CN105403765A - 一种用于脉冲功率测量的稳幅环路装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于脉冲功率测量的稳幅环路装置，该装置包括：数据采集单元，基于脉冲上升及下降的变化过程，获取脉冲幅值数据；数据处理单元，利用密度分布统计平均法对所述脉冲幅值数据进行分析，得到脉冲信号幅度的平均值；波形比较控制单元，利用脉冲信号幅度的平均值与标准电压进行差值运算，并将两者的差值信号放大用于控制信号源输出。本发明所述技术方案采用数字采样比较技术，能有效同步脉冲信号，不仅适用于各种脉冲宽度及周期下的脉冲信号稳幅，还能保证小占空比条件下功率测量不确定度数值不变。
Description
技术领域
本发明涉及稳幅环路设计。更具体地，涉及一种用于脉冲功率测量的稳幅环路装置。
背景技术
在功率测量领域内，采用稳幅环路结构是一种常见、有效的测量方式。它具有功率稳定度高、接头失配性小等优点。
功率测量的稳幅环路是微波信号源的外部辅助设备，一般由三端口器件、功率敏感器和功率计组成，组成结构如图1所示。信号源输出的信号进入三端口器件的1口，分成两路，由端口2、3输出，功率敏感器检测到端口3的输出信号，在内部将其转换为直流信号，由功率计采样、处理，由内部比较器输出电压信号，控制信号源输出。通常，我们选择端口2反射系数较小的三端口器件，能有效减小测试端面的失配性，有利于提高功率测量的不确定度。
目前，脉冲功率的测量普遍没有采用上述稳幅环路结构，原因在于脉冲宽度和脉冲周期的不确定性，以及小占空比条件下此类稳幅环路会使功率测量不确定度变大。
所以，目前需要一种可适用于各种脉冲宽度及周期下的脉冲信号稳幅，还能保证小占空比条件下功率测量不确定度数值不变的装置。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于脉冲功率测量的稳幅环路装置，本方案突破原有稳幅环路仅适用于连续波功率的限制，解决现有技术中脉冲宽度和脉冲周期的不确定性，以及小占空比条件下稳幅环路会使功率测量不确定度变大的问题。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种用于脉冲功率测量的稳幅环路装置，该装置包括：
数据采集单元，基于脉冲上升及下降的变化过程，获取脉冲幅值数据；
数据处理单元，利用密度分布统计平均法对所述脉冲幅值数据进行分析，得到脉冲信号幅度的平均值；
波形比较控制单元，利用脉冲信号幅度的平均值与标准电压进行差值运算，并将两者的差值信号放大用于控制信号源输出。
优选的，所述数据采集单元包括
脉冲信号接口；
脉冲触发信号接口；
第一时钟模块，将脉冲触发信号分为正交的第一触发信号和第二触发信号；
第一模数转换模块，基于所述第一触发信号，利用时间交替采样的方式对脉冲信号进行模数转换，获得第一脉冲采样信号；
第二数模转换模块，基于所述第二触发信号，利用交指采样的方式对脉冲信号进行数模转换，获得第二脉冲采样信号。
优选的，所述数据采集单元进一步包括设置在脉冲触发信号接口和时钟模块之间的分频模块，该模块用于将脉冲触发信号进行0.99小数分频的分频模块。
优选的，所述数据处理单元包括
静态随机存储器，用于快速存储提供给高速数字处理芯片的脉冲采样数据，并存储高速数字处理芯片处理分析后的过渡信号；
逻辑控制器，用于为脉冲信号选取与其相适应的通道，并对静态随机存储器进行使能管理；
高速数字处理芯片，基于外部设备的控制指令，对脉冲采样数据进行分析处理，获得过渡信号；
第三数模转换模块，将所述过渡信号进行转换，获得脉冲幅度信号。
优选的，所述数据处理单元进一步包括网口控制器，用于搭建高速数字处理芯片与外部设备进行数据。
优选的，所述数据处理单元进一步包括第二时钟模块，用于为高速处理芯片提供稳定的外部时钟信号。
优选的，所述数据处理单元进一步包括电源模块，为所述数据处理单元内部功能模块供电。
