CN106200751B - 一种中频信号功率自动调节电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种中频信号功率自动调节电路，包括：保护电路、功率放大单元、压控衰减单元、中频滤波单元、功分器、峰值检波单元、采样保持单元、电压比较单元、过载保护单元。本发明提出一种中频信号功率自动调节电路及方法，可以将功率变化范围较大的中频信号调节到目标功率范围内，使得输入射频信号的功率动态范围大大增加，提高仪器的处理能力；同时设计了过载保护电路，当功率过载时可以加大中频信号的衰减，有效保护后端通道电路不受损害。

Description

一种中频信号功率自动调节电路及方法

技术领域

本发明涉及信号处理领域，特别涉及一种中频信号功率自动调节电路，还涉及一种中频信号功率自动调节方法。

背景技术

随着无线电技术的发展，人们利用的微波信号的频率越来越高，已经达到太赫兹的频段。由于高频信号具有传输速度快、数据量大的特点，在处理高频信号时，需要将高频信号通过下混频的方式搬移到中频信号进行处理，中频信号频率一般是在几十兆赫到几百兆赫之间。中频信号的频率适中，大多数模拟器件都可以工作在中频频段，因此在微波仪器设计过程中，中频信号的处理是通道设计的关键。下变频得到的中频信号具有功率动态范围大的特点，需要在通道设计前端就将中频信号的功率限定在一定范围内，这样处理可以减轻后端通道设计的难度，提高设计的可靠性。

现有的解决方案是利用功率检测电路以及中频信号功率调节电路来解决上述问题的。如图1所示，现有的中频信号功率调节电路主要由压控衰减器、放大器、功率检测装置、功分器、CPU单元、DAC等几部分组成，工作原理如下：(1)下变频得到的中频信号首先经过一个功分器，功分器的输出一路接功率处理通道，一路接功率检测电路；(2)功率检测装置主要由功率探头构成，它检测到功率信号，并将功率信号转化为数字信号，然后将该数字信号送到CPU单元；CPU单元会根据得到的数字信号计算得出功率幅值P_IN，然后根据公式P_OUT＝P_IN+P_A-P_ATT(式中P_OUT为输出中频功率，P_A为放大器放大值，P_ATT为衰减器衰减值)得到衰减器的衰减值；(4)CPU单元根据计算出的衰减器的衰减值，根据压控衰减器的衰减曲线P_ATT＝kV，(k为衰减系数)，就可以得出压控衰减器需要配置的衰减电压V；(5)CPU单元输出信号控制DAC，使其输出衰减电压V，进而控制衰减器的衰减幅度，从而调节中频信号的功率。

图1仅是示意图，实际的中频信号功率调节电路通常由多个串联的压控衰减器、放大器以及中频滤波器构成。

传统的中频信号功率调节电路存在如下缺点：

(1)需要专门的功率检测装置，也就是功率探头，功率探头的缺点就是测量数据随温度有较大变化，因此需要在多种温度条件下进行参数校准，这样使得通道设计变得很复杂，增加了成本，同时占用了CPU资源。

(2)传统的中频信号功率调节电路需要经过CPU单元反馈后再去调节功率控制通道，处理时间较慢，不能满足高速变化的信号处理要求。

(3)需要用到多路DAC、功率探头、CPU模块等，成本较高。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明提出一种中频信号功率自动调节电路及方法，可以将功率变化范围较大的中频信号调节到目标功率范围内，使得输入射频信号的功率动态范围大大增加，提高仪器的处理能力；同时设计了过载保护电路，当功率过载时可以加大中频信号的衰减，有效保护后端通道电路不受损害。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种中频信号功率自动调节电路，包括：保护电路、功率放大单元、压控衰减单元、中频滤波单元、功分器、峰值检波单元、采样保持单元、电压比较单元、过载保护单元；其中，

