CN104502658B - 一种预选器快速跟踪补偿电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种预选器快速跟踪补偿电路，包括：YTF调谐斜率补偿电路和YTF调谐偏移补偿电路，YTF调谐斜率补偿电路输出的斜率补偿电压耦接到调谐DAC器件的参考电压端，YTF调谐偏移补偿电路输出的偏移补偿电压耦接到调谐DAC器件的偏移设置端；调谐DAC器件接收预存的用于YTF调谐的DAC数据，并根据参考电压端和偏移设置端的电压对所述DAC数据进行补偿，输出实际需要的调谐驱动电压。本发明通过对YTF自身特性进行仿真分析、计算，得到YTF的实际调谐特性，根据该特性对YTF调谐驱动电压进行实时修正，保证了YTF快速调谐时，中频频率不会发生偏移，从而提高YTF的调谐速度。
Description
技术领域
本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种预选器快速跟踪补偿电路，还涉及一种预选器快速跟踪补偿方法。
背景技术
现代频谱仪对于扫描速度的要求越来越高，目前国产宽带频谱分析仪设计方案都选用超外差设计技术，高于3GHz以上频段选用预选器(YTF)技术，而由于预选器本身为磁性器件，其调谐速度受限于自身的激磁线圈电感特性，使线性输入的驱动电流在流过YTF线圈时，受到激磁电感的影响而产生滞后和延迟，这样YTF的输出频率就会低于理想状态下YTF的输出频率，造成信号测量的误差(主要是幅度准确度)，而扫描速度越快(即YTF输入驱动电流变化的越快)，这种延迟失真就越严重，严重降低了YTF调谐速度，影响频谱仪整机的扫描速度。
由于这种原因，目前国产频谱分析仪最快扫描速度只有50MHz/ms，远远不能满足使用的需求。为了能使YTF能够更好的跟踪驱动电流的变化，提高YTF的调谐速度，就需要对YTF的调谐延迟进行补偿修正。
YTF是利用YIG小球的自谐频率与其所在空间的磁场强度具有单调映射关系来实现调谐滤波的，其原理框图如图1所示，由于构造磁场的线圈中的磁场强度与流过线圈的电流成正比，这样YTF的调谐原理可以用线性方程来表示：
f＝ki×iS
式中，f：调谐频率，即YTF中心频率；
is：调谐线圈中的电流；
ki：YTF电流调谐灵敏度。
但是由于YTF自身的结构特点，其自感系数很大，而大电感是调谐滞后效应的重要因素之一。另外由于在扫描过程中，YTF的调谐电流是快速线性变化的，在流过线圈时会产生感应电流，根据焦耳-愣次定律，感生电流产生的磁通与调谐电流产生的磁通变化相反，即涡流效应。涡流的产生会削弱YTF内部的磁场强度，进而造成其中心频率发生偏移。
由于上述因素导致实际调谐驱动电流在经过YTF后产生严重的偏移，其效果如图2所示，频率越高，调谐电流越大，产生的电流偏移越严重，YTF的实际输出频率失真越大。
从图2中可以看出，由于激磁电感的影响，流过YTF的电流不能很好的跟踪输入驱动电路变化，会产生严重的延迟失真。因此为了提高YTF的调谐速率，就需要对这种延迟失真进行补偿。
YTF调谐驱动等效原理图如图3所示，根据图3可以推导出以下关系等式：
iin＝i1+i2+iYTF (4)
iin＝kt (5)
根据等式(1)(2)(3)(4)(5)可以换算出流经YTF的电流与驱动输入电流随时间变化的等式，利用这个等式补偿YTF调谐频率点对应的调谐电压，就可以实现YTF在扫描过程中的实时跟踪补偿，提高快扫时YTF的调谐跟踪速度。
已有的YTF调谐补偿技术有点补偿和扫补偿等方法：
点补偿是每一种速度对应一个补偿数据，该数据补偿到原驱动调谐数据中，对原驱动调谐数据进行修正，该方法缺点是调谐速度提升有限，同时随着调谐速度的提升，起始和终止频段较难同时兼顾。
扫补偿是根据原驱动调谐电路另外增加补偿修正电路，该电路输出电压与原调谐电压求和，得到新的调谐电压，对YTF进行驱动。该方法缺点是需要额外增加补偿电路，且需要通过实验拟合出不同扫速下YTF调谐状态，以确定补偿电路的电压输出特性，过程繁琐，且受外界环境等因素影响，实际的YTF调谐特性也会有所变化，补偿效果有限，YTF最高调谐速度能到200MHz/ms。
