CN104849547B - 一种提高yto预置准确度的校准方法及校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种提高YTO预置准确度的校准方法及校准系统；通过在可编程逻辑单元增加频率测量模块，对中频进行频率测量，进而计算得到YTO的实际输出频率与设置频率的误差，不用外接测试仪器和设备，简化了测试连接和校准成本；只需要两个手动校准点，且得到一组经验值后可以作为所有环路的初始值使用，减少了手动调试工作量；对于对频率切换时间不敏感的设备，该发明可以实现即时校准，更加适应当时的工作条件，并且可以避免温漂和老化对环路锁定的影响，环路工作更稳定可靠。

Description

一种提高YTO预置准确度的校准方法及校准系统

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种提高YTO预置准确度的校准方法及校准系统。

背景技术

由于钇铁柘榴石调谐振荡器YTO在频率覆盖、调谐线性、频谱纯度等方面的优势，宽带微波合成信号发生器广泛采用了YTO作为核心微波振荡器。YTO是以钇铁柘榴石YIG小球为谐振子、微波晶体管为有源器件的固态微波振荡器，其输出频率与内部调谐磁场有较好的线性关系。高性能YTO内部调谐磁场由主线圈和副线圈两部分生成，前者感抗大、调谐慢但调谐灵敏度高、调谐范围宽、高频干扰抑制好；后者感抗小但调谐速度快，并因为调谐灵敏度低而具有良好的干扰抑制特性。二者结合使用特别有利于既需要大范围调谐又需要快速修正的宽带微波信号发生器。

图1是YTO为核心振荡器的微波信号源锁相原理框图。如图所示，主振预置是可以线性调节的电压信号，该电压信号与输出频率成正比，一般由数模转换器电路实现，由CPU通过可编程逻辑单元进行设置，用于激励低频电流发生器驱动YTO主线圈，把YTO调谐到预置输出频率。输出信号通过取样或混频方式，与本振信号运算后下变频到中频，反馈至鉴相电路，中频信号与参考频率信号经过鉴相和低通滤波处理后，得到误差电压信号，再根据YTO的驱动特点，将该误差电压经频谱分离后分成高频误差电压和低频误差电压，分别叠加到高频电流发生器和低频电流发生器的激励信号中，输出的主线圈驱动信号和副线圈驱动信号分别驱动YTO主线圈和副线圈，实现对输出电流的成比例调节，从而实现对YTO频率的调谐，最终实现频率锁定，输出所设定频率的输出信号。

由于YIG振荡器本身存在非线性误差，当主振预置调谐电压线性变化时，振荡器的输出频率常常会偏离理想频率正负几赫兹到几十兆赫兹；另外温度的变化也会带来一定的频率漂移，通常会有正负几千赫兹到十几兆赫兹的漂移误差；同时YTO也存在老化误差，工作一段时间后，相同的预置电压对应的输出频率也会出现差异。而锁相环路的捕捉带宽根据不同需要一般在几兆赫兹到几十兆赫兹范围，要使信号在整个频段内，在不同的环路带宽和工作温度范围内都能实现准确快速的捕获锁定，必须对振荡器的预置实施补偿。

现有的补偿方法一：

在YTO输出范围内，选择两个手动校准点，例如在输出频段的四分之一处和四分之三处各选择一个校准点，然后针对YTO环路，在开环的条件下，手动调整校准点的预置电压值，用频率计或频谱仪测试YTO预置输出频率，使YTO预置频率与输出频率尽量相等，分别记录这两个校准点的数模转换器的校准值，根据预置电压与输出频率成正比的特点，其它输出点的预置电压通过这两个校准点校准值线性插值计算得出，使YTO在整个频段内能够正常锁定。

这种方法的优点是校准点少，手动校准的工作量较小，但是当温度漂移误差和老化漂移误差超出环路的捕捉带宽时，环路将不能继续锁定，因此对YTO的性能要求较高，另外这种方法需要外接测试仪器，需要配置额外的资源，有一定的局限性。

现有的补偿方法二：

在YTO输出范围内，选择多个校准点，使相邻校准点之间的线性度足够好，然后针对每个YTO环路，在开环的条件下，手动调整校准点的预置电压值，用频率计或频谱仪测试YTO预置输出频率，使YTO预置频率与输出频率尽量相等，分别记录这些校准点的数模转换器的校准值，根据预置电压与输出频率成正比的特点，相邻校准点之间的预置电压通过这两个相邻校准点校准值线性插值计算得出，使YTO在整个频段预置频率与设定频率误差足够小，从而保证YTO在整个频段内能够正常锁定。

