杜 煒,賀其元,張 堅(jiān),馬 森
(海軍青島雷達(dá)聲納修理廠,青島 266000)
在雷達(dá)、電子對(duì)抗裝備的修理過(guò)程中,往往需要使用微波功率計(jì)測(cè)量微波信號(hào)的功率(平均值或者峰值)。目前測(cè)量所使用的微波功率計(jì)都存在體積大、重量重、攜帶麻煩、不便于裝備現(xiàn)場(chǎng)維修等缺點(diǎn),而且由于價(jià)格昂貴裝備配置率不高。針對(duì)這些問(wèn)題,國(guó)內(nèi)一些技術(shù)人員在微波功率測(cè)試方面開展了相關(guān)模塊(設(shè)備)方面的研究和設(shè)計(jì)[1-5],但這些模塊(設(shè)備)的頻率覆蓋范圍窄、功能單一,推廣應(yīng)用不明顯。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種體積小、成本低的便攜式微波峰值功率計(jì),能夠滿足雷達(dá)、電子對(duì)抗裝備現(xiàn)場(chǎng)維修的微波功率測(cè)試需求,為裝備保障提供了新的維修手段,可以節(jié)約維修成本,提高維修效率,具有重要的經(jīng)濟(jì)和軍事意義。
設(shè)計(jì)的便攜式微波峰值功率計(jì)工作原理圖如圖1所示。該微波峰值功率計(jì)主要由射頻檢波、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理與顯示、電源等四部分構(gòu)成。射頻檢波負(fù)責(zé)將射頻信號(hào)功率轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào);數(shù)據(jù)采集由信號(hào)調(diào)理模塊和A/D采集模塊組成,負(fù)責(zé)將轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào);信號(hào)處理與顯示部分以FPGA模塊和ARM主機(jī)板為核心單元,負(fù)責(zé)顯示檢波電壓包絡(luò)并計(jì)算輸入射頻信號(hào)的實(shí)際平均功率或峰值功率,通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)維修指導(dǎo)功能,顯示測(cè)試點(diǎn)參考指標(biāo)要求,并指導(dǎo)下一步維修作業(yè);電源為系統(tǒng)各模塊提供相應(yīng)電源電壓。
圖1 便攜式微波峰值功率計(jì)主體框架結(jié)構(gòu)
在常用雷達(dá)、電子對(duì)抗等裝備維修時(shí),一般被測(cè)點(diǎn)的參數(shù)指標(biāo)都是確定的,如果測(cè)量出的功率值低于指標(biāo)即可判定為性能不達(dá)標(biāo)。因此,修理人員對(duì)功率測(cè)量?jī)x表的動(dòng)態(tài)范圍要求并不高,相反的,便攜的設(shè)備構(gòu)造、簡(jiǎn)單的操作方式顯得更加重要。為此,該功率計(jì)的設(shè)計(jì)主要考慮3個(gè)方面的主要需求:滿足指定裝備的微波功率測(cè)試需求;將傳感器內(nèi)置,做到設(shè)備體積最小化;操作界面簡(jiǎn)單化,具有裝備維修指導(dǎo)功能。具體有以下主要性能指標(biāo):
1)頻率范圍:2~9 GHz;
2)功率范圍:0~-50 dBm;
3)測(cè)量精度:±1 dBm;
4)響應(yīng)時(shí)間:≤50 ns;
射頻檢波元件是峰值功率計(jì)的核心部件,目前常用的主要有晶體二極管和集成對(duì)數(shù)檢波芯片[6]。采用多通道及晶體二極管級(jí)聯(lián)的方式可以設(shè)計(jì)出較大動(dòng)態(tài)范圍的晶體二極管傳感器,這也是專業(yè)功率計(jì)廠家大多采用的方式,但其后續(xù)電路復(fù)雜、設(shè)計(jì)難度較大,而且晶體二極管特性隨溫度變化較大,需要專門設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路[7]。集成對(duì)數(shù)檢波芯片是近些年隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展孕育而生的,具有集成化程度高、寬線性動(dòng)態(tài)范圍、溫度穩(wěn)定性好的特點(diǎn),目前如美國(guó)模擬器件ADI公司、MAXIM半導(dǎo)體公司等芯片制造廠商均有類似的產(chǎn)品。根據(jù)設(shè)計(jì)性能要求,選用美國(guó)模擬器件(ADI)公司生產(chǎn)的AD8317對(duì)數(shù)功率轉(zhuǎn)換芯片作為射頻檢波元件。該芯片最高能在10 GHz下工作,其中在1 MHz~8 GHz范圍內(nèi)能夠保持精確的對(duì)數(shù)一致性,典型輸入動(dòng)態(tài)范圍為55 dB(以50 Ω為基準(zhǔn)),最大溫度穩(wěn)定性±0.5 dB,同時(shí)具有6 ns/10 ns(下降沿/上升沿)的響應(yīng)時(shí)間[8],能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)中測(cè)量頻率的上限值超過(guò)該芯片保持精度的最大頻率8 GHz,系統(tǒng)采集檢波芯片輸出結(jié)果后需進(jìn)行數(shù)據(jù)校正。