发明内容
为解决上述已有的YTF调谐补偿技术的缺点，本发明提出了一种预选器快速跟踪补偿电路及方法，通过分析推导出预选器YTF调谐过程中的阶跃响应函数，并根据函数对预选器快速调谐过程中的失真进行补偿修正，从而提高预选器的无失真调谐速度。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种预选器快速跟踪补偿电路，包括：
YTF调谐斜率补偿电路和YTF调谐偏移补偿电路，YTF调谐斜率补偿电路输出的斜率补偿电压耦接到调谐DAC器件的参考电压端，YTF调谐偏移补偿电路输出的偏移补偿电压耦接到调谐DAC器件的偏移设置端；
调谐DAC器件接收预存的用于YTF调谐的DAC数据，并根据参考电压端和偏移设置端的电压对所述调谐DAC数据进行补偿，输出实际需要的调谐驱动电压。
可选地，所述YTF调谐斜率补偿电路包括第一D/A转换器和第一放大电路。
可选地，所述第一D/A转换器为11位数/模转换芯片，其参考电压为VREFA，该电路的斜率补偿电压Voutslop由以下公式得到：
可选地，所述YTF调谐偏移补偿电路包括第二D/A转换器和第二放大电路。
可选地，所述第二D/A转换器为11位数/模转换芯片，其参考电压为VREFB，该电路的偏移补偿电压Voutoffset由以下公式得到：
Voutoffset＝-R3/R4*(DAC_offset/2048-1)×VREFB。
可选地，调谐DAC器件输出调谐驱动电压Vout受其参考电压端电压VREF和偏移设置端电压RIN的影响，具体等式如下：
Vout＝2×(2×VREF×DAC)/(2M-1)-RIN
其中，VREF＝Voutslop；RIN＝Voutoffset。
本发明还提供了一种预选器快速跟踪补偿方法，包括以下步骤：
首先，YTF调谐DAC数据与YTF调谐频率一一对应，根据计算得到并预先存储起来，在YTF调谐过程中依次溢出；
接下来，根据YTF调谐驱动原理计算得到t时刻对应频率点上理想的调谐驱动电流iIN大小；
然后，根据等式(1)～(5)：
iin＝i1+i2+iYTF (4)
iin＝kt (5)
计算得到时间t时刻iYTF的实际值，从而得到此时刻实际需要的调谐驱动输出电压值Vout；
再然后，将调谐驱动输出电压值Vout带入式(8)中：
Vout＝2×(2×VREF×DAC)/(2M-1)-RIN (8)
计算得到斜率补偿电压Voutslop，并结合YTF调谐斜率补偿电路的参考电压及位数，计算得到此时刻实际需要的偏移补偿DAC数据DACSLOP，其余补偿点对应的DAC调谐数据用同样的方法得到；
在YTF扫描过程中，每经过一个补偿点输出调谐DAC数据的同时，同步输出偏移补偿DAC数据DACSLOP，调整ADC器件的参考电压VREF，二者共同调整调谐ADC器件的输出电压。
可选地，先针对频谱仪不同波段的起始段和终止段进行YTF调谐补偿数据的摸底，再根据YTF的磁滞曲线完成整个频段的调谐数据补偿。
可选地，每间隔20MHz对YTF调谐数据进行补偿。
可选地，根据当前频谱仪参数设置，包括扫描时间SWEEP TIME、频宽SPAN，计算得到YTF调谐补偿点的溢出时间t1＝(20MHz/SPAN)×SWEEP TIME，每间隔时间t1对YTF调谐进行补偿修正。
本发明的有益效果是：
(1)保证了YTF快速调谐时，中频频率不会发生偏移，从而提高YTF的调谐速度；
(2)实现YTF调谐速度达到300MHz/ms；在扫描过程中，对YTF每步进20MHz进行一次偏移补偿，保证大扫宽时YTF调谐的线性化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为预选器调谐电路原理框图；
图2为YTF调谐驱动电流受磁滞响应影响示意图；