优选的，所述波形比较控制模块包括：
基准电压产生单元，用于产生与脉冲幅值进行比较的标准电压；
比较模块，用于将脉冲信号幅度的平均值和标准电压进行比较，获得两者的差值信号；
压控衰减器，利用所述差值信号的电压控制衰减变化量，控制外部信号调制脉冲信号的幅度，输出脉冲稳幅信号。
优选的，所述标准电压产生单元包括
精密程控直流电压源，用于产生基准电压；
幅度非线性修正电路，用于对基准电压进行幅度修正；
频响修正电路，用于对幅度修正后的基准电压进行频响修正，最终获得用于比较的标准电压。
优选的，所述波形比较控制模块进一步包括运算放大电路，用于将两者的差值信号放大用于所述压控衰减器。
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案采用数字采样比较技术，能有效同步脉冲信号，不仅适用于各种脉冲宽度及周期下的脉冲信号稳幅，还能保证小占空比条件下功率测量不确定度数值不变。本发明所述技术方案能有效减小测试端面的失配性，有利于提高功率测量的不确定度，不仅适用于各种脉冲宽度及周期下的脉冲信号稳幅，还能保证小占空比条件下功率测量不确定度数值不变。本方案可应用于18GHz～50GHz脉冲峰值功率标准中，能实现不小于5ns快沿脉冲信号功率的测试，脉冲宽度覆盖0.1us～20us。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出现有技术中功率稳幅环路的结构示意图；
图2示出本发明所述脉冲稳幅环路的结构示意图；
图3示出所述数据采集单元的结构示意图；
图4示出所述数据处理单元的结构示意图；
图5示出所述波形比较控制单元的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图2所示，本发明公开了一种用于脉冲功率测量的稳幅环路装置，该装置包括：基于脉冲上升及下降的变化过程，获取脉冲幅值数据的数据采集单元、利用密度分布统计平均法对所述脉冲幅值数据进行分析，得到脉冲信号幅度的平均值的数据处理单元和利用脉冲信号幅度的平均值与标准电压进行差值运算，并将两者的差值信号放大用于控制信号源输出的波形比较控制单元。如图3所示，本方案中，所述数据采集单元包括用于与外部脉冲设备连接，并接收脉冲信号的脉冲信号接口、用于接收脉冲触发信号的脉冲触发信号接口、将脉冲触发信号分为正交的第一触发信号和第二触发信号的第一时钟模块、基于所述第一触发信号，利用时间交替采样的方式对脉冲信号进行模数转换，获得第一脉冲采样信号的第一模数转换模块、基于所述第二触发信号，利用交指采样的方式对脉冲信号进行数模转换，获得第二脉冲采样信号的第二数模转换模块。本方案中，所述第一模数转换模块和第二模数转换模块分别采用高速模数转换芯片。所述数据采集单元进一步包括设置在脉冲触发信号接口和时钟模块之间的分频模块，该模块用于将脉冲触发信号进行0.99小数分频的分频模块。如图4所示，本方案中，所述数据处理单元包括：用于快速存储提供给高速数字处理芯片的脉冲采样数据，并存储高速数字处理芯片处理分析后的过渡信号的静态随机存储器、用于为脉冲信号选取与其相适应的通道，并对静态随机存储器进行使能管理的逻辑控制器、基于外部设备的控制指令，对脉冲采样数据进行分析处理，获得过渡信号的高速数字处理芯片和将所述过渡信号进行转换，获得脉冲幅度信号的第三数模转换模块。所述数据处理单元进一步包括：用于搭建高速数字处理芯片与外部设备进行数据的网口控制器、用于为高速处理芯片提供稳定的外部时钟信号的第二时钟模块和为所述数据处理单元内部功能模块供电的电源模块。本方案中，网口控制器的作用是搭建高速数字处理芯片与工控机通信的桥梁，工控机通过网口控制器能够发送指令，控制高速数字处理芯片对采集的数据进行分析，例如改变分析采样点的数量，调整计算出现的概率等操作。如图5所示，本方案中，所述波形比较控制模块包括：用于产生与脉冲幅值进行比较的标准电压的基准电压产生单元、用于将脉冲信号幅度的平均值和标准电压进行比较，获得两者的差值信号的比较模块和利用所述差值信号的电压控制衰减变化量，控制外部信号调制脉冲信号的幅度，输出脉冲稳幅信号的压控衰减器。其中，所述标准电压产生单元包括用于产生基准电压的精密程控直流电压源、用于对基准电压进行幅度修正的幅度非线性修正电路和用于对幅度修正后的基准电压进行频响修正，最终获得用于比较的标准电压的频响修正电路。所述比较模块采用精密比较电路。所述波形比较控制模块进一步包括运算放大电路，用于将两者的差值信号放大用于所述压控衰减器。