这种方法对第一种方法进行了改进，相对降低了对YTO本身的性能要求，缺点是手动校准点较多，手动校准的工作量较大，并且一旦校准后，校准值不再更改，当温度漂移误差和老化漂移误差超出环路的捕捉带宽时，环路依然不能继续锁定，因此对YTO的性能要求仍较高，另外这种方法需要外接测试仪器，需要配置额外的资源，有一定的局限性。

现有的补偿方法三：

由于当环路锁定时，误差电压会维持在一定的范围内，当环路失锁时，误差电压会偏离在该范围之外，失锁判决电路用于判断环路是否失锁。图2是带失锁判决电路的锁相驱动电路结构图；如图所示，失锁判决指示电路是一个电压比较电路，当误差电压值在设定门限值范围之内时，失锁判决输出端输出高电平时，环路锁定；反之环路失锁。根据这个规律，利用失锁判决电路，可以实现对预置频率的自动修正。具体过程是，当选择了模块自校准功能后，CPU自动读起始频点的初始设定值，然后线性逐步增加预置值，通过判断失锁判决电平的高度来记录开始锁定值D1和锁定后第一个失锁值D2，取(D1+D2)/2作为主路预置值。校准频段内的每一个频点的校准过程都是一样的，因此可以在YTO输出范围内，插入更多的校准点，使用自动校准软件对预置电压进行自动校准。

这种方法的优点是不用外接测试仪器，并且可以使用自动校准软件实现自动校准，减小了手动调试的工作量，提高了校准效率；缺点是校准过程中需要逐步调整预置值，步进太大会导致校准值偏离过大，校准效果不理想；步进太小会导致校准过程太慢，校准效率低。另外在误差电压与比较器基准电压基本相等时，比较电路的输出会出现不稳定的现象，失锁判决电平频繁变化，无法准确判断环路的状态，在校准过程中要对该现象进行例外处理，反复检测和排除该现象。

上述三种补偿方法的缺点如下：

现有校准方法1：在YTO输出范围内，选择两个手动校准点，然后针对YTO环路，在开环的条件下，手动调整校准点的预置电压值，用频率计或频谱仪测试YTO预置输出频率，使YTO预置频率与输出频率尽量相等，分别记录这两个校准点的数模转换器的校准值，其它输出点的预置电压通过这两个校准点校准值线性插值计算得出，使YTO在整个频段内能够正常锁定。这种方法的缺点是对YTO的性能要求较高，当温度漂移误差和老化漂移误差超出环路的捕捉带宽时，环路将不能继续锁定，另外这种方法需要外接测试仪器，需要配置额外的资源，有一定的局限性。

现有校准方法2：在YTO输出范围内，选择多个校准点，使相邻校准点之间的线性度足够好，然后针对每个YTO环路，在开环的条件下，手动调整校准点的预置电压值，用频率计或频谱仪测试YTO预置输出频率，使YTO预置频率与输出频率尽量相等，分别记录这些校准点的数模转换器的校准值，相邻校准点之间的预置电压通过这两个相邻校准点校准值线性插值计算得出，使YTO在整个频段预置频率与设定频率误差足够小，从而保证YTO在整个频段内能够正常锁定。这种方法对第一种方法进行了改进，相对降低了对YTO本身的性能要求，缺点是手动校准点较多，手动校准的工作量较大，对YTO的性能要求仍较高，当温度漂移误差和老化漂移误差超出环路的捕捉带宽时，环路依然不能继续锁定，另外这种方法也需要外接测试仪器，需要配置额外的资源，有一定的局限性。

现有校准方法3：由于当环路锁定时，误差电压会维持在一定的范围内，当环路失锁时，误差电压会偏离在该范围之外，失锁判决电路用于判断环路是否失锁。该方法利用失锁判决电路，实现自动校准。这种方法的优点是不用外接测试仪器，并且可以使用自动校准软件实现自动校准，减小了手动调试的工作量，提高了校准效率；缺点是校准过程中需要逐步调整预置值，步进太大会导致校准值偏离过大，校准效果不理想；步进太小会导致校准过程太慢，校准效率低。另外在误差电压与比较器基准电压基本相等时，比较电路的输出会出现不稳定的现象，失锁判决电平频繁变化，无法准确判断环路的状态，在校准过程中要对该现象进行例外处理，反复检测和排除该现象。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提出一种提高YTO预置准确度的校准方法及校准系统，通过把时基信号和整形后的中频信号送入可编程逻辑单元，在可编程逻辑单元增加频率测量模块，对中频进行频率测量，即可经计算得到YTO的实际输出频率与设置频率的误差，进而实现预置准确度的校准。