保护电路连接在信号输入端与地之间，由二极管构成，当输入中频信号功率过大时直接通过二极管到地；

压控衰减单元接收输入的中频信号，并根据电压比较单元的比较电压对中频信号进行功率衰减；

功率放大单元接收来自压控衰减单元的中频信号，并对中频信号进行功率放大；

中频滤波单元接收来自功率放大单元的信号，并对混频、放大过程中产生的自激、交调、谐波、分谐波信号进行滤波处理，提高中频信号的频谱纯度；

功分器将来自中频滤波单元的信号功分为两路，一路送入后端电路进行处理，另一路送入峰值检波单元；

峰值检波单元接收来自功分器的中频信号，并将该中频信号的峰值检测出来，如果中频信号是连续波，那么检波输出为表征其幅度的一条直线；如果中频信号是脉冲载波，那么检波输出为提取出来的脉冲调制信号；

采样保持单元接收来自峰值检波单元的峰值电压，并将峰值电压进行采样保持；

过载保护单元接收采样保持单元的输出电压，与过载保护电压进行比较；

电压比较单元将采样保持得到的检波电压与表征目标功率的设定电压进行比较，得到比较电压，调节压控衰减器；同时接收来自过载保护单元的过载电压，如果信号过载则使得比较电压变为极小值，从而使前端的压控衰减单元衰减最大，保护后端的电路不受损害。

可选地，所述压控衰减单元采用两路或者多路压控衰减器串联的方式实现较大范围的功率衰减。

可选地，所述功率放大单元采用多个功率放大器串联的方式提高信号的放大比例。

可选地，所述过载保护单元由比较器和一个与门构成，如果检波电压大于过载保护电压则比较器输出为高，经过与门后，过载电压也为高；相反，如果检波电压小于过载保护电压则比较器输出为低，经过与门后，过载电压也为低；过载保护电压是由定值电压通过电位器分压得到的，其大小可以通过电位器进行调节。

可选地，所述电压比较单元中的设定电压是由一个定值电压通过电位器分压的方式得到的，其大小通过电位器进行调节。

基于上述调节电路，本发明还提出了一种中频信号功率自动调节方法，包括以下步骤：

第一步：中频信号经过压控衰减单元、功率放大单元、中频滤波单元后被功分为两路，一路到后端处理电路，一路到峰值检波单元；

第二步：峰值检波单元对中频信号进行峰值检波，得到其幅度峰值，并传送到采样保持电路；采样保持单元对峰值电压进行采样保持，得到检波电压后送到后端的电压比较单元和过载保护单元；

第三步：过载保护单元得到比较电压后，与过载保护电压进行比较，然后将比较器输出电压送到与门进行处理，如果检波电压大于过载保护电压则输出为高；如果检波电压小于过载保护电压则输出为低；并将过载电压反馈到电压比较单元；

第四步：电压比较单元接收检波电压、过载电压以及表征目标功率的设定电压，三者进行积分运算。

可选地，在不过载的情况下，过载电压为0V，对电压比较单元无影响；检波电压与设定电压进行积分运算，得到的积分电压控制压控衰减器，从而调节中频信号的功率，进而影响峰值检波单元的输出，最终使检波电压与设定电压达到一个平衡状态，使得最终输出的中频信号功率限定在目标功率范围内。

可选地，在过载的情况下，过载保护单元输出过载电压为高，迅速将积分电压拉低，使压控衰减单元的衰减变得最大，从而降低中频信号的功率，保护后端电路。

本发明的有益效果是：

(1)中频信号经过峰值检波以及采样保持后得到表征其功率的检波电压，检波电压与表征目标功率的设定电压进行比较，不需要采用功率探头进行功率测量，简化了电路，降低了设计难度。

(2)压控衰减单元接收比较电压，自动控制衰减大小，而不需要CPU控制单元的参与，提高了功率调节的速率，满足高速变化的中频信号的设计要求。

(3)设计了过载保护电路，不需要外部信号参与，即可以通过电路自身的反馈控制，增加压控衰减单元的衰减值，降低中频信号功率，保护后端电路。

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为传统的中频信号功率调节电路原理图；

图2为本发明的中频信号功率自动调节电路原理图；

图3为本发明的过载保护单元的原理图；

图4为本发明的电压比较单元的原理图。

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。

本发明提出了一种电路构成较为简单的中频信号功率自动调节电路及方法，可以将中频信号经过放大、衰减后限定在目标功率范围内，可以在功率过载时启动保护电路，保护后端的中频信号处理电路。

如图2所示，本发明的中频信号功率自动调节电路包括保护电路、功率放大单元、压控衰减单元、中频滤波单元、功分器、峰值检波单元、采样保持单元、电压比较单元、过载保护单元。