下面通过一组实例对本发明做进一步说明：
本发明设计一种用于脉冲功率测量的稳幅环路装置，该稳幅环路装置能够突破原有稳幅环路仅适用于连续波功率的限制，解决脉冲功率测量中不确定度偏大的缺点。该稳幅环路装置主要包括数据采集单元、数据采集单元和波形比较控制单元。数据采集单元是以高速多位模数转换芯片为核心，进行高速准确的捕捉脉冲上升及下降沿的变化过程。数据采集单元包括高速数字处理芯片及大容量存储器，能将采集的数字信号进行存储，并采用密度分布统计平均法进行脉冲幅值分析。波形比较控制单元采用精密比较器将脉冲幅值与精密直流电压源的输出电压进行比较，将差值信号放大用于控制信号源输出。
如图3所示，数据采集单元采用双片高速模数转换芯片设计而成，通过脉冲触发信号接口接收的脉冲触发信号经过分频模块将脉冲触发信号进行(1-1/n)小数分频后，利用第一时钟模块产生一组正交的脉冲信号分别作为两片模数转换芯片的时钟信号，采用这种时间交替采样技术能使采样速度提高一倍。对脉冲触发信号进行分频，并配合时间交替采样技术，可在(n/2)个采样周期后完成脉冲信号的一周期采样，形成欠采样的采样方式，利用这种欠采样原理，可使脉冲采样间隔缩小2n倍，这样就能准确的捕捉脉冲波形的起伏变化情况，使数据处理单元能够利用密度分布统计平均法进行脉冲幅值分析。本实例中，第一时钟模块产生一组正交的脉冲信号分别作为两片模数转换芯片的时钟信号，这种交指采样方式能使采样速度提高一倍；分频模块将脉冲触发信号进行0.99小数分频，配合交指采样方式可在50个采样周期后完成脉冲信号的一周期采样，利用这种欠采样原理，可使脉冲采样间隔缩小200倍，这样就能准确的捕捉脉冲波形的起伏变化情况，使数字处理模块利用密度分布统计平均法进行脉冲幅值分析。
如图4所示，数据处理单元采用高速数字处理芯片及大容量存储器设计而成。将脉冲采样数字信号直接送入大容量静态随机存储器中，同时，高速数字处理芯片与大容量静态随机存储器组成乒乓结构，便于快速读取采样数据，数据处理单元再将读取的一周期内的采样数据进行分组、排列及平均运算，利用密度分布统计平均法进行脉冲幅值分析。本实例中，采用的密度分布统计平均法不同于加权平均法，它对高速采样的幅度数据进行统计，选取出现概率最多且相邻的几组数据，在本实例中选取出现概率和达到50％的几组数据进行加权平均得到的数据即为脉冲信号幅度的平均值。采用上述方法的原因在于，脉冲调制信号一般会出现过冲、下冲及震荡现象，分别出现在脉冲的上升沿、下降沿及过冲后的一小段时间内，过冲时的波形幅度会高于脉冲真实幅度值，下冲时的波形幅度会低于脉冲真实幅度值，震荡时波形的幅度会上下起伏运动，过冲、下冲及震荡都会被采样电路采样，如果单纯的进行平均会增大测量误差，因此，需要在平均前对其进行适应性的舍弃处理。
如图5所示，波形比较控制单元包括由精密比较电路、波形系数修正电路、频响修正电路、幅度非线性修正电路及精密程控直流电压源组成。精密程控直流电压源作为波形比较的标准，其程控的数值由连续波功率标准量传得到；由于系统各部件的插损、频响及幅度非线性影响，需要一组修正电路进行数值修正，修正后的数值进入精密比较电路中与脉冲采样数据进行比较，产生反馈信号。
