复现微波延迟时间间隔的一种方法

复现微波延迟时间间隔的一种方法
己口口9年l1月
第己日卷第
现微波延迟时间间隔的一种方法
李涛张华锋
(中国人民解放军92957部队舟山316000)
摘要:针对微波信号的延迟时间难以测量的难题,介绍一种能对微波延迟装置进行延迟时问测量的方法.设计了环路振荡
电路,用脉冲信号在调制器上对微波信号进行反馈控制,将对微波延迟时间问隔的测量变换为对频率的测量,真实复现微波
信号传输所经历的时间;采用PtC16F877A微处理控制器的脉冲捕捉功能,在PICC 平台上开发频率测量程序.实践证明:该
方法能对宽范围的微波延迟时间间隔进行高准确度的测量.
关键词:时间间隔;脉冲调制;微波延迟;频率测量
中图分类号:TN7文献标识码:A Methodofmicrowavedelayintervalrecurrence
LiTaoZhangHuafeng
(PLAUnitsNo.92957,Zhoushan316000,China)
Abstract:InordertosolvetheproblemthatitisdifficultytOmeasuremicrowavedelayinterval ,amethodofmesuremi—crowavedelayintervalofmicrowavedelaysetisintroducedinthispaper.Thismethoddesigne dablockinggeneratorand
controlledmicrowavesignalback-coupledwithpulsesignalonmodulatorthatchangedmicr owavedelayintervalmeasure
tOfrequencymeasure,andrecurredthetransferstimeofmicrowavesignal,andusedpulse-cat chfunctionofPIC16F877A MCUtodesignfrequencymeasureprogrammeonPICCplatform.Thepricticeshowesthatthi
smethodcanmeasure
wide—rangemicrowavedelayinterva1high-accurately.
Keywords:PIC16F877A;pulsemodulation;microwavedelayinterval;frequencymeasure ment
0引言
在工程技术实践中,微波信号的延迟时间是重要的技
术参数,对于雷达的调试,校准有着重要的意义.对微波
信号延迟时间的测量具有工作频率高,微波信号弱,延迟
时间短等特点.
本文介绍一种能对微波延迟装置.进行延迟时间测
量的方法,该方法真实地复现了微波信号在微波延迟装置
中传播所经历的时间,对延迟时间间隔测量的最小值可以
小于1n8,能对衰减量低于一8OdB的延迟装置进行测量.
1工作原理
1.1微波延迟时间测量原理设计
该方案设计思路是将微波延迟时间测量转换成频率
测量.测量电路采用微波电路结构,用延迟时间脉冲调制
微波信号反馈振荡电路原理l_4],真实复现微波信号传输过
程中所经历的时间.微波延迟时间测量电路原理框图如
图1所示.
微波延时时间测量电路设计3个输入端,C1是微波
信号输入端,C2,C3是被测延迟装置输入端.初始状态
时,微波放大器输入端无信号,脉冲放大整形器输出高电
平,控制微波调制器开通,微波信号经过微波调制器送人
被测微波延迟装置,经过延迟时间r,微波信号传送到微波
放大器,受到衰减的微波信号经过放大,检波后送入脉冲
放大整形器,脉冲放大整形器输出的1vrL电平变低,控制
微波调制器关闭.由于微波调制器关闭,再经过延迟时间
r,微波放大器输入端的微波信号消失,检波器无输出,脉
冲放大整形器输出电平变为高电平,再次控制微波调制器
作者简介:李涛,高级工程师,博士,主要从事军用计量管理与测试工作.
一
20一中国科技核心期刊
200g年l1月
第己日卷第1I期
开通.整个电路往复循环工作,形成振荡状态,振荡周期简洁,工作过程真实地复现了
为2r.振荡输出的信号经过分频器处理,由经历的时间,其振荡的周期正
PIC16F877A微处理控制器进行频率测量.该电路结构
微波延迟测量装置:
图1微波延迟时间测量电路原理图
1.2微波延迟测量数据处理模型
在测量闭环回路中,硬件对微波的传输有不同程度的
延迟,对测量的结果会产生影响,产生影响的主要部分有:
微波调制器,微波放大器,检波器,脉冲放大整形器,内,外
部连接电缆等.设硬件产生的延迟时间之和为∑,被
测量延迟装置的延迟时间为r,测试回路中总延迟时间为
t,则:
r—t一∑t(1)
设测量环路振荡频率为,,周期为T,则:
T一(2)
T一2t(3)
由式(1)～(3)可得:
一一
∑一一厶(4)
式中:是一个常数,因此,被测量延迟装置的微波延
迟时间r仅与测量环路振荡频率-厂有关.