图3为YTF调谐等效电路原理图；
图4为调谐驱动电流iin与iYTF的关系曲线；
图5为本发明预选器快速跟踪补偿电路原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明通过分析推导出预选器(YTF)调谐过程中的阶跃响应函数，并根据函数对预选器快速调谐过程中的失真进行补偿修正，从而提高预选器的无失真调谐速度。该方法能提高预选器调谐速度达到300MHz/ms，大大提高了频谱分析仪的扫描速度。
如图5所示，本发明的预选器快速跟踪补偿电路包括：YTF调谐斜率补偿电路1和YTF调谐偏移补偿电路2，YTF调谐斜率补偿电路1输出的斜率补偿电压Voutslop耦接到调谐DAC器件的参考电压端，YTF调谐偏移补偿电路2输出的偏移补偿电压Voutoffset耦接到调谐DAC器件的偏移设置端；调谐DAC器件接收预存的用于YTF调谐的DAC数据，并根据参考电压端和偏移设置端的电压对上述预存的YTF调谐数据进行补偿，输出实际需要的调谐驱动电压Vout。
如图5所示，YTF调谐斜率补偿电路1包括第一D/A转换器和第一放大电路，用于调整ADC器件的参考电压，进而调整ADC器件的输出电压。以第一D/A转换器为11位数/模转换芯片为例，其参考电压为VREFA，该电路的斜率补偿电压Voutslop由以下公式得到：
如图5所示，YTF调谐偏移补偿电路2包括第二D/A转换器和第二放大电路，用于调整加到ADC器件输出电压的偏移量，同样可以调整ADC芯片的输出电压。以第二D/A转换器为11位数/模转换芯片为例，其参考电压为VREFB，该电路偏移补偿电压Voutoffset由以下公式得到：
Voutoffset＝-R3/R4*(DAC_offset/2048-1)×VREFB (7)
在频谱仪状态(例如扫宽、扫描时间等)发生变化时，频谱仪都需要重新发起扫描，为了消除YTF调谐偏移，在起扫前加入消磁脉冲对YTF进行消磁，进而保证在起扫时YTF的起始频率与所设置的起始频率一致，因此对于YTF调谐电压输出(即ADC器件输出电压)不需再加入偏移值，即Voutoffset＝0V，也即RIN＝0，进而可以得到DACoffset＝2048。
调谐DAC器件输出调谐驱动电压Vout受其参考电压端电压VREF和偏移设置端电压RIN的影响，具体等式如下：
Vout＝2×(2×VREF×DAC)/(2M-1)-RIN (8)
其中，VREF＝Voutslop；
RIN＝Voutoffset。
例如，调谐DAC器件选用AD7846，该芯片为16位数/模转换芯片，其电压输出精度为1LSB，具体等式如下：
Vout＝2×(2×VREF×DAC)/65535-RIN
DAC为YTF调谐DAC数据，该数据与YTF调谐频率一一对应，根据计算得到并预先存储起来，在YTF调谐过程中依次溢出。
考虑到YTF调谐速度等因素，采用每间隔20MHz对YTF调谐数据进行补偿。根据当前频谱仪参数设置(即扫描时间SWEEP TIME、频宽SPAN等参数确定)，就可以计算得到YTF调谐补偿点的溢出时间t1＝(20MHz/SPAN)×SWEEP TIME，即每间隔时间t1对YTF调谐进行补偿修正。YTF调谐过程中所出现的频率偏移主要是由于在每个时间t1内调谐电流发生了变化，导致YTF中心频率发生偏移，因此需要重点对每个时间段t1内的YTF调谐斜率进行补偿。
本发明的补偿电路工作原理如下：
首先，YTF调谐DAC数据(DAC)与YTF调谐频率一一对应，根据计算得到并预先存储起来，在YTF调谐过程中依次溢出。优选地，本发明针对频谱仪不同波段的起始段和终止段进行YTF调谐补偿数据的摸底，再根据YTF的磁滞曲线完成整个频段的调谐数据补偿，调试简单，且结果准确可靠。
接下来，根据YTF调谐驱动原理计算得到时间t时刻对应频率点上理想的调谐驱动电流iIN大小。
然后，根据等式(1)～(5)计算得到时间t时刻iYTF的实际值，从而得到此时刻实际需要的调谐驱动输出电压值Vout。