为达上述目的，一方面，本发明提供了一种提高YTO预置准确度的校准方法，包括：

根据预置电压与输出频率成正比的特点，根据校准点的输出频率，计算本振频率并设置本振参数；根据初始值，采用线性插值算法，计算并设置当前校准点的初始预置值Di1；

测量中频频率，计算YTO实际输出频率Fi1；

在初始预置值的基础上增加一个步进量作为新的预置值Di2，设置该预置值；

再次测量中频频率，计算YTO实际输出频率Fi2；

根据DFi＝(Fi2-Fi1)/(Di2-Di1)，计算出数字模拟转换器DAC每位对应的灵敏度DFi；

根据ΔDi＝DFi×(Fi-Fi1)，计算出DAC的校准值并记录校准数据。

进一步的，在计算本振频率并设置本振参数之前，还包括预设初始值，具体包括：

在YTO输出范围内，选择两个手动校准点，然后针对YTO环路，在开环的条件下，调整校准点的预置电压值，用频率测量模块测试YTO预置输出频率，使YTO预置频率与输出频率相等；

分别记录这两个校准点的数模转换器的校准值，将其作为所述初始值。

进一步的，所述计算出DAC的校准值之后，还包括：

存储校准数据；或将循环次数加1，进入下一个校准点。

另一方面，本发明提供一种提高YTO预置准确度的校准系统，其特征在于，该系统包括频率测量模块，设于所述可编程逻辑模块中，用于对中频进行测量。

可选的，所述频率测量模块对所述中频采用多周期同步测量。

本发明能够达到以下有益效果：

本发明充分利用既有的硬件资源，采用频率测量技术，实现了YTO预置的快速准确校准；本发明不用外接测试仪器和设备，简化了测试连接和校准成本；只需要两个手动校准点，并且不需要对每个YTO锁相环路单独校准，得到一组经验值后可以作为所有环路的初始值使用，减少了手动调试工作量；对于每个校准点，本方案只需要测试两次即可得到准确的校准值，校准效率高，校准效果好；校准过程步骤简单明确，可以编制校准软件自动校准；对于对频率切换时间敏感的设备，可以在YTO输出范围内选择多个校准点，使用自动校准软件进行多点校准，校准后的校准值可以长期使用，当校准值失效后，可以重新校准，为了保证设备的性能，也可以定期进行校准；对于对频率切换时间不敏感的设备，该发明可以实现即时校准，更加适应当时的工作条件，并且可以避免温漂和老化对环路锁定的影响，环路工作更稳定可靠。

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是现有技术中以YTO为核心振荡器的微波信号源锁相原理框图；

图2是带失锁判决电路的锁相驱动电路结构图；

图3是本发明一种提高YTO预置准确度的校准方法的流程图；

图4是本发明一种提高YTO预置准确度的校准系统的结构图；

图5是连续波信号测量时序图；

图6是串行延时、并行计数的时间测量示意图。

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。

采用混频方案时YTO输出频率、本振频率、中频频率之间满足：中频频率＝YTO输出频率±本振频率。

采用取样方案时YTO输出频率、本振频率、中频频率之间满足：中频频率＝YTO输出频率±N×本振频率。

在环路锁定情况下，无论采用哪种方案，锁定时中频频率都与参考频率相等。保证YTO环路稳定可靠锁定的前提是在开环时，YTO预置频率与YTO锁相输出频率之间的误差足够的小，使中频频率与参考频率之间的误差也足够小。

在确定了YTO输出频率后，即可通过计算确定本振频率，以及取样方案的本振倍频次数N，在开环状态下，设定主振预置得到YTO预置输出频率后，如果能够准确测量到中频信号的频率，那么根据上面的等式，即可计算得到YTO的实际输出频率，也就得到了YTO的实际输出频率与设置频率的误差，结合YTO的调谐灵敏度即可实现对YTO预置误差的修正。