2硬件设计
2.1微波调制器
脉冲调制器是振荡环路中的正反馈执行部件,在反馈
脉冲的激励下,控制微波信号在脉冲调制器中的通断.根据微波放大器的输入灵敏度一70dBm和调制器最高能承受输入功率+30dBm的技术指标,按照环路工作原理要求,调制器的控制能力应不小于一100dBm.在该测量装
置的设计中,采用一只控制能力为I10~120dB的高性能
调制器,简化电路结构,减小内部延迟时间,同步性好,工
作可靠.
2.2微波放大器
由于被测量延时装置对微波信号衰减较大,一般为
一
20～一7OdB,为了使检波器输出足够高的脉冲幅度,设
计微波放大器对被测量延迟装置的输出微波信号进行高增益放大.微波放大器要求具有增益高,频带宽,输入动
态范围大,噪声低,抗饱和,输出功率平稳等特点.
在该测量装置中,微波放大器采用对数微波放大器,
这种微波放大器通过对数转换功能,将大动态范围的输入信号压缩成较小的,易于处理的信号,微波信号输入动态范围可达+20～一68dB,微波放大器的输出激励检波器, 检波器的输出电压与放大器输入功率成正比.放大器在l～10GHz频率范围内,保持8OdB的增益,平坦度为
±2dB,检波输出的对数斜率为5OmV/dB.采用混合集
成技术和全温度范围补偿技术,使放大器在一50～
+85℃全温度范围内保证技术指标,并且体积小,重量
轻,可靠性高.
2.3检波器
检波器的作用是从经过脉冲调制的微波信号中将脉
冲信号解调,提供给脉冲放大整形器.为了克服高增益放大器本底噪声的影响,同时较好地响应对数放大器的输出,检波器的灵敏度不宜过高,检波器必须保证对大动态范围输入有较好的响应,较小的输出失真,较好的脉冲
前沿.
2.4脉冲放大整形器
脉冲放大整形器用于对高频低幅脉冲信号进行幅度
放大和整形,由电压比较器,CMOS施密特门组成.采用
门延时间仅为7.5ns的3016极速电压比较器,设计成具有输入信号回差的电压比较电路,将检波器输出信号与地电平进行比较后输出转换成为1vrL电平,再经由CMOS 施密特门进行整形.电压比较器电路原理如图2所示. 2.5分频器
为了使PIC16F877A微处理控制器更稳定地测频,设
计了分频器对环路振荡信号进行分频,使最高频率不超过PIC16F877A微处理控制器脉冲捕捉的频率范围.分频
器由4518芯片构成,4518芯片是双分频器,两个分频器均接成十分频电路,并串连应用,构成100倍分频,每10 倍分频设置输出端,分别送人PIC16F877A的RC1和RC2接口,使用PIC16F877A的脉冲捕捉功能对其进行测频,并且根据频率的不同,自动选择RC接口.分频器电
路原理如图3所示.
中国科技核心期刊
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1
图2电压比较器电路原理图
图3分频器电路原理图
3频率测量程序设计[_8]7
在均匀的脉冲序列中,脉冲频率值等于单位时间内发
生的脉冲次数.根据这个原理,可以采用PIC16F877A内置定时器模块TMR1计时,同时使用CCP模块的捕捉功能,每间隔(:1,4,16)个脉冲捕捉一次并产生中断,用
被捕捉的脉冲次数除以第1次和第(一1)×+1次脉冲
之间间隔的时间即可得到脉冲频率值.程序流程图如图4所示.