將AD8317芯片配制成測(cè)量模式,電路圖如圖2所示。將VSET與VOUT直連,設(shè)置模塊檢波輸出的對(duì)數(shù)斜率為-22 mV/dB(截距為15 dBm)。TADJ設(shè)置為懸空,減小高頻段的截距漂移,提高測(cè)量精度。R6為AD8317輸出負(fù)載,同時(shí)設(shè)置C3為懸空,并使用高速運(yùn)算放大器SGM8061搭接成電壓跟隨器減小外界電路輸入阻抗對(duì)檢波模塊的影響,提高模塊的響應(yīng)時(shí)間。將電路元件封裝在屏蔽盒內(nèi),最大限度地減小外部干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
圖2 微波信號(hào)檢波模塊電路圖
信號(hào)調(diào)理模塊框圖如圖3所示,它作為微波信號(hào)檢波模塊與A/D采集模塊之間的過(guò)渡單元,主要用于完成微波檢波模塊輸出檢波波形的電壓變換,內(nèi)部的電壓變換模塊通過(guò)反向比例加減法電路將射頻檢波模塊輸出電壓轉(zhuǎn)換到AD采集模塊能夠使用的電壓范圍。另外,信號(hào)調(diào)理模塊中包含有一塊高精度雙通道數(shù)模變換器,它可以在外部控制信號(hào)的控制下產(chǎn)生兩路模擬電壓,其中一路作為模擬觸發(fā)電平送給觸發(fā)產(chǎn)生氣,當(dāng)變換后的檢波電壓觸發(fā)電平門限后,將產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖,該觸發(fā)脈沖將送至FPGA模塊作為信號(hào)采集的觸發(fā)‘0’時(shí)刻。另一路模擬電壓主要用于完成系統(tǒng)的功能測(cè)試,當(dāng)控制輸入繼電器將測(cè)試電平與電壓變換模塊相連接后,主機(jī)板可以自主產(chǎn)生測(cè)試電平信號(hào)完成系統(tǒng)后續(xù)功能測(cè)試與調(diào)試。在每一次開機(jī)時(shí),為了消除電壓變換模塊的漂移,系統(tǒng)將自動(dòng)切換至測(cè)試模式,對(duì)A/D模塊輸入范圍內(nèi)的電壓值進(jìn)行一次數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。另外,在電路板設(shè)計(jì)時(shí)不同種類電源和地嚴(yán)格分離,所有輸入輸出控制信號(hào)采用光耦隔離,同時(shí)大量使用去耦電容以消除數(shù)字電路對(duì)模擬信號(hào)的干擾。
圖3 信號(hào)調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)框圖
A/D采集模塊采用MAXIM公司生產(chǎn)的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1448。該芯片可以在單路+3 V電源下工作,采用帶有寬帶跟蹤和保持的10階流水線結(jié)構(gòu),最大采樣頻率達(dá)到80 MHz,同時(shí),該芯片內(nèi)置電壓基準(zhǔn)源,外圍電路簡(jiǎn)單,輸入信號(hào)可以采用差分輸入也可以單端輸入[9],能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。在硬件設(shè)計(jì)中,將MAX1448轉(zhuǎn)換芯片配置為單端輸入、緩沖型外置基準(zhǔn)模式工作,由高精度電壓基準(zhǔn)源REF3020芯片提供50 ppm/℃、2.048 V的外置基準(zhǔn)電壓,電源輸入模擬端使用+3 V電源,數(shù)字端使用+3.3 V電源,數(shù)字、模擬電源分離減少相互干擾,同時(shí)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出端使用串聯(lián)電阻進(jìn)行匹配,減少信號(hào)噪聲。時(shí)鐘端口與FPGA模塊相連接,接收FPGA模塊送來(lái)的可調(diào)采樣時(shí)鐘脈沖,時(shí)鐘頻率設(shè)計(jì)最高50 MHz。
FPGA模塊采用Altera公司Cyclone IV系列的EP4CE6E22C8芯片。該芯片包含有6 272個(gè)邏輯元件(LEs),270 k字節(jié)嵌入式內(nèi)存,15個(gè)18*18嵌入式乘法器,2個(gè)PLL,91個(gè)用戶IO端口,可以滿足設(shè)計(jì)需要。FPGA內(nèi)部電路使用Altera公司的Quartus11.0軟件進(jìn)行開發(fā),該軟件集成了Altera的FPGA/CPLD開發(fā)中各個(gè)階段的所有工具,并為第三方軟件提供了無(wú)縫接口[10]。本系統(tǒng)中FPGA軟件開發(fā)采用混合編輯法,使用原理圖編輯頂層設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)直觀便于修改,而內(nèi)部模塊使用文本編輯,通過(guò)波形仿真確定模塊的工作時(shí)序,通過(guò)Signal Tap II采集工作時(shí)內(nèi)部寄存器的工作狀態(tài),排除設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的異常情況。