再然后，根据Vout值带入式(8)中计算得到Voutslop值，并结合YTF调谐斜率补偿电路的参考电压及位数，参考式(6)，计算就可以得到此时刻实际需要的偏移补偿DAC数据DACSLOP，其余补偿点对应的DAC调谐数据用同样的方法得到。
在YTF扫描过程中，每经过一个补偿点(20MHz间隔)输出调谐DAC数据的同时，同步输出偏移补偿DAC数据Voutslop，用以调整ADC器件的参考电压VREF，二者共同调整ADC芯片的输出电压。该电压加到YTF上后就能保证YTF在快扫时能保持线性调谐状态，实现YTF的实时快速跟踪。
本发明通过对YTF自身特性进行仿真分析、计算，得到YTF的实际调谐特性，根据该特性对YTF调谐驱动电压进行实时修正，保证了YTF快速调谐时，中频频率不会发生偏移，从而提高YTF的调谐速度。
而且，本发明根据YTF的调谐特性对YTF调谐驱动偏移补偿DAC数据进行修正校准，实现YTF调谐速度达到300MHz/ms；在扫描过程中，对YTF每步进20MHz进行一次偏移补偿，保证大扫宽时YTF调谐的线性化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种预选器快速跟踪补偿电路，其特征在于，包括：
YTF调谐斜率补偿电路和YTF调谐偏移补偿电路，YTF调谐斜率补偿电路输出的斜率补偿电压耦接到调谐DAC器件的参考电压端，YTF调谐偏移补偿电路输出的偏移补偿电压耦接到调谐DAC器件的偏移设置端；
调谐DAC器件接收预存的用于YTF调谐的DAC数据，并根据参考电压端和偏移设置端的电压对所述调谐DAC数据进行补偿，输出实际需要的调谐驱动电压；
首先，YTF调谐DAC数据与YTF调谐频率一一对应，根据计算得到并预先存储起来，在YTF调谐过程中依次溢出；
接下来，根据YTF调谐驱动原理计算得到t时刻对应频率点上理想的调谐驱动电流iin大小；
然后，根据等式(1)～(5)：
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iin＝i1+i2+iYTF (4)
iin＝kt (5)
其中：V为预选器两端等效电压；
L为预选器线圈等效电感，R2为预选器线圈等效电感的等效阻抗；
C1为预选器寄生电容，R1为预选器寄生电容的等效阻抗；
C2为预选器引脚电容；
i1为流过预选器寄生电容的电流；
i2为流过预选器引脚电容的电流；
k为预选器调谐频率相关系数；
iYTF为流经YTF的电流；
V1为预选器寄生电容C1两端电压；
计算得到时间t时刻iYTF的实际值，从而得到此时刻实际需要的调谐驱动输出电压值Vout；
再然后，将调谐驱动输出电压值Vout带入式(8)中：
Vout＝2×(2×VREF×DAC)/(2M-1)-RIN (8)
其中，M为D/A转换器的位数；
VREF为DAC器件的参考电压；
DAC为YTF调谐DAC数据；
RIN为DAC器件偏移设置端电压；
计算得到斜率补偿电压Voutslop，并结合YTF调谐斜率补偿电路的参考电压及位数，计算得到此时刻实际需要的斜率补偿DAC数据DACSLOP，其余补偿点对应的DAC调谐数据用同样的方法得到；
在YTF扫描过程中，每经过一个补偿点输出调谐DAC数据的同时，同步输出偏移补偿DAC数据DACSLOP，调整DAC器件的参考电压VREF，二者共同调整调谐DAC器件的输出电压。
2.如权利要求1所述的预选器快速跟踪补偿电路，其特征在于，所述YTF调谐斜率补偿电路包括第一D/A转换器和第一放大电路。
3.如权利要求2所述的预选器快速跟踪补偿电路，其特征在于，所述第一D/A转换器为11位数/模转换芯片，其参考电压为VREFA，斜率补偿DAC数据为DACSLOP，该电路的斜率补偿电压Voutslop由以下公式得到：
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其中，R1为第一放大电路的反馈电阻，R2为第一放大电路的输入电阻。