本方案利用上面的原理，并充分利用既有的硬件资源，把时基信号和整形后的中频信号送入可编程逻辑单元，在可编程逻辑单元增加频率测量模块，对中频进行频率测量。

以下通过两个具体实例对本发明进行进一步说明。

实施例一

图3是本发明一种提高YTO预置准确度的校准方法的流程图，如图所示，包括：

步骤302，根据预置电压与输出频率成正比的特点，根据校准点的输出频率，计算本振频率并设置本振参数；根据初始值，采用线性插值算法，计算并设置当前校准点的初始预置值Di1；

步骤303，测量中频频率，计算YTO实际输出频率Fi1；

步骤304，在初始预置值的基础上增加一个步进量作为新的预置值Di2，设置该预置值；

步骤305，再次测量中频频率，计算YTO实际输出频率Fi2；

步骤306，根据DFi＝(Fi2-Fi1)/(Di2-Di1)，计算出数字模拟转换器DAC每位对应的灵敏度DFi；

步骤307，根据ΔDi＝DFi×(Fi-Fi1)，计算出DAC的校准值并记录校准数据。

如果对频率的切换时间敏感，可以在YTO输出范围内，选择多个校准点，设计自动校准软件，在环路开环的条件下进行校准。首先根据预置电压与输出频率成正比的特点，根据校准点的输出频率，计算并设置本振频率，根据两个手动校准点的校准值，采用线性插值算法，计算并设置当前校准点的初始预置值Di1；启动频率测量模块测量中频频率，计算YTO实际输出频率Fi1；在初始预置值的基础上增加一个步进量(例如50)作为新的预置值Di2，设置该预置值；启动频率测量模块测量中频频率，计算YTO实际输出频率Fi2；根据DFi＝(Fi2-Fi1)/(Di2-Di1)，计算出DAC每位对应的灵敏度DFi，根据ΔDi＝DFi×(Fi-Fi1)，计算出DAC的校准值并记录校准数据。每个校准点重复上述过程即可完成自动校准。

进一步的，在计算本振频率并设置本振参数之前，还包括：

步骤301初始化；

预设初始值：

在YTO输出范围内，选择两个手动校准点，然后针对YTO环路，在开环的条件下，调整校准点的预置电压值，用频率测量模块测试YTO预置输出频率，使YTO预置频率与输出频率相等；

分别记录这两个校准点的数模转换器的校准值，将其作为所述初始值。

例如在输出频段的四分之一处和四分之三处各选择一个校准点，然后针对YTO环路，在开环的条件下，手动调整校准点的预置电压值，用频率测量模块测试YTO预置输出频率，使YTO预置频率与输出频率尽量相等，分别记录这两个校准点的数模转换器的校准值，每种YTO环路只需手动测试到一组经验值，只要保证每个校准点的初始预置值的偏差不要过大即可，这两个手动校准点校准一次后，即可作为YTO环路的初始值永久使用。

循环次数i清零。每个校准点都要重复上述过程，因而设定一个循环次数i，以对应每个校准点。因此，每次校准开始前，进行初始化时，需要把循环次数i清零。

进一步的，所述计算出DAC的校准值之后，还包括：

步骤308，判断是否校准结束，若否则将循环次数i加1，进入下一个校准点；如结束则进入：

步骤309，存储校准数据。

这种校准方法的优点是不用外接测试仪器，并且可以使用自动校准软件实现自动校准，校准过程中对每个校准点只需要进行两次设置和两次频率测量，即可完成准确校准，校准准确度高且校准效率也较高，为了避免温漂和老化对环路锁定的影响，可以定期执行自动校准。

如果对频率的切换时间不敏感，该发明可以实现即时校准，即根据当前设置的输出频率，采用校准流程图中单点校准的方法，完成测量和校准。

这种校准方法的优点是不用外接测试仪器，校准过程中只需要进行两次设置和两次频率测量，即可完成准确校准，校准准确度高，并且可以根据当时的工作条件即时校准，避免温漂和老化对环路锁定的影响，环路工作更稳定可靠。