FPGA模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)有時(shí)鐘產(chǎn)生模塊、FIFO緩存器、FIFO控制模塊、觸發(fā)檢測(cè)模塊、通信接口模塊、寄存器模塊等功能模塊(如圖4所示),主要用于完成以下功能:
圖4 FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
1)產(chǎn)生采集時(shí)鐘,采集時(shí)鐘可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置;
2)內(nèi)置FIFO模塊,采集并緩存AD采集模塊輸出的數(shù)據(jù);
3)實(shí)現(xiàn)與主機(jī)板的通訊,內(nèi)置8個(gè)8位寄存器可控制FPGA內(nèi)模塊的工作狀態(tài);
4)實(shí)現(xiàn)預(yù)采集功能,即能夠采集觸發(fā)信號(hào)之前若干點(diǎn)的數(shù)據(jù);
5)配合主機(jī)板實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主要功能。
時(shí)鐘產(chǎn)生模塊接收外部有源晶振產(chǎn)生的50 MHz時(shí)鐘信號(hào),通過(guò)PLL倍頻至100 MHz再分頻成其它功能模塊所需要的各種頻率。送給ADC的采樣時(shí)鐘頻率在工作中可以通過(guò)寄存器模塊中的控制字進(jìn)行調(diào)整,最高頻率設(shè)定為50 MHz。配置FIFO緩存器數(shù)據(jù)總線寬度為10位,深度為500,其輸入、輸出時(shí)序由FIFO控制模塊完成。觸發(fā)檢測(cè)模塊接收信號(hào)調(diào)理模塊送來(lái)的觸發(fā)脈沖,進(jìn)行數(shù)字濾波、整形后作為啟動(dòng)采樣控制信號(hào)送FIFO控制器使用。FIFO控制器設(shè)計(jì)有預(yù)采集模式,確保在檢測(cè)到觸發(fā)脈沖后,系統(tǒng)能夠顯示觸發(fā)前的部分時(shí)長(zhǎng)的檢波功率值。通信接口模塊負(fù)責(zé)與主機(jī)板進(jìn)行通訊,接收主機(jī)板發(fā)送的控制字,發(fā)送狀態(tài)字或者FIFO緩存數(shù)據(jù)給主機(jī)板。寄存器模塊內(nèi)的存儲(chǔ)單元REG0~REG6用來(lái)存儲(chǔ)主機(jī)板送來(lái)的控制字并控制FPGA內(nèi)部模塊的工作,REG7作為狀態(tài)字寄存器存儲(chǔ)各模塊的工作狀態(tài)并通過(guò)通信接口模塊反饋給主機(jī)板。
ARM主機(jī)板以意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F407ZGT6芯片作為控制核心,該芯片是一款基于Cortex-M4 ARM內(nèi)核的32位微處理器,且內(nèi)部集成了192 kB SRAM和1M Flash,其工作頻率可達(dá)到168 MHz,同時(shí)芯片內(nèi)部含有豐富的ADC、SPI接口、IIC接口等片上資源,可以滿足本系統(tǒng)的需求。
觸摸顯示屏使用ALIENTEK生產(chǎn)的4.7寸TFT LCD電容式觸摸顯示屏。其中,顯示屏幕分辨率為800×480,16位真彩色顯示,采用NT35510驅(qū)動(dòng),自帶GRAM,無(wú)需外加驅(qū)動(dòng)器,接口類型為Inter8080-16位并口;觸摸屏使用電容式觸摸,由GT9147芯片驅(qū)動(dòng),支持5點(diǎn)同時(shí)觸摸;電源電壓為背光5 V、其它3.3 V。
另外,主機(jī)板上還設(shè)計(jì)有系統(tǒng)供電電路、DS18B20溫度傳感器、AT24C08存儲(chǔ)器、下載接口以及與FPGA模塊、觸摸顯示屏相連接的接口等。其中,ARM芯片與顯示屏使用FSMC接口實(shí)現(xiàn)16位并行數(shù)據(jù)傳輸,與觸摸屏使用SPI接口通信,與DS18B20溫度傳感器使用單總線協(xié)議通信,與AT24C08存儲(chǔ)器使用IIC總線協(xié)議通信。