其中，保护电路连接在信号输入端与地之间，由二极管构成，当输入中频信号功率过大时可以直接通过二极管到地，从而保护后端电路。

压控衰减单元接收输入的中频信号，并根据电压比较单元的比较电压对中频信号进行功率衰减。通常采用两路或者多路压控衰减器串联的方式实现较大范围的功率衰减，同时要求衰减器的工作频率满足设计需求。

功率放大单元接收来自压控衰减单元的中频信号，并对中频信号进行功率放大。通常采用多个功率放大器串联的方式提高信号的放大比例，同时要求放大器的工作频率满足设计要求。

中频滤波单元接收来自功率放大单元的信号，并对混频、放大过程中电路可能产生的自激、交调、谐波、分谐波信号进行滤波处理，从而提高中频信号的频谱纯度，使后端电路不受干扰。

功分器将来自中频滤波单元的信号功分为两路，一路送入后端电路进行处理，一路送入峰值检波单元。

峰值检波单元接收来自功分器的中频信号，并将该中频信号的峰值检测出来，如果中频信号是连续波，那么检波输出为表征其幅度的一条直线；如果中频信号是脉冲载波，那么检波输出为提取出来的脉冲调制信号。

采样保持单元接收来自峰值检波单元的峰值电压，并将峰值电压进行采样保持。

过载保护单元接收采样保持单元的输出电压，与过载保护电压进行比较，其构成如图3所示，过载保护单元由比较器和一个与门构成，如果检波电压大于过载保护电压则比较器输出为高，经过与门后，过载电压也为高；相反如果检波电压小于过载保护电压则比较器输出为低，经过与门后，过载电压也为低。过载保护电压是由定值电压通过电位器分压得到的，其大小可以通过电位器进行调节。

电压比较单元主要由一个积分电路构成，如图4所示，R1、R2、R3、R4是比较电阻，C1是积分电容。电压比较单元将采样保持得到的检波电压与表征目标功率的设定电压进行比较，得到比较电压，去调节压控衰减器；同时接收来自过载保护单元的过载电压，如果信号过载则使得比较电压变为极小值，从而使前端的压控衰减单元衰减最大，从而保护后端的电路不受损害；设定电压是由一个定值电压通过电位器分压的方式得到的，其大小可以通过电位器进行调节。

基于上述调节电路的中频信号功率自动调节方法包括以下步骤：

第一步：中频信号经过压控衰减单元、功率放大单元、中频滤波单元后被功分为两路，一路到后端处理电路，一路到峰值检波单元；

第二步：峰值检波单元对中频信号进行峰值检波，得到其幅度峰值，并传送到采样保持电路；采样保持单元对峰值电压进行采样保持，得到检波电压后送到后端的电压比较单元和过载保护单元；

第三步：过载保护单元得到比较电压后，与过载保护电压进行比较，然后将比较器输出电压送到与门进行处理，如果检波电压大于过载保护电压则输出为高(+5V)；如果检波电压小于过载保护电压则输出为低(0V)；并将过载电压反馈到电压比较单元；

第四步：电压比较单元接收检波电压、过载电压以及表征目标功率的设定电压，三者进行积分运算。

在不过载的情况下，过载电压为0V，对电压比较单元无影响。检波电压与设定电压进行积分运算，得到的积分电压去控制压控衰减器，从而调节中频信号的功率，进而影响峰值检波单元的输出，最终使检波电压与设定电压达到一个平衡状态，使得最终输出的中频信号功率限定在目标功率范围内。

在过载的情况下，过载保护单元输出过载电压为高(+5V)，会迅速将积分电压拉低，使压控衰减单元的衰减变得最大，从而降低中频信号的功率，保护后端电路。

本发明的中频信号功率自动调节电路及方法，中频信号经过峰值检波以及采样保持后得到表征其功率的检波电压，检波电压与表征目标功率的设定电压进行比较，不需要采用功率探头进行功率测量，简化了电路，降低了设计难度。

本发明的中频信号功率自动调节电路及方法，压控衰减单元接收比较电压，自动控制衰减大小，而不需要CPU控制单元的参与，提高了功率调节的速率，满足高速变化的中频信号的设计要求。

