測時模式的優(yōu)點基礎上設計的，它與基本測頻模式相反，計數區(qū)間T’由被測信號的Nx個周期形成，即T’=Nx·Tx，在 T’時間內，由計數器對時間標準f0計數。這樣，測頻就轉變?yōu)闇y量門寬T’，而T’的最大量化誤差為T0，Tx的最大量化誤差是T0/Nx，Nx根據需要選定，一旦確定一般不再更改。具體測量時，先由控制電路產生一個寬度為T'的脈沖，由這個脈沖的前后沿來測定被測信號，即有Nx·Tx≈N·T0，N為計數器的計數結果。圖2為其時序圖。

圖1 計數器基本測量方法

圖2 倒計數法頻率測量時序

2 倒計數頻率測量電路

某型米波雷達的發(fā)射脈沖的寬度是13 μs，采用單級振蕩式發(fā)射機，第一中頻頻率為30 MHz，穩(wěn)定工作時發(fā)射頻率與本振頻率的差應該是準確的30 MHz。倒計數頻率測量模塊將在脈沖持續(xù)期間對第一中頻進行測量，由于本振頻率已知，即能測得發(fā)射頻率。圖3是某型雷達自動頻率控制系統(tǒng)的組成框圖，其中除DDS本振合成器和高穩(wěn)時標外的其余部分即是頻率測量電路，高穩(wěn)時標電路采用100 MHz恒溫晶體振蕩器產生系統(tǒng)所需要的高穩(wěn)定度(10－9)時間基準方波。

信號處理電路將雷達發(fā)射脈沖下變頻后進行濾波、整形，得到整理成方波的中頻信號。混頻器選用AD831，整形器選用MAX961。

圖3 某型雷達自動頻率控制系統(tǒng)的組成框圖

脈沖雷達的每個重復周期通常以觸發(fā)脈沖為起始標記，觸發(fā)脈沖觸發(fā)調制器進而打開發(fā)射機產生發(fā)射脈沖，相應地，倒計數測頻模塊亦以觸發(fā)脈沖作為模塊工作循環(huán)的起始標記。

考慮到發(fā)射機工作于脈沖狀態(tài)，每個發(fā)射脈沖的前沿和后沿(起振和停振)中振蕩不穩(wěn)定，所以取脈沖中間的10 μs作為測頻區(qū)間，即取300個脈沖的持續(xù)時間形成計數區(qū)間。在電路設計上使用第八個脈沖的上升沿打開計數器，第308個脈沖的上升沿關閉計數器。308的二進制值為100110100，在電路上選用4輸入與非門74F20，四個輸入端分別接161計數輸出的第二、第四、第五、第八位，輸出即是計數器T的關閉信號。當這4位同時為1時即計到第308個脈沖，4輸入端與非門變?yōu)?，關閉計數器T。完成一次測量、CPU讀入測量結果后會將計數器T清零，這將導致4輸入端與非門的4個輸入均為低電平，其輸出必轉換為高，即打開了161計數器兩個控制端中的一個，只等另一個控制端也變高電平就開始計數。

為防止出現(xiàn)發(fā)射脈沖不穩(wěn)定，計數器無法計到第308個脈沖，采用74LS221單穩(wěn)態(tài)定時器定時12 μs，即計數時間達到12 μs電路將強制關閉計數器，既避免系統(tǒng)長期等待中頻方波信號導致死機，又保證不影響到下一周期的測量。

計數器T可以用74LS161級聯(lián)計數［4］，而計數器T0由于時鐘頻率為100 MHz的方波必須選用74F161。F系列的TTL芯片能夠工作到100 MHz以上的時鐘頻率，LS系列等計數頻率一般不超過50 MHz。T的最大計數值為300，所以需要三片161計數器級聯(lián)，級聯(lián)以后由最低位的161的CET、CEP端控制計數器的開關，兩端同時為高電平時計數器開始計數，任何一端位低電平計數器即停止。

為保證計數結果能及時保存并與單片機的數據總線連接，為計數器設計了由LS373組成的緩存電路，每次關閉計數器的同時將計數器計數結果鎖存到LS373，CPU讀該計數結果時分低8位和高4位分別讀取。

測頻電路的工作過程是:當雷達觸發(fā)脈沖到來時，時序控制電路打開計數器T，發(fā)射脈沖經下變頻、濾波、整形轉換成TTL方波作為計數器T的時鐘，當計數器T計到第8個脈沖時，時序控制電路打開計數器T0，T0開始對高穩(wěn)定時標計數;當計數器T計到第308個脈沖時，時序控制電路關閉計數器T和T0，并通知單片機已經完成一次頻率測量，單片機取走測量結果，并對硬件電路復位準備下一個周期的測量。圖4為測頻電路的簡略時序圖。

圖4 測頻電路的簡略時序圖

在正常工作時，發(fā)射脈沖與本振信號下變頻的輸出頻率應該是準確的30 MHz，在10 μs的測頻時間內有300個脈沖，高穩(wěn)定的時標的頻率是100 MHz，T0=10 ns，相應的 Tx的最大誤差是 T0/300=1/30 ns，據此可計算出測頻的分辨率是30 kHz，相對于雷達中頻放大器接近1 MHz的帶寬而言，此指標已經完全滿足雷達系統(tǒng)的要求。該電路實際測量結果達到了使雷達第一中頻信號的誤差小于等于30 kHz的效果。

3 結束語

雷達利用回波信號定位目標，其發(fā)射功率小則數十千瓦，大則上千千瓦。如此強大的發(fā)射功率對發(fā)射機附近的其它電子設備產生極強的干擾，而倒計數測頻電路及其組成的AFC電路系統(tǒng)必須在發(fā)射脈沖持續(xù)期間進行頻率測量，這就對其抗干擾能力提出了很高要求。

在測頻和頻率合成電路的實現(xiàn)過程中，充分利用了雷達方艙內尚有足夠空間的優(yōu)勢，采用多層屏蔽、電源濾波、優(yōu)化電路板設計等措施保證了倒計數測頻電路及頻率合成電路在強干擾下的穩(wěn)定工作，已經成功應用于國產某型雷達上，使該型雷達的技術、戰(zhàn)術性能指標得到顯著提高。

［1］曲衛(wèi)振，林寶軍，王學軍.時間頻率的高精度測量方法［J］.系統(tǒng)工程與電子技術.1998(8).

［2］丁鷺飛，耿富錄.雷達原理(第3版)［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2011.

［3］郭天祥.51單片機C語言教程—入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［4］趙保經.中國集成電路大全TTL集成電路［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1985.