為了減少繼電器、數(shù)字信號(hào)等大電流、脈沖信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾、沖擊,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,系統(tǒng)采用分離電源設(shè)計(jì),將所需電源劃分為數(shù)字5 V、數(shù)字3.3 V,模擬5 V、模擬3.3 V、模擬3 V五類,每種電源都使用單獨(dú)的穩(wěn)壓芯片供電,并在外部電源輸入端使用共模濾波器過(guò)濾輸入電源的共模干擾。在接地方式上,采用單點(diǎn)、多點(diǎn)混合接地的方式減少地噪聲,在信號(hào)調(diào)理模塊等數(shù)?;旌想娐分惺褂霉怆婑詈掀鞣蛛x數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào),并大量使用去耦電容減小經(jīng)電源系統(tǒng)耦合的噪聲。
主機(jī)板上ARM芯片使用C語(yǔ)言編程,Keil uVision5軟件環(huán)境進(jìn)行編譯。軟件開發(fā)主要包括操作頁(yè)面軟件設(shè)計(jì)、脈沖測(cè)試模塊、連續(xù)波測(cè)試模塊、校準(zhǔn)模塊、自測(cè)試模塊、調(diào)試模塊等功能程序模塊,以及支持功能程序模塊的基礎(chǔ)層函數(shù)。按照層級(jí)劃分,主機(jī)板軟件架構(gòu)如圖5所示。基礎(chǔ)層函數(shù)中的硬件驅(qū)動(dòng)函數(shù)作為軟件和硬件的交互橋梁,將指令下達(dá)給硬件電路,同時(shí)接收測(cè)量的數(shù)據(jù)。上層的模塊調(diào)用下層的函數(shù),實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。軟件流程圖如圖6所示,系統(tǒng)在每次開始時(shí)對(duì)信號(hào)調(diào)理模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn),消除因器件老化、參數(shù)變化造成的誤差,之后系統(tǒng)將按照指令寄存器中的數(shù)據(jù)調(diào)用對(duì)應(yīng)的功能模塊,實(shí)現(xiàn)諸如頁(yè)面顯示、數(shù)據(jù)刷新、波形顯示、按鈕響應(yīng)等功能。定時(shí)中斷函數(shù)主要用于完成對(duì)觸摸屏按鈕的采集、判斷,生成指令數(shù)據(jù)并存入指令寄存器。為了消除AD8317功率轉(zhuǎn)換芯片的誤差,提高測(cè)量的頻率范圍和精度,軟件中設(shè)計(jì)了校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù),該數(shù)據(jù)庫(kù)可以通過(guò)校準(zhǔn)模塊進(jìn)行顯示、新增、刪除等操作。軟件中,系統(tǒng)固化了10組頻率的校準(zhǔn)數(shù)據(jù),在實(shí)際使用中,還可以利用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源在校準(zhǔn)模塊軟件提示下,針對(duì)指定頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在AT24C08存儲(chǔ)器中,做到長(zhǎng)期保存。在實(shí)際測(cè)量時(shí),系統(tǒng)讀取對(duì)應(yīng)或相近頻率的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)使用線形插值的方式計(jì)算出測(cè)量結(jié)果。
圖5 主機(jī)板軟件架構(gòu)圖
圖6 主機(jī)板軟件流程圖
為驗(yàn)證該便攜式微波功率計(jì)的測(cè)量精度,利用AV1487B微波合成掃頻信號(hào)發(fā)生器分別在不同頻率下對(duì)系統(tǒng)的平均功率及脈沖功率測(cè)量情況進(jìn)行測(cè)試。使用連續(xù)波測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示,結(jié)果在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)。而當(dāng)微波合成掃頻信號(hào)發(fā)生器采用脈沖調(diào)制模式(脈寬1 μs,重頻1 ms)輸出時(shí),測(cè)量結(jié)果卻出現(xiàn)了較大的誤差。
表1 射頻連續(xù)波信號(hào)測(cè)試
從攜式微波功率計(jì)自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中分析,測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生誤差的來(lái)源主要由以下幾個(gè)模塊產(chǎn)生:1)射頻檢波模塊產(chǎn)生的誤差σ檢;2)信號(hào)調(diào)理模塊產(chǎn)生的誤差σ調(diào);3)A/D采集模塊產(chǎn)生誤差σAD;4)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)非線性誤差σ非線性;5)其它來(lái)源誤差。