本发明的中频信号功率自动调节电路及方法，设计了过载保护电路，不需要外部信号参与，即可以通过电路自身的反馈控制，增加压控衰减单元的衰减值，降低中频信号功率，保护后端电路。

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 (7)

1.一种中频信号功率自动调节电路，其特征在于，包括：保护电路、功率放大单元、压控衰减单元、中频滤波单元、功分器、峰值检波单元、采样保持单元、电压比较单元、过载保护单元；其中，

保护电路连接在信号输入端与地之间，由二极管构成，当输入中频信号功率过大时直接通过二极管到地；

压控衰减单元接收输入的中频信号，并根据电压比较单元的比较电压对中频信号进行功率衰减；

功率放大单元接收来自压控衰减单元的中频信号，并对中频信号进行功率放大；

中频滤波单元接收来自功率放大单元的信号，并对混频、放大过程中产生的自激、交调、谐波、分谐波信号进行滤波处理，提高中频信号的频谱纯度；

功分器将来自中频滤波单元的信号功分为两路，一路送入后端电路进行处理，另一路送入峰值检波单元；

峰值检波单元接收来自功分器的中频信号，并将该中频信号的峰值检测出来，如果中频信号是连续波，那么检波输出为表征其幅度的一条直线；如果中频信号是脉冲载波，那么检波输出为提取出来的脉冲调制信号；

采样保持单元接收来自峰值检波单元的峰值电压，并将峰值电压进行采样保持；

过载保护单元接收采样保持单元的输出电压，与过载保护电压进行比较；所述过载保护单元由比较器和一个与门构成，如果检波电压大于过载保护电压则比较器输出为高，经过与门后，过载电压也为高；相反，如果检波电压小于过载保护电压则比较器输出为低，经过与门后，过载电压也为低；过载保护电压是由定值电压通过电位器分压得到的，其大小通过电位器进行调节；

电压比较单元将采样保持得到的检波电压与表征目标功率的设定电压进行比较，得到比较电压，调节压控衰减单元；同时接收来自过载保护单元的过载电压，如果信号过载则使得比较电压变为极小值，从而使前端的压控衰减单元衰减最大，保护后端的电路不受损害。

2.如权利要求1所述的一种中频信号功率自动调节电路，其特征在于，所述压控衰减单元采用两路或者多路压控衰减单元串联的方式实现较大范围的功率衰减。

3.如权利要求1所述的一种中频信号功率自动调节电路，其特征在于，所述功率放大单元采用多个功率放大器串联的方式提高信号的放大比例。

4.如权利要求1所述的一种中频信号功率自动调节电路，其特征在于，所述电压比较单元中的设定电压是由一个定值电压通过电位器分压的方式得到的，其大小通过电位器进行调节。

5.基于权利要求1至4任一项所述调节电路的中频信号功率自动调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：中频信号经过压控衰减单元、功率放大单元、中频滤波单元后被功分为两路，一路到后端处理电路，一路到峰值检波单元；

第二步：峰值检波单元对中频信号进行峰值检波，得到其幅度峰值，并传送到采样保持单元；采样保持单元对峰值电压进行采样保持，得到检波电压后送到后端的电压比较单元和过载保护单元；

第三步：过载保护单元得到比较电压后，与过载保护电压进行比较，然后将比较器输出电压送到与门进行处理，如果检波电压大于过载保护电压则输出为高；如果检波电压小于过载保护电压则输出为低；并将过载电压反馈到电压比较单元；

第四步：电压比较单元接收检波电压、过载电压以及表征目标功率的设定电压，三者进行积分运算。

6.如权利要求5所述的一种中频信号功率自动调节方法，其特征在于，

在不过载的情况下，过载电压为0V，对电压比较单元无影响；检波电压与设定电压进行积分运算，得到的积分电压控制压控衰减单元，从而调节中频信号的功率，进而影响峰值检波单元的输出，最终使检波电压与设定电压达到一个平衡状态，使得最终输出的中频信号功率限定在目标功率范围内。

7.如权利要求5所述的一种中频信号功率自动调节方法，其特征在于，

在过载的情况下，过载保护单元输出过载电压为高，迅速将积分电压拉低，使压控衰减单元的衰减变得最大，从而降低中频信号的功率，保护后端电路。