本发明所述技术方案采用数字采样比较技术，能有效同步脉冲信号，不仅适用于各种脉冲宽度及周期下的脉冲信号稳幅，还能保证小占空比条件下功率测量不确定度数值不变。本发明所述技术方案能有效减小测试端面的失配性，有利于提高功率测量的不确定度，不仅适用于各种脉冲宽度及周期下的脉冲信号稳幅，还能保证小占空比条件下功率测量不确定度数值不变。本方案可应用于18GHz～50GHz脉冲峰值功率标准中，能实现不小于5ns快沿脉冲信号功率的测试，脉冲宽度覆盖0.1us～20us。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种用于脉冲功率测量的稳幅环路装置，其特征在于，该装置包括：
数据采集单元，基于脉冲上升及下降的变化过程，获取脉冲幅值数据；
数据处理单元，利用密度分布统计平均法对所述脉冲幅值数据进行分析，得到脉冲信号幅度的平均值；
波形比较控制单元，利用脉冲信号幅度的平均值与标准电压进行差值运算，并将两者的差值信号放大用于控制信号源输出。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据采集单元包括
脉冲信号接口；
脉冲触发信号接口；
第一时钟模块，将脉冲触发信号分为正交的第一触发信号和第二触发信号；
第一模数转换模块，基于所述第一触发信号，利用时间交替采样的方式对脉冲信号进行模数转换，获得第一脉冲采样信号；
第二数模转换模块，基于所述第二触发信号，利用交指采样的方式对脉冲信号进行数模转换，获得第二脉冲采样信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述数据采集单元进一步包括设置在脉冲触发信号接口和时钟模块之间的分频模块，该模块用于将脉冲触发信号进行0.99小数分频的分频模块。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据处理单元包括
静态随机存储器，用于快速存储提供给高速数字处理芯片的脉冲采样数据，并存储高速数字处理芯片处理分析后的过渡信号；
逻辑控制器，用于为脉冲信号选取与其相适应的通道，并对静态随机存储器进行使能管理；
高速数字处理芯片，基于外部设备的控制指令，对脉冲采样数据进行分析处理，获得过渡信号；
第三数模转换模块，将所述过渡信号进行转换，获得脉冲幅度信号。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述数据处理单元进一步包括网口控制器，用于搭建高速数字处理芯片与外部设备进行数据。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述数据处理单元进一步包括第二时钟模块，用于为高速处理芯片提供稳定的外部时钟信号。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述数据处理单元进一步包括电源模块，为所述数据处理单元内部功能模块供电。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波形比较控制模块包括：
基准电压产生单元，用于产生与脉冲幅值进行比较的标准电压；
比较模块，用于将脉冲信号幅度的平均值和标准电压进行比较，获得两者的差值信号；
压控衰减器，利用所述差值信号的电压控制衰减变化量，控制外部信号调制脉冲信号的幅度，输出脉冲稳幅信号。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述标准电压产生单元包括
精密程控直流电压源，用于产生基准电压；
幅度非线性修正电路，用于对基准电压进行幅度修正；
频响修正电路，用于对幅度修正后的基准电压进行频响修正，最终获得用于比较的标准电压。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述波形比较控制模块进一步包括运算放大电路，用于将两者的差值信号放大用于所述压控衰减器。
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