王 蒙
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所,山東 青島 266555)
自動(dòng)電平控制(ALC)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于通信發(fā)射機(jī)、微波信號(hào)發(fā)生器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等測(cè)量?jī)x器[1],在微波信號(hào)發(fā)生器中,ALC是實(shí)現(xiàn)功率準(zhǔn)確度和功率分辨率指標(biāo)的關(guān)鍵。因信號(hào)源本身受外界干擾及電子元器件的不穩(wěn)定、特性不理想等原因,使得信號(hào)源難以輸出幅度平穩(wěn)的信號(hào),并且有時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行設(shè)置,這時(shí)就要采用ALC技術(shù)來(lái)對(duì)輸出信號(hào)的功率進(jìn)行控制[2]。
本文所提出的基于PID的自動(dòng)電平控制方法,采用PID控制器對(duì)ALC環(huán)路上的衰減器進(jìn)行控制,在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻輸出信號(hào)幅度的自動(dòng)調(diào)節(jié),精確的控制射頻輸出信號(hào)幅度,使得射頻輸出信號(hào)的幅度更加平穩(wěn)。
一種簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)式ALC控制系統(tǒng)如圖1所示,它由射頻放大器、電控衰減器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、放大器四部分組成。其中uref是參考電平信號(hào),uc是電控衰減器的控制信號(hào)。
圖1 開(kāi)環(huán)式ALC系統(tǒng)原理圖
這種開(kāi)環(huán)式ALC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但是由于控制信號(hào)與輸出射頻信號(hào)之間沒(méi)有反饋通路[3],輸出射頻信號(hào)不能對(duì)控制信號(hào)uc產(chǎn)生影響,因而系統(tǒng)的魯棒性較差。開(kāi)環(huán)式ALC系統(tǒng)適用于輸入射頻信號(hào)穩(wěn)定,對(duì)抗干擾要求不高的場(chǎng)合。
如圖2所示,基于PID的閉環(huán)式ALC控制系統(tǒng)由射頻放大器、電控衰減器、二極管檢波器、雙斜率對(duì)數(shù)放大器、DAC、PID控制器、放大器組成。 其中udet是檢波電平信號(hào),ulog是雙斜率對(duì)數(shù)大器輸出的電平信號(hào),uref是參考電平信號(hào),e是誤差信號(hào),uc1是PID控制器的輸出信號(hào),uc是uc1通過(guò)放大器產(chǎn)生的控制信號(hào)。
圖2 基于PID的閉環(huán)式ALC系統(tǒng)原理圖
當(dāng)射頻輸入功率發(fā)生波動(dòng)或存在擾動(dòng)信號(hào)時(shí),基于PID的閉環(huán)式ALC系統(tǒng)可以通過(guò)反饋回路,來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整輸出信號(hào)的功率,使輸出信號(hào)功率保持較高準(zhǔn)確度[4],有效抑制射頻輸入功率波動(dòng)和擾動(dòng)信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)功率的影響,提高了系統(tǒng)的抗干擾性[5]。
在基于PID的閉環(huán)式ALC系統(tǒng)中,利用二極管檢波器把交流射頻輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)udet(udet<0),再利用雙斜率對(duì)數(shù)放大器,把udet轉(zhuǎn)換成的與交流射頻輸出信號(hào)的功率成正比的直流信號(hào) ulog(ulog<0),這樣交流輸出信號(hào)就引入到負(fù)反饋通路上。若通過(guò)主控程序設(shè)置 DAC輸出的參考電平信號(hào)為 uref(uref>0),則誤差e為:
根據(jù)圖2設(shè)計(jì) PID控制器,則 uc1為:
其中為Kp比例增益,Ti為積分時(shí)間,Td為微分時(shí)間。
當(dāng)誤差信號(hào)e不為零時(shí),PID控制器有電流流過(guò),uc1和uc的值發(fā)生改變,在的作用下,電控衰減器的衰減量進(jìn)行調(diào)整,進(jìn)而改變射頻輸出信號(hào)的功率,直至誤差信號(hào)e為零,此時(shí)PID控制器沒(méi)有電流流過(guò),系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[5],射頻輸出信號(hào)的功率為動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)指定的功率。
將基于PID的閉環(huán)式ALC系統(tǒng)應(yīng)用于微波信號(hào)發(fā)生器中,相關(guān)的典型技術(shù)指標(biāo)如下:
(1)頻率范圍:24.25GHz-30GHz
(2)穩(wěn)幅功率范圍:-30dBm~0dBm
(3)功率準(zhǔn)確度:±0.6dB
(4)功率分辨率:0.05dB
用微波功率計(jì)對(duì)微波信號(hào)發(fā)生器輸出的功率進(jìn)行測(cè)量,得到的結(jié)果如圖3所示,可以看出,經(jīng)基于PID的ALC系統(tǒng)穩(wěn)幅后,微波信號(hào)發(fā)生器輸出0dBm功率時(shí)的平坦度為±0.2dBm。
圖3 功率平坦度測(cè)量曲線
本文提出的基于PID的自動(dòng)電平控制方法,實(shí)現(xiàn)了射頻輸出信號(hào)的功率對(duì)給定值的自動(dòng)跟蹤,提高了輸出信號(hào)的功率平坦度,并有效抑制擾動(dòng)信號(hào)對(duì)輸出信號(hào)的影響,使微波信號(hào)發(fā)生器具有較強(qiáng)的魯棒性。