摘 要:为了实现YIG频率测量的自动化,设计了一种计算机控制YIG频率测量电路,针对YIG频率测量电路中非线性问题及磁性材料中磁滞现象对频率测量精度的影响,给出了软件补偿方法。根据具体型号中YIG滤波器组成频率测量电路的测量结果表明,该软件补偿方法可以提供满足精度要求的测量。
关键词:YIG; 频率测量; 磁滞; 非线性; 补偿
中图分类号:TP316 文献标识码:A
文章编号: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谐振器[1]是一种借助改变直流偏置磁场而实现宽带调谐的高Q值铁氧体谐振器,它的优点是调谐范围宽,调谐速度快,无机械活动部件,结构紧凑,其频率范围约为500 MHz~50 GHz,广泛应用于微波测量领域[2-3]。由于YIG谐振器的谐振频率与偏置磁场的强度成正比,因此可以通过控制电路来改变磁场,从而实现线性调谐,达到频率测量的目标[4]。
1 计算机控制YIG频率测量电路的基本组成
计算机技术[5]的发展为提高测量精度和自动化程度提供了条件。自动测量[6]的关键是信号的检测与测量电路的控制。信号检测电路包括检波器、计算机中断控制电路以及音响电路;测量控制电路包括YIG滤波器磁场控制电路和电调衰减器。工作中,计算机根据扫频程序控制YIG线圈的电流,以改变YIG滤波器的中心频率;信号检测电路根据检测出的信号向计算机提请中断;中断服务程序记录对应此时的YIG中心频率。同时还可以通过电调衰减器和门限电路对信号电平和比较门限进行调整,以提高测量精度[7]。YIG测频控制电路的组成如图1所示。
图1 YIG测频控制电路的组成
磁场控制电路包括补偿数据存储器、D/A转换器、线性放大器及其调整电路以及压控电流源等。其中,补偿数据存储器中存储对YIG的非线性及温度特性进行补偿的数据,该数据由计算机提供;D/A转换器可将数字控制量变换成模拟电压;线性放大器则对该模拟电压再进行放大,用于驱动压控电流源;而压控电流源则将控制电压变化为驱动YIG线圈所需的电流。理想的YIG滤波器其通带的中心频率与外加磁场强度(H)存在线性关系,而磁场强度(H)又与驱动电流(nI)成正比。也就是说,对于理想的压控电流源,其输出电流与输入电压成正比,因此可以进一步推断,YIG滤波器的中心频率与D/A转换器输出的模拟电压成正比。YIG滤波器的磁场控制电路如图2所示。对于不同材料不同规格的YIG滤波器,其中心频率与控制电压的比例不同,电路中设有W1和W2两个电位器,用于调试驱动电流的最大值和最小值,以满足YIG线圈驱动电流的需要,从而适应不同频段的YIG调谐器件。
图2 YIG滤波器磁场控制电路原理图
中断控制电路由门限电路、比较器、微分电路及电平转换电路组成,用于在信号由小到大高过门限和由大到小低于门限时产生中断信号,其原理图如图3所示。
图3 中断控制电路原理图
2 YIG频率测量原理
计算机控制YIG频率测量的原理如下:
程序按规定的时序向D/A转换器输出设定好的扫描电压数据,YIG滤波器的中心频率随扫描电压的增加对波段内的信号进行扫描,由于YIG滤波器有一定的带宽,当信号进入滤波器通带,检波器输出信号高于门限电平时,产生中断1,中断服务程序记录当前YIG的中心频率f1;当YIG中心频率随扫描电压继续增加,检波器输出信号低于门限电平,产生中断2,中断服务程序记录此时的YIG中心频率f2,同时对两次测量的频率进行平均,即可得到信号频率f0=(f1+f2)/2。测量原理如图4所示。
图4 YIG测频控制电路的测量原理
为了保证测量灵敏度,信号电平应保持在一定的水平,信号电平的调整通过电调衰减器实现。此外,还可以通过调整比较器的门限电平来提高测量灵敏度。
3 YIG频率测量的软件补偿
3.1 非线性补偿
如前所示,理想的YIG器件调谐曲线是一条直线,YIG的中心频率的变化与线包电流的变化成正比,但是,由于受磁性材料磁特性的影响,实际的调谐曲线是非线性的[8]。此外,由于磁场控制电路的半导体器件也有非线性,从而使YIG滤波器的调谐特性呈现非线性[9]。
在工程上,通常采用多段直线逼近的方法对上述曲线进行线性化处理,就是将各控制量曲线进行分段,在段内认为控制量曲线是一条直线。只要各线段分段点位置选取合适,可以保证YIG滤波器在整个频段随频率测量的线性度。
通过计算各段控制量的起始值、步进值与终止值就可以表征本段的补偿量。计算机根据理想状态下的D/A数据及补偿分段的起始值,将理想状态的控制数据加上补偿量作为D/A转换器的实际输出数据,从而消除非线性误差。划分的线段越多,逼近效果越好,测量精度也就越高。
3.2 磁滞补偿
由于磁滞现象的存在,线包电流从低端调到高端和由高端调回低端,YIG滤波器的中心频率是不重合的,也就是说电流从最小到最大和从最大到最小的扫描过程中会出现谐振频率差。磁滞被定义为线包电流从两个方向调至同一电流处时的最大频率偏差。YIG频率测量电路在实际工作时是采用锯齿控制电压对YIG线圈电流进行控制,可以利用程序控制回扫电压对磁滞偏差进行补偿,从而达到提高测量精度的目的。某型号的YIG滤波器特性[10]如表1所示,磁滞补偿后的扫描电压如图5所示。
表1 典型YIG滤波器参数表
工作频率 /GHz调谐线性度 /MHz磁滞 /MHz调谐灵敏度 /(MHz/mA)频漂 /(MHz/℃)
4~8±1.577.313.10.16
图5 磁场补偿扫描电压示意图
经过补偿后的频率测量数据如表2所示。
经过补偿的频率测量标准差为2.061 MHz。
对于温度特性的补偿通常采用的方法包括:恒温槽处理,温度补偿电路和软件补偿方式。本测量方案中采用了恒温槽处理技术,较好地解决了测量精度随温度的变化问题。
4 结 语
计算机测量控制技术和误差的软件补偿技术已经在各种测量工程中得到了广泛的应用。传统的模拟补偿电路[9]只能对于某种特性规律的非线性进行补偿,而软件补偿技术则可根据各种不同的非线性特性进行分段补偿,大大提高了测量精度,同时软件补偿技术大大降低了测量补偿电路设计的复杂性。测量结果表明,对于多路信号,所设计的测量电路可以自动显示测量结果,其测量精度达到设计要求。通过定期对测量电路进行标校,修订补偿数据,可以保证测量电路的有效性。
参考文献
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