4.如权利要求1所述的预选器快速跟踪补偿电路，其特征在于，所述YTF调谐偏移补偿电路包括第二D/A转换器和第二放大电路。
5.如权利要求4所述的预选器快速跟踪补偿电路，其特征在于，所述第二D/A转换器为11位数/模转换芯片，其参考电压为VREFB，该电路的偏移补偿电压Voutoffset由以下公式得到：
Voutoffset＝-R3/R4*(DAC_offset/2048-1)×VREFB
其中，R3为第二放大电路反馈电阻，R4为第二放大电路输入电阻，DAC_offset为偏移补偿DAC数据。
6.如权利要求1所述的预选器快速跟踪补偿电路，其特征在于，
调谐DAC器件输出调谐驱动电压Vout受其参考电压端电压VREF和偏移设置端电压RIN的影响，具体等式如下：
Vout＝2×(2×VREF×DAC)/(2M-1)-RIN
其中，VREF＝Voutslop；RIN＝Voutoffset，DAC为YTF调谐DAC数据，M为D/A转换器的位数。
7.一种预选器快速跟踪补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，YTF调谐DAC数据与YTF调谐频率一一对应，根据计算得到并预先存储起来，在YTF调谐过程中依次溢出；
接下来，根据YTF调谐驱动原理计算得到t时刻对应频率点上理想的调谐驱动电流iin大小；
然后，根据等式(1)～(5)：
<mrow>
<mi>V</mi>
<mo>=</mo>
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<mrow>
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iin＝i1+i2+iYTF (4)
iin＝kt (5)
其中：V为预选器两端等效电压；
L为预选器线圈等效电感，R2为预选器线圈等效电感的等效阻抗；
C1为预选器寄生电容，R1为预选器寄生电容的等效阻抗；
C2为预选器引脚电容；
i1为流过预选器寄生电容的电流；
i2为流过预选器引脚电容的电流；
k为预选器调谐频率相关系数；
iYTF为流经YTF的电流；
V1为预选器寄生电容C1两端电压；
计算得到时间t时刻iYTF的实际值，从而得到此时刻实际需要的调谐驱动输出电压值Vout；
再然后，将调谐驱动输出电压值Vout带入式(8)中：
Vout＝2×(2×VREF×DAC)/(2M-1)-RIN (8)
其中，M为D/A转换器的位数；
VREF为DAC器件的参考电压；
DAC为YTF调谐DAC数据；
RIN为DAC器件偏移设置端电压；
计算得到斜率补偿电压Voutslop，并结合YTF调谐斜率补偿电路的参考电压及位数，计算得到此时刻实际需要的偏移补偿DAC数据DACSLOP，其余补偿点对应的DAC调谐数据用同样的方法得到；
在YTF扫描过程中，每经过一个补偿点输出调谐DAC数据的同时，同步输出偏移补偿DAC数据DACSLOP，调整ADC器件的参考电压VREF，二者共同调整调谐ADC器件的输出电压。
8.如权利要求7所述的一种预选器快速跟踪补偿方法，其特征在于，先针对频谱仪不同波段的起始段和终止段进行YTF调谐补偿数据的摸底，再根据YTF的磁滞曲线完成整个频段的调谐数据补偿。
9.如权利要求8所述的一种预选器快速跟踪补偿方法，其特征在于，每间隔20MHz对YTF调谐数据进行补偿。
10.如权利要求9所述的一种预选器快速跟踪补偿方法，其特征在于，根据当前频谱仪参数设置，包括扫描时间SWEEP TIME、频宽SPAN，计算得到YTF调谐补偿点的溢出时间t1＝(20MHz/SPAN)×SWEEP TIME，每间隔时间t1对YTF调谐进行补偿修正。
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