频率测量程序如下:
unsignedlongmeasure(unsignedcharcatch)
{
time_
count=0;//定时计数器清零
ccp_count=0;//脉冲计数器清零
GIE=1;//允许全局中断
PEIE=1;//允许外围中断
TRISC1一O;//CCP2(RC1)输入
CCP2IE=1;//允许CCP2中断
CCP2IF=0;//ccP2中断标志位清0 CCP2CON—catchmode;//设置捕捉脉冲ei();//中断开始
while(1)//等待定时中断
if(ccp_
count=一2)
一
22一
break;
di();//中断结束
TMR1ON=0;//关闭TMR1
CCP2CON=OxO0;//关闭CCP2
CCP2IE=0;//关闭CCP2中断
CCP2IF=0;//CCP2中断标志位清0 TRISC1—0;//CCP2(RC1)输出TMRlIE一0;//关闭TMR1中断TMRIlF=O;//TMR1中断标志位清0 PEIE—O;//关闭外围中断
GIE=0;//关闭全局中断
<开始>
中断开始
l系统初始化l
l显示部分程序l
}<>
变量参数设置:\/
1定时器中断计数变量Y
time—
count=0;r
2.脉冲捕捉中断计数交中断结束
量ccpcount=O.
计算频率值:
允许全局中断f=nlAt,
△辟于定时器中断计
数变量timecount~以
允~ccp2断:定时器寄存器最大值,
1中断标志位清零:再加上定时器寄存器值2.设置脉冲捕捉模式
为每一次脉冲捕捉.
(结束)
图4频率测量流程图
中断程序流程图如图5所示.
中断子程序如下:
voidinterruptTMR1_(℃P2一ira(void) {
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己口口g年l1月
第己日卷第1l期
图5中断子程序流程图
if(TMR1IF一一1)//~tJ断是否定时器中断{
TMR1IF=0;//TMR1中断标志位清0
TMR1oN一0;//关闭TMR1
TMR1L=0x00;//设置TMR1初始值
TMR1H=0x00:
TMRION一1;//开启TMR1
time_count++;//定时计数器减1
}
if(CCP2IF一=1)//判断是否CCP2中断
{
if(ccp_
count=一O)
{
TMRIlE=1;//允许TMR1中断
TMRIIF=0;//TMR1中断标志清0
T1C0N=0x30;//设置分频
TMR1L一0x00;//TMR1清零
TMR1H=0x00;
TMR1ON=1;//开启TMR1中断
}
CCP2IF=0;//CCP2中断标志清0
ccp_count++;//脉冲计数器加1
}
)
4误差分析
本文介绍的复现延迟时间的方法主要在下列主要方
面产生复现误差.
环路振荡器振荡频率的稳定度引入误差.由于该方
法使包括被测件和测量部分共同构成一个振荡环路,在整个回路中的所有相关的器件,部件技术指标都对振荡特性
产生影响.如传输过程中的驻波,器件,电路对输入的响
应等都对频率的稳定度产生明显的影响.由于复现延迟时间维持的时间短,一般频率的短期稳定度对复现延迟时间影响较明显.
10一～1×1O一
为±(O.1～1)
相对误差可以小于±0.01.
测量电路,微波器件,检波器,脉冲处理器件对大动态
范围输入的响应不一致,非线性作用,不灵敏区域,频率特性的不均匀等不理想因素,使复现的参数不一致性增加. 这种因素引入的误差在±(0.1～1)之间,且难以克服.
随机因素引入误差.在实验过程中,环境温度,相对
湿度,系统噪声等,对复现的参数产生随机影响,这种影响产生的误差在±(O.O1～O.1)之间,且随机产生.
测频方法引入误差.由于该技术方案是将被复现的
参数变换成频率,所以测频误差影响复现的结果.本方案采用了计算一定数量的脉冲所经历时间的方法,该方法的测量误差仅为时基误差,在本方案中,CPU的时钟频率比对外频标,误差一般不大于±10～.
综合上述误差来源分析,振荡频率的稳定度对复现的
结果影响较大,在工程实现过程中,微波器件的品种,电子线路的参数是减小复现误差的瓶颈.
5结束语
本文介绍的复现微波延迟时间间隔的方法利用频率
测量准确的特点,设计了环路振荡电路,将难以测量的较短延迟时间变换成容易测量的较低的频率信号,该频率信号正比于延迟时间,线性度好,测量准确,方法简捷,实用
性强;利用PIC16F877A微处理器的脉冲捕捉功能,设计的频率测量程序原理简单,性能可靠,分辨率高.
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