实施例二

图4是本发明提供一种提高YTO预置准确度的校准系统的结构图。

如图所示，该系统包括频率测量模块，设于所述可编程逻辑模块中，用于对中频进行测量。

可选的，所述频率测量模块对所述中频采用多周期同步测量。

图5是连续波信号测量时序图；如图所示，假设预置闸门时间为Tp，Tp经同步电路产生与中频信号(fX)同步的实际闸门时间T。计数器分别在T时间内对被测中频和内部时钟信号(f0)进行计数，计数值分别为NA＝fX×T和NB＝f0×T，所以fX＝NA/NB×f0，即可得出被测频率值。这种测量方法消除了被测中频信号可能引起的±1误差的影响，只存在时基±1误差，提高时基频率，可以提高测量分辨率和准确度，并在整个被测频率范围内具有相同的测量精度。

图6是串行延时、并行计数的时间测量示意图。如图所示，为了进一步提高测量分辨率和测量精度，可以在可编程逻辑单元内采用数字内插技术。数字内插使用一组在理论上传播延时相等的延时单元构成延时链，采用“串行延时、并行计数”的方法，实现高分辨率时间测量。延时内插法的分辨率取决于单位延时单元的延迟时间，延迟时间越小，测量分辨率越高。该方法的优点是速度快且延时链易于集成在可编程逻辑器件中，成本低且生产调试简单；缺点是各单元的传播延时在可编程逻辑器件中无法满足严格相等这一理论条件，必须经误差修正才能保证测量准确度。本发明同时使用查表法和锁相环延时校准两种方法进行误差修正。将锁存器的驱动时钟分为四到八组，各使用不同的全局时钟，根据差分线性误差表控制各路时钟相位，将误差控制在一定范围之内，确保不出现丢码同时减小误差；在此基础上建立查找表，进一步减小测量误差。

本发明充分利用既有的硬件资源，把时基信号、中频信号接入可编程逻辑器件，采用频率测量技术，实现了YTO预置的快速准确校准；本发明不用外接测试仪器和设备，简化了测试连接和校准成本；只需要两个手动校准点，并且不需要每个YTO锁相环路单独校准，得到一组经验值后可以作为所有环路的初始值使用，减少了手动调试工作量；对于每个校准点，本方案只需要测试两次即可得到准确的校准值，校准效率高，校准效果好；校准过程步骤简单明确，可以编制校准软件自动校准；对于对频率切换时间敏感的设备，可以在YTO输出范围内选择多个校准点，使用自动校准软件进行多点校准，校准后的校准值可以长期使用，当校准值失效后，可以重新校准，为了保证设备的性能，也可以定期进行校准；对于对频率切换时间不敏感的设备，该发明可以实现即时校准，更加适应当时的工作条件，并且可以避免温漂和老化对环路锁定的影响，环路工作更稳定可靠；本发明同时也适用于压控振荡器VCO等其它类型振荡器的预置校准。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrative logical block)，单元和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrative components)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种提高YTO预置准确度的校准方法，其特征在于，包括：

根据预置电压与输出频率成正比的特点，根据校准点的输出频率，计算本振频率并设置本振参数；根据初始值，采用线性插值算法，计算并设置当前校准点的初始预置值Di1；

测量中频频率，计算YTO实际输出频率Fi1；

在初始预置值的基础上增加一个步进量作为新的预置值Di2，设置该预置值；

再次测量中频频率，计算YTO实际输出频率Fi2；

根据DFi＝(Fi2-Fi1)/(Di2-Di1)，计算出数字模拟转换器DAC每位对应的灵敏度DFi；

根据ΔDi＝DFi×(Fi-Fi1)，计算出DAC的校准值并记录校准数据；

在计算本振频率并设置本振参数之前，还包括预设初始值，具体包括：

在YTO输出范围内，选择两个手动校准点，然后针对YTO环路，在开环的条件下，调整校准点的预置电压值，用频率测量模块测试YTO预置输出频率，使YTO预置频率与YTO预置输出频率相等；分别记录这两个校准点的数模转换器的校准值，将其作为所述初始值；

所述计算出DAC的校准值之后，还包括：存储校准数据；或将循环次数加1，进入下一个校准点；

校准方法所使用的系统包括频率测量模块，设于可编程逻辑模块中，用于对中频进行测量，所述频率测量模块对所述中频采用多周期同步测量；

连续波信号测量时，假设预置闸门时间为Tp，Tp经同步电路产生与中频信号fX同步的实际闸门时间T，计数器分别在T时间内对被测中频和内部时钟信号f0进行计数，计数值分别为NA＝fX×T和NB＝f0×T，所以fX＝NA/NB×f0，即可得出被测频率值。