σ檢主要包括射頻檢波模塊自身的輸出噪聲和因溫度變化造成的輸出變化,其中因溫度變化造成的輸出變化占主要方面。由于環(huán)境溫度不會(huì)突然升高或降低,且對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換芯片在不同的射頻頻率、功率條件下對(duì)環(huán)境溫度的敏感程度不相同,σ檢應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)為一個(gè)固定誤差,該固定誤差與環(huán)境溫度和射頻頻率相關(guān)。
σ調(diào)主要為因器件性能改變、溫度變化造成的輸出結(jié)果漂移。設(shè)備在每次開機(jī)時(shí)會(huì)使用模擬電平對(duì)信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn),因此σ調(diào)可以忽略不計(jì)。
σAD主要是A/D變換器的量化誤差。由于MAX1448轉(zhuǎn)換芯片為10位AD變換器,信號(hào)調(diào)理模塊的放大倍數(shù)約為1.5倍,射頻檢波模塊輸出的對(duì)數(shù)斜率為-22 mV/dB,計(jì)算可得A/D變換器的量化誤差σAD約為:
σ非線性由射頻檢波模塊轉(zhuǎn)換曲線的非線性產(chǎn)生。由于設(shè)備標(biāo)校時(shí),校準(zhǔn)曲線是對(duì)校準(zhǔn)點(diǎn)采用線性插值的算法生成的,當(dāng)射頻檢波模塊轉(zhuǎn)換曲線為非線性時(shí),在兩校準(zhǔn)點(diǎn)中間將出現(xiàn)誤差,該誤差可以通過(guò)增加校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)密度加以克服。
σ其他主要包括系統(tǒng)失配造成的檢波波形失真、系統(tǒng)受到干擾造成的功率測(cè)量誤差、噪聲誤差等。
從數(shù)據(jù)結(jié)果上看,測(cè)量最大誤差0.4 dBm,其中低頻段的測(cè)量結(jié)果普遍偏大而高頻段測(cè)量結(jié)果卻普遍偏小。對(duì)射頻檢波模塊進(jìn)行重新校準(zhǔn)后再次測(cè)量,誤差消除。從誤差的出現(xiàn)規(guī)律分析,該誤差主要應(yīng)為σ檢。設(shè)備初始校準(zhǔn)時(shí)環(huán)境與測(cè)試時(shí)的環(huán)境存在溫差,射頻檢波芯片性能發(fā)生改變,從而在測(cè)試時(shí)產(chǎn)生誤差。而在當(dāng)前環(huán)境溫度下重新校準(zhǔn)后,該誤差不復(fù)現(xiàn)。
在使用脈寬1 μs,重頻1 ms調(diào)制信號(hào)進(jìn)行測(cè)試時(shí),測(cè)試發(fā)現(xiàn)低頻條件下測(cè)量結(jié)果與連續(xù)波測(cè)試相同,誤差較小,但在頻率較高時(shí)(9 GHz),誤差較大,且輸入功率越大,測(cè)量誤差越大。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試發(fā)現(xiàn),不同頻率、功率條件下該誤差值基本固定不變,改變調(diào)制信號(hào)脈沖寬度后,發(fā)現(xiàn)當(dāng)射頻頻率在9 GHz條件時(shí),檢波信號(hào)出現(xiàn)前沿過(guò)沖現(xiàn)象,如圖7所示,輸入功率越大,過(guò)沖現(xiàn)象越明顯。該現(xiàn)象應(yīng)為高頻條件下設(shè)備輸入端失配造成檢波信號(hào)波形失真,而設(shè)備自動(dòng)采集檢波信號(hào)的最大值,從而造成測(cè)試結(jié)果偏大。當(dāng)使用手動(dòng)測(cè)量時(shí),測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值基本一致。
圖7 9 GHz脈沖調(diào)制信號(hào)檢波功率曲線
該便攜式微波峰值功率計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、實(shí)用性強(qiáng),能夠滿足一線維修人員日常使用要求,已在實(shí)際使用中得到應(yīng)用,受到使用者的肯定。下一步,該設(shè)備可以在以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)。1)建立與環(huán)境溫度相關(guān)聯(lián)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù);2)優(yōu)化、改善射頻輸入端性能,減小其在高頻段條件下產(chǎn)生的波形失真;3)優(yōu)化自動(dòng)測(cè)量軟件功能,消除過(guò)沖、振鈴對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響;4)增加指導(dǎo)裝備維修指導(dǎo)功能,提高技術(shù)人員的維修效率。